本篇將簡(jiǎn)要的總結(jié)一下一個(gè)基于STM32F412ZG實(shí)現(xiàn)的多組分氣體分析儀的項(xiàng)目。簡(jiǎn)要描述該項(xiàng)目的軟硬件設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證。

一、項(xiàng)目概述

多組分氣體分析儀是我公司近期研發(fā)的三個(gè)主要產(chǎn)品之一。采用模塊化設(shè)計(jì)，可增減配置，可分析混合氣體中的氧氣、氫氣、甲烷、丙烷等氣體的組分。氧氣可以采用順磁氧傳感器、電化學(xué)氧傳感器兩種；氫氣傳感器可采用熱式氫氣傳感器；炭氫傳感器采用遠(yuǎn)紅外氣體傳感，可探測(cè)甲烷和丙烷。氣體組分的分析要求能夠快速反應(yīng)，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)硬件的要求比較高。

二、硬件設(shè)計(jì)

在硬件方面充分考慮系統(tǒng)應(yīng)用的需求，AD采集、DA輸出、DI輸入、DO輸出以及通訊等。

通訊部分主要包括串口通訊與以太網(wǎng)通訊。以太網(wǎng)的通訊采用W5500以太網(wǎng)控制器與MCU通過SPI總線通訊，在本項(xiàng)目中使用SPI2來實(shí)現(xiàn)通訊，以太網(wǎng)通訊部分的硬件設(shè)計(jì)如下：

串口通訊主要對(duì)象有兩個(gè)，遠(yuǎn)紅外炭氫傳感器和顯示屏。遠(yuǎn)紅外炭氫傳感器采用單總線串行通訊，TTL電平。兩路接口，通常一用一備，在需要時(shí)也可接兩臺(tái)傳感器，如一臺(tái)甲烷一臺(tái)丙烷。硬件接口的設(shè)計(jì)如下：

對(duì)于顯示屏其通訊接口采用RS485或者RS232。主要是因?yàn)槊嫦虿煌膽?yīng)用場(chǎng)合，在需要大顯示屏的時(shí)候選擇的是RS485接口，在普通小顯示屏是使用的是RS232接口。但這兩個(gè)屏不會(huì)同時(shí)使用所以采用一個(gè)USART口，實(shí)際使用的USART2通訊口，是使用RS232還RS485選擇焊接不同的器件。硬件部分的設(shè)計(jì)如下圖所示：

模擬量輸入輸出采用SPI接口與AD7705和AD5663來完成，模擬量輸入輸出個(gè)兩路。模擬量輸入主要用于采集氫氣組分?jǐn)?shù)據(jù)和氧氣組分?jǐn)?shù)據(jù)。氫氣傳感器采用熱式原理輸出0-5VDC的信號(hào)。氧氣傳感器有兩種：順磁傳感器和電化學(xué)傳感器，順磁傳感器輸出4-20mA電流信號(hào)，電化學(xué)傳感器輸出0-2.5VDC的信號(hào)，兩者不同時(shí)采用，所以采用同一路AI通道，根據(jù)不同的傳感器焊接不同的器件。贏家設(shè)計(jì)如下：

模擬量輸出也是兩路，通過SPI總線與MCU通訊。每路均能輸出0-5VDC信號(hào)。這部分硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單：

數(shù)字量輸入輸出主要用于小型真空泵和電磁閥的控制以及按鈕和狀態(tài)信息的輸入，硬件電路比較簡(jiǎn)單：

還有其他部分的硬件設(shè)計(jì)，相對(duì)比較平常就不在此討論了。

三、軟件調(diào)試

軟件的開發(fā)環(huán)境采用IAR EWARM和STM32CubeMX，在STM32CubeMX完成基本配置并生成項(xiàng)目，再在IAR EWARM開發(fā)應(yīng)用并調(diào)試。基本的開發(fā)調(diào)試就不討論了，主要說一說數(shù)字量輸入輸出，模擬量輸入輸出、串口通訊以及以太網(wǎng)通訊幾個(gè)方面的應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試。

為了讓軟件更好地適應(yīng)更換傳感器和應(yīng)用不同場(chǎng)合的功能增減要求，我們?cè)谠O(shè)計(jì)軟件時(shí)使用了一個(gè)配置文件來配置更能的使用和增減。這個(gè)配置文件就是一個(gè)頭文件，定義了一些宏來控制條件編譯，節(jié)選部分配置文件如下：

/*多組分氣體分析儀應(yīng)用版本定義：——0，用于標(biāo)準(zhǔn)的多組分氣體分析儀，版本號(hào)VA1.0.1；——1，用于標(biāo)準(zhǔn)的多組分氣體分析儀，版本號(hào)VA2.0.1；——2，用于標(biāo)準(zhǔn)的多組分氣體分析儀，版本號(hào)VA3.0.1；——3，用于便攜式氣體分析儀，版本號(hào)V1.0.1C；——4，B版應(yīng)用板，版本號(hào)V1.0.1B；*/ #ifndef MFC_MasterBoard_VERSION #define MFC_MasterBoard_VERSION (0) #endif/*定義擴(kuò)展功能的使能，一次只能使能一項(xiàng)*/ //#define EXT_Ethernet_ENABLE???? //擴(kuò)展以太網(wǎng)通訊 //#define EXT_CAN_ENABLE????????? //擴(kuò)展CAN總線通訊/*定義片上Flash存取使能*/ #ifndef STORAGE_ENABLE #define STORAGE_ENABLE (1) #endif/*全局變量定義*/ #include "globalvariable.h" /*顯示屏控制*/ #include "lcdcommunication.h" /*數(shù)字邏輯處理*/ #include "logicprocess.h" /*模擬量輸入輸出處理*/ #include "addaprocess.h" /*以太網(wǎng)通訊處理*/ #include "ethernetprocess.h" /*紅外炭氫傳感器*/ #include "ndirdataprocess.h"/*片上Flash參數(shù)存取操作*/ #if STORAGE_ENABLE > (1) #include "storeprocess.h" #endif/*調(diào)試功能*/ #include "CommonConfig.h"

關(guān)于模擬量輸入輸出、串口通訊以及以太網(wǎng)通訊幾個(gè)方面軟件的設(shè)計(jì)及調(diào)試在前面的文章中都已經(jīng)較少的比較清楚了，只有數(shù)字量輸入輸出沒有涉及到，在總結(jié)這一篇文章中我們?cè)谲浖脑O(shè)計(jì)和調(diào)試上主要說說數(shù)字量的處理。在多組分氣體成分分析儀中總共有5個(gè)DI輸入和5個(gè)DO輸出。這10個(gè)引腳的GPIO配置如下：

/*Configure GPIO pins : DI1_Pin DI2_Pin DI3_Pin DI4_PinDI5_Pin */GPIO_InitStruct.Pin = DI1_Pin|DI2_Pin|DI3_Pin|DI4_Pin|DI5_Pin;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;HAL_GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStruct);/*Configure GPIO pins : DO1_Pin DO2_Pin DO3_Pin DO4_PinDO5_Pin */GPIO_InitStruct.Pin = DO1_Pin|DO2_Pin|DO3_Pin|DO4_Pin|DO5_Pin;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);/*Configure GPIO pin Output Level */HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, DO1_Pin|DO2_Pin|DO3_Pin|DO4_Pin|DO5_Pin, GPIO_PIN_RESET);

對(duì)于DI、DO的操作我們采用定義操作函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)通道和全部通道的操作。我們首先定義兩個(gè)枚舉類型分別定義如下：

//定義數(shù)字量輸出通道枚舉類型，規(guī)定通道的范圍 typedef enum {DOChannel1,DOChannel2,DOChannel3,DOChannel4,DOChannel5,DOChannelNum } DigitalOutput;//定義數(shù)字量輸入通道枚舉類型，規(guī)定通道的范圍 typedef enum {DIChannel1,DIChannel2,DIChannel3,DIChannel4,DIChannel5,DIChannelNum } DigitalInput;

數(shù)字量輸入輸出的枚舉主要是為了方便操作和識(shí)別，通道數(shù)量出現(xiàn)變化時(shí)只需要增加枚舉兩種的通道定義即可。此處數(shù)字量輸入輸出均定義了5個(gè)通道。枚舉量的最后一個(gè)成員代表了通道的數(shù)量，在枚舉全部通道時(shí)能夠很好的避免超出范圍的錯(cuò)誤。

同時(shí)還要定義如下的結(jié)構(gòu)體，用于定義需要操作GPIO目標(biāo)。

//定義用于針腳操作的目標(biāo)針腳類型 typedef struct{GPIO_TypeDef* GPIOx;uint16_t GPIO_Pin; }TargetPin;

有了上述的定義則可以實(shí)現(xiàn)前面設(shè)想的操作了，接下來我們還需要定義兩個(gè)數(shù)字量輸入輸出通道的TargetPin類型的數(shù)組，用于存放想要操作的目標(biāo)通道，和前面枚舉兩種定義的通道一致，此處也是5個(gè)通道。

//定義DI通道的全部目標(biāo)針腳數(shù)組 TargetPin diPin[]={{GPIOE,GPIO_Pin_2},{GPIOE,GPIO_Pin_3},{GPIOE,GPIO_Pin_4},{GPIOE,GPIO_Pin_5},{GPIOE,GPIO_Pin_6}}; //定義DO通道的全部目標(biāo)針腳數(shù)組 TargetPin doPin[]={{GPIOD,GPIO_Pin_3},{GPIOD,GPIO_Pin_4},{GPIOD,GPIO_Pin_5},{GPIOD,GPIO_Pin_6},{GPIOD,GPIO_Pin_7}};

有了以上2個(gè)數(shù)組就可以在避免在操作過程中大量使用條件分支語句（Switch或if語句），簡(jiǎn)化編碼和避免在增加通道時(shí)還要修改函數(shù)的情況。現(xiàn)在如果通道數(shù)量出現(xiàn)變化則只需要修改枚舉量和數(shù)組的值就可。或者操作的管腳出現(xiàn)變化則只需要修改數(shù)組的值就可以了。而不需要去修改函數(shù)體，而且函數(shù)體的編碼也非常簡(jiǎn)單。

對(duì)數(shù)字量輸出的操作如下，在操作全部通道時(shí)，以枚舉變量作為循環(huán)變量，以枚舉的最后定義的數(shù)量來控制，并以枚舉量的取值作為數(shù)組下標(biāo)，有效避免出現(xiàn)超出范圍的錯(cuò)誤，同時(shí)在通道數(shù)量和通道對(duì)應(yīng)的具體針腳發(fā)生變化時(shí)，無需修改函數(shù)。

//操作全部繼電器DO通道 //輸入?yún)?shù)TargetPin *doPin為要操作的DO通道列表 //輸入?yún)?shù)BOOL *commands欲寫給DO通道的值列表 void OperationAllRelayChannel(TargetPin *doPin,BOOL *commands) {DigitalOutput DOChannel;for(DOChannel=DOChannel1;DOChannel<DOChannelNum;DOChannel++){OperationSingleRelayChannel(doPin[DOChannel],commands[DOChannel]);} }//操作單個(gè)繼電器DO通道 //輸入?yún)?shù)TargetPin doPin為要操作的DO通道 //輸入?yún)?shù)BOOL command欲寫給DO通道的值 void OperationSingleRelayChannel(TargetPin doPin,BOOL command) {HAL_GPIO_WritePin(doPin.GPIOx,doPin.GPIO_Pin,command); }

對(duì)數(shù)字量輸入的操作函數(shù)的編寫采用與數(shù)字量輸出相同的思路。對(duì)于枚舉之所以可以用作數(shù)組下標(biāo)，是因?yàn)槊杜e沒被指定值時(shí)，總是從0開始向上累加，正好與數(shù)組下標(biāo)是一致的。這要做還有一個(gè)好處是，通道與具體的GPIO引腳是由TargetPin數(shù)組的賦值順序決定的，修改非常方便。

//獲取全部DI量狀態(tài)輸入值 //輸入?yún)?shù)TargetPin *diPin為需要讀取的DI通道列表 //輸入?yún)?shù)BOOL *result為讀取的通道值返回列表 void GetAllDIStatusInput(TargetPin *diPin,BOOL *result) {DigitalInput DIChannel;for(DIChannel=DIChannel1;DIChannel<DIChannelNum;DIChannel++){result[DIChannel]=GetSingleDIStatusInput(diPin[DIChannel]);} }//獲取單個(gè)DI量狀態(tài)輸入值 //輸入?yún)?shù)TargetPin diPin是需要讀取的DI通道 //返回值為讀取的通道值 BOOL GetSingleDIStatusInput(TargetPin diPin) {uint8_t readValue;readValue = GPIO_ReadInputDataBit(diPin.GPIOx,diPin.GPIO_Pin);return (readValue>0)?True:False; }

最后來一張調(diào)試數(shù)字量輸入輸出的截圖：

多組分氣體成分分析儀項(xiàng)目軟件其他部分的設(shè)計(jì)與調(diào)試也已經(jīng)過驗(yàn)證，在此就不多說了。

四、結(jié)果驗(yàn)證

最后我們來簡(jiǎn)要說明一下多組分氣體分析儀的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。我們對(duì)最終的產(chǎn)品進(jìn)行的軟硬件測(cè)試，現(xiàn)將部分過程及結(jié)果展示如下，首先來一張調(diào)試模擬量數(shù)據(jù)采集的圖片：

再來看一張顯示界面中顯示組分?jǐn)?shù)據(jù)的截圖：

接下來再來一張顯示屏顯示參數(shù)設(shè)定和操作的界面：

最后展示一張與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)Modbus TCP通訊的截圖。

本篇簡(jiǎn)單的總結(jié)了基于STM32F412ZG實(shí)現(xiàn)的多組分氣體分析儀的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，總結(jié)項(xiàng)目的目的也是為了更好的改進(jìn)項(xiàng)目。

歡迎關(guān)注：

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一个基于STM32实现的多组分气体分析仪项目的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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