【大学课件】微控制器应用与接口技术课件 微控制器系统模拟量及其他扩展技术

微控制器应用与接口技术欢迎学习微控制器应用与接口技术课程本课程将深入探讨微控制器系统中的模拟量处理及其他扩展技术，这是现代嵌入式系统设计中不可或缺的重要部分在数字世界与模拟世界的交界处，微控制器需要具备处理各种信号的能力通过本课程，您将掌握模拟信号采集与处理的原理，了解各种扩展接口的使用方法，并通过实际案例学习完整系统的设计与实现让我们一起探索微控制器与现实世界交互的奥秘！课程概述模拟量处理技术深入学习模拟信号特性、采集系统设计、和转换原理，以及微控制A/D D/A器内部的使用方法ADC/DAC扩展接口与应用探讨、、等通信总线扩展技术，以及、、以太网和I²C SPIUART USBCAN无线通信接口的使用方法实验与项目实践通过动手实验和综合项目，将理论知识应用于实际系统设计，培养解决实际问题的能力考核与资源采用理论考试与项目实践相结合的考核方式，提供丰富的学习资源和参考材料第一部分模拟信号基础信号特性理解掌握模拟信号的基本特性和参数信号调理技术学习放大、滤波等基础处理方法转换器原理理解和转换的基本机制A/D D/A模拟信号基础是理解微控制器模拟量处理的关键在这一部分，我们将首先了解模拟信号的特性，然后探讨各种信号调理技术，最后学习模数转换的基本原理这些知识将为后续的微控制器实际应用打下坚实基础模拟量与数字量的区别模拟信号特点数字信号特点模拟信号是连续变化的物理量，如温度、压力、光强等其值在数字信号是离散的二进制数据，只有和两种状态其值在01任意时刻都可以取无限多个可能值，精确度受测量设备限制任意时刻只能取有限个离散值，精确度取决于位数数字信号抗干扰能力强，易于存储和处理，但需要通过采样和量模拟信号通常更接近自然现象，但易受噪声干扰，传输和存储过化将自然界的模拟量转换为数字量程中容易衰减和失真在实际应用中，微控制器作为数字设备需要通过转换器与模拟世界交互这种转换过程不可避免地引入了量化误差，需要合理的采样率和分辨率来保证信号的完整性和准确性模拟信号的特性幅值、频率与相位信噪比（）SNR幅值表示信号强度，是信号瞬时值的信噪比是信号功率与噪声功率的比值，最大偏移量；频率表示信号周期性变通常用分贝（）表示越高，dB SNR化的快慢，单位为赫兹（）；相位表示有用信号相对于背景噪声越强，Hz表示信号相对于参考点的时间偏移，信号质量越好在模拟信号处理中，通常用角度表示提高是关键挑战之一SNR带宽与采样率带宽表示信号包含的频率范围，采样率必须至少是信号最高频率的两倍（奈奎斯特采样定理）不符合该定理的采样会导致频谱混叠，使信号无法正确恢复常见的模拟信号源包括各类传感器（温度、压力、光照等）、音频信号、视频信号以及各种自然现象产生的信号理解这些特性对于设计高质量的信号采集系统至关重要模拟信号采集系统传感器接口将物理量转换为电信号信号调理电路放大、滤波、线性化处理采样保持电路锁定瞬时信号值转换器ADC将模拟值转换为数字量数据处理存储微控制器进行计算和存储一个完整的模拟信号采集系统通常由以上几个部分组成传感器将需要测量的物理量转换为电信号，然后通过信号调理电路进行处理，使其满足的输入要求采样保持电路在ADC转换过程中保持信号稳定，将模拟信号转换为数字量后，由微控制器进行进一步处理ADC系统设计时需考虑信号带宽、噪声水平、转换精度等因素，以确保采集结果的准确性和可靠性第二部分转换原理A/D实际应用微控制器中的使用方法1ADC性能与误差性能指标与误差分析ADC转换器类型各类的工作原理ADC基本原理采样、量化与编码的基础理论模数转换（转换）是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程在微控制器应用中，理解转换的原理对于正确采集和处理模拟信号至关重要A/D A/D本部分将从最基础的转换理论开始，逐步深入到各类转换器的工作原理、性能指标分析，以及在实际微控制器中的应用方法，为后续的实际编程和系统设计奠定基础转换基本原理A/D采样在离散时间点上获取连续模拟信号的瞬时值，形成离散时间序列采样频率必须符合奈奎斯特定理，即至少为信号最高频率的两倍，才能避免频谱混叠量化将采样得到的连续幅值转换为有限数量的离散值量化过程会引入量化噪声，其大小与的分辨率（位数）相关位数越高，量化噪声越小ADC编码将量化后的离散值转换为对应的二进制数字码不同的编码方式包括直接二进制编码、格雷码、补码等，用于适应不同的应用场景奈奎斯特采样定理是信号采样的基础理论，它指出若要不失真地恢复带限信号，采样频率必须大于信号最高频率的两倍实际应用中，为了保证信号质量，通常采用更高的采样率和抗混叠滤波器转换器性能指标A/D位12分辨率表示能够区分的最小电压变化，通常用位数表示位可以将输入范围分为个离散级别典型微控制器内置为位ADC N ADC2^NADC8-121MHz转换速率表示每秒能完成的转换次数，单位为（）高速可达几甚至级别，而低功耗型可能只有几ADC SPSsamples persecond ADCMHz GHzkHz±

0.5LSB线性度表示转换特性与理想直线的偏差程度，通常用积分非线性（）和微分非线性（）表示，单位为（最低有效位）ADC INL DNL LSB±1%精确度包括绝对精确度和相对精确度，反映输出数字值与实际模拟输入之间的对应关系准确程度ADC温度稳定性也是重要指标，表示参数随温度变化的稳定程度选择时，需要根据应用要求综合考虑这些性能指标，在成本、功耗和性能之ADC ADC间找到平衡点常见转换器类型A/D类型分辨率转换速率功耗主要应用逐次逼近型位中等数据采集、工8-1650kHz-业控制SAR5MHz并行比较型位高视频处理、高6-8100MHz速数字化Flash积分型位低精密测量、数Dual16-24100Hz字万用表Slope位中低音频、精密测Sigma-16-2410Hz-量Delta∑-Δ100kHz逐次逼近型是微控制器中最常用的类型，它通过二分法逐步逼近输入值，平衡了转换速ADC度和分辨率并行比较型速度最快但功耗高；积分型精度最高但速度慢；型则Sigma-Delta通过过采样和噪声整形获得高分辨率选择类型时，需考虑应用对速度、精度、功耗的要求以及成本限制ADC转换误差分析A/D线性误差量化误差包括积分非线性和微分非线性INLDNL由模拟信号离散化产生，最大为±

0.5LSB表示实际转换曲线与理想直线的最大偏INL量化误差是不可避免的，但可通过提高分辨差；表示相邻码之间实际步长与理想DNL率减小其相对影响步长的差异增益误差失调误差实际转换曲线斜率与理想斜率的偏差增益输入为零时输出不为零的现象失调ADC误差使得满量程输入时的输出值偏离理想值，误差会导致整个转换曲线发生平移，影响测影响测量的线性度量的绝对精度误差补偿技术包括软件校准法（通过测量已知参考值计算补偿系数）和硬件补偿法（如自动零点校准电路）在高精度应用中，还需考虑温度漂移、噪声和老化等因素对误差的影响第三部分微控制器内部ADC内置结构配置方法工作模式了解微控制器内部学习内部的寄掌握各种工作模式ADC的基本结构和存器配置、初始化的特点和适用场景，ADC工作原理，掌握其流程和参数设置，包括单次、连续、主要组成部分和信为实际编程应用打扫描和传输等DMA号流程下基础模式高效应用学习中断和技DMA术，实现高效的数据采集和处理，提高系统实时性能微控制器内部是连接数字处理与模拟世界的桥梁本部分将以系列微控制器ADC STM32为例，详细讲解其内部的特性、配置方法和编程技巧，帮助学生掌握微控制器模拟量ADC采集的核心技术微控制器内置结构ADC模拟多路复用器允许多个模拟输入通道共享一个，通过通道选择寄存器进行切换这大大节省了ADC芯片资源，提高了灵活性采样保持电路在进行转换期间保持输入信号稳定，通常由电容和开关组成采样时间可调，以ADC适应不同阻抗的信号源核心ADC执行实际的模数转换过程，多数微控制器采用逐次逼近型结构，兼顾速度和精SAR度转换过程由内部时钟驱动结果寄存器存储转换完成的数字结果，通常为位寄存器（右对齐或左对齐）可通过直接读取16或方式获取数据DMA大多数微控制器内部还包含校准机制、参考电压源（内部或外部）、触发控制电路和时钟预分频ADC器等组件了解这些结构有助于深入理解的工作原理和限制因素，为正确配置和使用奠定ADC ADC基础特性STM32ADC高精度转换提供位分辨率，理论上可将输入电压范围分为个级别实际应用中，STM32ADC124096考虑到噪声和非线性，有效位数约为位

10.5-11高速采样最高采样率可达，足以应对大多数工业控制和数据采集应用在高采样率模式下，需1MHz注意电源稳定性和降低采样阻抗多通道输入根据型号不同，可提供多达个外部模拟输入通道，通过内部多路复用器切换这STM3216使得单个可以监测多个模拟信号ADC内部传感器集成了内部参考电压和温度传感器通道，无需外部组件即可监测芯片温度，便于实现温度补偿和自校准功能的工作模式多样，包括单次转换（完成一次转换后停止）、连续转换（自动重复转换）STM32ADC和扫描模式（自动序列转换多个通道）这些灵活的工作模式使其能够适应各种应用场景寄存器配置STM32ADC的配置主要通过一组专用寄存器完成控制寄存器用于启动停止转换、校准和电源管理；配置寄存器设置工作模式、STM32ADC ADC ADC_CR/ADC ADC_CFG触发源和数据对齐方式；采样时间寄存器定义每个通道的采样时间；规则序列寄存器设置通道转换顺序；数据寄存器存储转换ADC_SMPR ADC_SQR ADC_DR结果正确配置这些寄存器是实现高性能应用的关键现代开发环境通常提供库函数简化这一过程，但理解底层寄存器结构有助于优化性能和解决问题ADC初始化流程STM32ADC通道配置和校准参数设置ADC设置各通道的采样时间，然后进行配置GPIO配置的分辨率、数据对齐方式、校准以提高精度时钟配置ADC ADC将对应的引脚配置为模拟输入转换模式和通道顺序等参数GPIO首先使能时钟，并配置时模式，关闭内部上拉下拉电阻ADC ADC/ADC_ChannelConfTypeDef钟预分频器时钟频率通常不超ADCADC_InitStruct.Resolution sConfig;过，过高的时钟频率会影响14MHz GPIO_InitStruct.Pin==ADC_RESOLUTION_12B;sConfig.Channel=转换精度时钟配置通过寄存器RCC GPIO_PIN_0;ADC_InitStruct.DataAlign=ADC_CHANNEL_0;完成GPIO_InitStruct.Mode=ADC_DATAALIGN_RIGHT;sConfig.Rank=1;GPIO_MODE_ANALOG;ADC_InitStruct.ScanConvMod sConfig.SamplingTime=RCC-APB2ENR|=GPIO_InitStruct.Pull=e=DISABLE;ADC_SAMPLETIME_28CYCLES;RCC_APB2ENR_ADC1EN;//使GPIO_NOPULL;ADC_InitStruct.ContinuousC HAL_ADC_ConfigChannelhad能ADC1时钟HAL_GPIO_InitGPIOA,onvMode=DISABLE;c1,sConfig;ADC-CCR|=GPIO_InitStruct;HAL_ADC_Inithadc1;HAL_ADCEx_Calibration_StarADC_CCR_ADCPRE_0;//thadc1;//校准ADCADC预分频初始化完成后，才能启动转换根据不同系列的具体型号，初始化代码可能略有差异，但基本流程相似ADC STM32工作模式STM32ADC单次转换模式连续转换模式完成一次转换后自动停止，适用于对采样一次转换完成后立即自动开始下一次转换，时间要求不高的场合通过软件触发或外无需软件干预，适用于需要持续监测的信部信号启动每次转换号低功耗应用的理想选择提供最高的采样率••转换结果通过轮询或中断获取通常配合使用••DMA配置简单，易于实现适合波形采集和信号监测••扫描模式按预设顺序自动转换多个通道，完成一个完整序列后停止或继续下一轮多通道数据采集的理想选择•可与连续模式结合使用•通常结合传输多通道数据•DMA传输模式允许直接将转换结果写入内存，无需干预，极大提高了数据吞吐量注DMA ADCCPU入模式则提供了一种打断当前规则转换序列，优先执行特定通道转换的机制，适用于需要紧急响应的信号中断与STM32ADC DMA中断机制传输DMA支持多种中断事件，最常用的是转换完成中断和溢出中断转换对于高速数据采集，是更高效的选择允许在无干预的情STM32ADC DMADMA ADCCPU完成中断在每次转换结束时触发，适用于采样率不高的场合；溢出中断在况下直接将数据传输到内存支持循环缓冲区模式，使可以持续ADC STM32DMA数据寄存器溢出（新数据覆盖旧数据前未被读取）时触发，用于检测数据丢失将数据写入预定义的缓冲区，形成环形队列中断配置示例配置示例DMAADC1-CR1|=ADC_CR1_EOCIE;//使能转换完成中断DMA_InitStruct.Channel=DMA_CHANNEL_0;NVIC_EnableIRQADC_IRQn;//使能NVIC中断线DMA_InitStruct.Direction=DMA_PERIPH_TO_MEMORY;DMA_InitStruct.PeriphInc=DMA_PINC_DISABLE;DMA_InitStruct.MemInc=DMA_MINC_ENABLE;DMA_InitStruct.Mode=DMA_CIRCULAR;HAL_DMA_Inithdma_adc;ADC1-CR2|=ADC_CR2_DMA;//使能ADC DMA请求使用进行大量数据传输可以显著提高系统的实时性能，释放资源用于数据处理结合循环缓冲区和双缓冲技术，可以实现连续的高速数据流处理，适用于DMA CPU波形记录、频谱分析等应用第四部分转换原理D/A数字编码转换过程数字系统中的二进制数据是的输入将数字码转换为对应的模拟电平DAC DAC2信号重建模拟输出滤波和平滑处理恢复连续波形连续可变的电压或电流信号数模转换转换是数字系统与模拟世界交互的另一个关键接口与相反，将离散的数字信号转换为连续的模拟信号，广泛用于波形生D/AADC DAC成、音频输出、自动控制等领域本部分将介绍的基本原理、性能指标、常见类型及其应用，并重点讲解内部的结构和编程方法，为学生掌握完整的模拟信号处理DAC STM32DAC能力打下基础转换基本原理D/A数模转换的本质理想的特性DAC数模转换的本质是将离散的数字编码映射为连续的电压或电流值理想的应具有完美的线性关系输出值与输入数字码成严DAC最简单的可以看作是一个可编程的电压源或电流源，其输格的线性比例其转换函数可表示为DAC出值由输入的数字码决定×Vout=Vref/2^N D对于位，其理论上能够产生个不同的离散输出电平N DAC2^N其中是参考电压，是位数，是输入数字码（Vref N DAC D0≤D实际应用中，这些离散电平通过输出滤波形成平滑的连续信号）理想还应具有零转换时间、无失真和完美的温2^NDAC度稳定性输出信号重建是应用中的关键步骤对于高频应用，输出通常需要经过重建滤波器处理，以消除阶梯效应和镜像频率，还原DAC DAC原始信号的平滑连续特性滤波器的设计取决于信号带宽和采样率，通常采用低通滤波器，截止频率设为奈奎斯特频率转换器性能指标D/A分辨率建立时间线性度单调性分辨率定义为最小可区建立时间是指接收到数与类似，的线性度单调性是指当输入数字码增DAC DACADC DAC分输出电平，由位数决定字输入后，输出达到最终值用积分非线性和微分非加时，输出值也应单调增加，N INL位理论上可产生个并稳定在允许误差范围内所线性表示描述实不应出现下降这对于闭环DAC2^N DNLINL不同电平，其最小电平变化需的时间这是衡量速际转换曲线与理想直线的最控制系统特别重要，非单调DAC为参考电压的度的关键指标，决定了能产大偏差；描述相邻输出可能导致系统不稳定LSB1/2^N DNLDAC常见微控制器内置为生的最高信号频率高速电平间的实际步长与理想步理论上，当时，DAC8-DNL1LSB位，专用可达建立时间可低至几纳秒长的差异保证单调12DAC16-DAC DAC位24失调和增益误差也是重要指标失调误差使得输入为零时输出不为零；增益误差导致满量程输出偏离理想值这些误差可通过校准补偿信号输出的噪声水平和谐波失真也需考虑，尤其在音频和应用中RF常见转换器类型D/A电阻网络型R-2R使用简单的电阻梯形网络实现数字到模拟的转换每个数字位通过开关连接到网络上，共同决定R-2R输出电压优点是结构简单，成本低；缺点是精度受电阻匹配度限制，通常用于中低精度应用电流输出型基于电流源阵列，每个位控制一个按权重缩放的电流源所有电流汇总后形成与数字输入成比例的输出电流，可通过电阻转换为电压这种结构具有高速度和良好的线性度，常用于高性能应用型PWM通过脉宽调制产生平均电压与输入数字码成比例的方波，再经低通滤波得到模拟电压这种方法利用数字电路就能实现功能，成本极低，但速度和精度有限，常用于对性能要求不高的场合DAC位型1Sigma-Delta利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，将高分辨率、低速度的数字信号转换为高速位流，再通过简1单滤波得到高精度模拟输出这种结构能实现很高的分辨率和线性度，广泛用于音频应用选择类型需考虑分辨率、速度、成本和功耗等因素网络和型适合简单低成本应用；电流输DAC R-2R PWM出型适合高速场合；型则适合需要高精度的低频应用，如音频和精密测量Sigma-Delta内部结构STM32DAC双通道结构内置两个独立的位通道，可同时输出不同波形STM3212DAC输出缓冲可选的输出缓冲放大器，提供低输出阻抗参考电压使用作为参考，决定输出电压范围VREF+触发源多种可选触发源，支持定时器和外部触发波形生成集成三角波和噪声生成功能的模块提供了丰富的功能和灵活的配置选项双通道设计允许同时生成两个独立的模拟信号，每个通道都有自己的控制寄存器和数据寄存器输出缓冲可以根据需要STM32DAC启用或禁用，启用时提供更强的驱动能力，禁用时则可以输出更接近参考电压的信号模块还支持通过自动更新数据，结合定时器触发，可以生成各种复杂波形，如正弦波、锯齿波等，非常适合信号发生器、音频合成等应用DAC DMA编程实现STM32DAC双通道同步输出单通道输出可以同时使用两个通道，生成相关或独立的波形触发源配置DAC设置输出单一电压值或波形初始化DACDAC如需定时更新输出，可配置触发源（如定时器）DAC//同时启动两个通道首先配置时钟和引脚，然后设置参数DAC GPIODAC//输出固定电压HAL_DAC_SetValuehdac,DAC_CHANNEL_1,//使用定时器作为触发源HAL_DAC_SetValuehdac,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,val1;//使能DAC时钟DAC_InitStruct.DAC_Trigger=DAC_ALIGN_12B_R,2048;HAL_DAC_SetValuehdac,DAC_CHANNEL_2,RCC-APB1ENR|=RCC_APB1ENR_DACEN;DAC_TRIGGER_T2_TRGO;HAL_DAC_Starthdac,DAC_CHANNEL_1;DAC_ALIGN_12B_R,val2;HAL_DAC_Inithdac,DAC_InitStruct;HAL_DAC_Starthdac,DAC_CHANNEL_1;//配置GPIO为模拟模式//使用DMA输出波形HAL_DAC_Starthdac,DAC_CHANNEL_2;GPIO_InitStruct.Pin=GPIO_PIN_4;////配置定时器HAL_DAC_Start_DMAhdac,DAC_CHANNEL_1,DAC_OUT1TIM_InitStruct.Prescaler=7200-1;//uint32_t*sineWaveTable,GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_ANALOG;10kHz256,DAC_ALIGN_12B_R;GPIO_InitStruct.Pull=GPIO_NOPULL;TIM_InitStruct.Period=100-1;//HAL_GPIO_InitGPIOA,GPIO_InitStruct;100HzHAL_TIM_Base_Inithtim2;//初始化DAC HAL_TIM_Base_Starthtim2;DAC_InitStruct.DAC_Trigger=DAC_TRIGGER_NONE;DAC_InitStruct.DAC_OutputBuffer=DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE;HAL_DAC_Inithdac,DAC_InitStruct;通过控制，可以实现复杂波形的连续输出，无需干预结合定时器精确控制采样率，可以开发出高质量的信号发生器、音频合成器等应用的还支持三角波和噪声发生器模式，可直接产生这些特殊波形DMA CPUSTM32DAC第五部分信号调理技术实际应用工程实践中的信号调理电路设计滤波技术各种滤波器设计原理与实现放大电路多种放大器配置及其应用运算放大器4运放基础理论与特性基本概念信号调理的必要性与原理信号调理是模拟信号采集系统中至关重要的环节，它将来自传感器的原始信号转换为适合输入的信号形式良好的信号调理电路可以显著提高测量系统的精度、可靠性和抗干扰能力ADC本部分将系统讲解信号调理的基本概念和常用技术，包括运算放大器基础、各类放大电路设计、滤波器设计等，并结合实际应用案例，帮助学生掌握实用的模拟电路设计技能信号调理的必要性信号调理的主要功能其他关键功能信号调理是模拟信号采集系统中不可或缺的环节，它解决了传感阻抗匹配也很重要高输出阻抗的传感器直接连接到可能ADC器输出与输入之间的不匹配问题没有适当的信号调理，导致采样误差，需要通过缓冲放大器提供阻抗转换抗干扰处理ADC系统可能面临信号失真、精度降低、抗干扰能力差等问题可减少外部电磁干扰和电源噪声的影响，常用技术包括差分放大、屏蔽、滤波等信号幅值匹配是最基本的需求传感器输出信号通常很微弱（如信号滤波用于去除不需要的频率成分，如工频干扰和高频噪声热电偶输出仅为毫伏级），而的输入范围通常为几伏通非线性校正则针对传感器的非线性特性进行补偿，如热电偶的分ADC过放大电路可以将微弱信号放大到合适范围，充分利用的段线性化处理，可通过模拟电路或数字算法实现ADC量程，提高系统分辨率设计良好的信号调理电路可以显著提高系统的信噪比、精度和可靠性随着集成电路技术的发展，出现了专用的信号调理芯片，集成了放大、滤波、校准等功能，简化了系统设计但理解基本原理仍然是选择和应用这些芯片的基础运算放大器基础理想运放特性理想运算放大器具有无限大的开环增益、无限高的输入阻抗、零输出阻抗、无限宽的带宽和零共模增益实际运放通过负反馈接近这些理想特性，但仍存在各种限制和非理想因素基本放大电路运放最基本的应用是同相放大器和反相放大器在负反馈条件下，运放的闭环增益由外部反馈网络（主要是电阻）决定，而非运放本身的开环增益，这使得电路性能更稳定可靠输入偏置电流与失调电压实际运放存在输入偏置电流（流入输入端的电流）和输入失调电压（使输出为零所需的差分输入电压）这些参数会导致测量误差，尤其在处理微弱信号时现代精密运放通过先进工艺将这些参数降至很低水平共模抑制比共模抑制比表示运放抑制共模信号相对于放大差模信号的能力，通常以表示高CMRR dB对于抑制电源噪声和环境干扰至关重要，特别是在差分信号测量中CMRR带宽与稳定性是选择运放时的重要考虑因素增益带宽积是衡量运放速度的关键指标，表示增益与GBP带宽的乘积大多数运放采用内部补偿以保证稳定性，但在高速应用中可能需要外部补偿网络理解这些基本特性对于正确设计信号调理电路至关重要放大电路设计放大电路是信号调理中最常用的电路之一同相放大电路具有高输入阻抗的特点，增益为，适合需要阻抗匹配的场合；A=1+R2/R1反相放大电路提供信号反相和虚拟接地点，增益为，适合需要信号求和的场合；差分放大器可抑制共模噪声，直接从差分A=-R2/R1信号源获取信号，是抗干扰的理想选择仪表放大器是专为精密测量设计的集成电路，具有极高的输入阻抗、精确的增益设置和卓越的共模抑制比，通常只需一个外部电阻即可设置增益选择放大器时需考虑带宽、噪声、失调、温漂等因素，并根据信号特性和系统要求选择合适的拓扑结构和器件型号滤波电路设计第六部分传感器接口技术温度传感器接口涵盖从简单的热敏电阻到复杂的热电偶接口电路，学习温度信号的调理和精确测量技术压力传感器接口学习压阻式、电容式等压力传感器的工作原理和接口设计，掌握信号放大和温度补偿方法光电传感器接口从简单的光敏电阻到复杂的图像传感器，学习光电信号的采集和处理技术传感器接口是微控制器连接物理世界的桥梁，本部分将详细介绍各类常用传感器的工作原理、信号特性和接口设计方法通过学习这些技术，学生将能够设计出高精度、高可靠性的传感系统，为物联网、智能控制等应用奠定基础温度传感器接口传感器类型测量范围精度线性度接口复杂性热电偶°°±°±°非线性高-270C~+1800C

0.5C~2C铂电阻°°±°±°稍非线性中RTD-200C~+850C

0.1C~

0.5C热敏电阻°°±°±°强非线性低-55C~+300C

0.1C~

1.5C半导体温度传感器°°±°±°较线性低-55C~+150C

0.5C~2C数字输出温度传感器°°±°±°已数字化很低-55C~+125C

0.5C~2C热电偶测温范围最宽，但需要参考结补偿和非线性校正，通常需要专用放大器和冷端补偿电路（如）精度高、稳定性好，但需要恒流源和高精度测量电路热敏电阻成本RTD Pt100低但强非线性，适合精度要求不高的场合半导体温度传感器（如）提供线性输出，接口简单，但温度范围有限数字输出传感器（如）集成了全部信号处理电路，通过数字总线（如、）直接与微控LM35DS18B201-Wire I²C制器通信，大大简化了系统设计压力传感器接口压阻式压力传感器电容式压力传感器压电式压力传感器最常用的压力传感器类型，基于压电阻效应，基于压力引起的电容变化，具有高灵敏度和利用压电效应，适合测量动态压力变化由通常采用惠斯通电桥结构其输出为毫伏级良好的温度特性接口通常需要电容电压于其高输出阻抗特性，接口通常需要电荷放-差分信号，需要高增益差分放大器进行放大转换电路，如充放电电路或专用集成电容传大器或阻抗转换电路这类传感器不适合测典型接口包括仪表放大器（如）和感器接口芯片更现代的设计使用数字输出量静态压力，但在振动和冲击压力测量中表INA118低通滤波器，以提高信噪比的集成传感器，大大简化了接口设计现出色MEMS压力传感器的信号调理要求较高，特别是校准和温度补偿方面温度补偿可通过硬件方法（如桥路中加入热敏元件）或软件方法（通过算法计算补偿值）实现现代压力传感器模块通常集成了信号调理电路和温度补偿功能，提供标准化输出，如电压、电流或数字接口（、），大大0-5V4-20mA I²C SPI简化了系统设计光电传感器接口光敏电阻结构简单、成本低廉，但响应速度慢且非线性强通常通过分压电路将电阻变化转换为电压变化，再经采集适合光强检测等简单应用ADC光电二极管响应速度快、线性好，常用于精确光强测量典型接口为电流电压转换电路（跨阻放-大器），将光生电流转换为电压信号需注意暗电流和温度漂移的影响光电晶体管灵敏度高于光电二极管，但线性较差，常用于光电开关和红外遥控接收接口电路通常包括电流限制电阻和信号调理电路，如比较器或施密特触发器图像传感器CCD/CMOS用于图像采集，输出为模拟信号（）或数字信号（大多数）接口复杂，CCD CMOS通常需要专用控制器或处理器，处理时序控制、数据读取和图像处理等任务红外和紫外传感器是光电传感器的特殊类型，用于特定波长的光辐射检测红外传感器常用于人体存在检测、远程温度测量等；紫外传感器用于强度监测、火焰检测等这些传感器通常需要专用的UV信号调理电路和波长选择性滤光片，以提高特定波长的检测灵敏度和抑制干扰光源的影响电流与电压测量电流测量技术电压测量技术分流电阻法是最简单的电流测量方法，将电流通过精密低值电阻，运算放大器是电压测量的常用工具对于低压测量，可直接使用测量其两端电压计算电流优点是成本低、线性好；缺点是直接输入或通过电压跟随器提供阻抗匹配；对于超出范围ADCADC接入电路，无隔离保护，且功率损耗较大的电压，可使用分压器和缓冲放大器霍尔效应传感器利用电流产生的磁场引起的霍尔效应测量电流，差分放大器用于测量两点间的电压，能有效抑制共模干扰，提高具有完全电气隔离的优势，适合高电压、大电流场合现代集成测量精度霍尔传感器提供线性输出和高精度隔离测量技术用于高压或需要隔离的场合，常见方法包括光电隔电流互感器是基于电磁感应原理的变压器型传感器，主要用于交离（如光耦合器）、电容隔离和变压器隔离现代集成隔离放大流电流测量，提供电气隔离和电流变换功能器和隔离大大简化了高压测量设计ADC电流和电压测量是电子系统中最基本的任务之一，正确的测量电路设计对系统性能和安全至关重要在设计测量电路时，需考虑精度要求、测量范围、带宽、隔离需求和成本等因素，选择合适的技术和器件第七部分其他扩展技术总线通信串行接口

1、等标准总线及其扩展技术及各种串行通信标准I²C SPIUART2无线通信高速接口蓝牙、等无线扩展技术、以太网等高速通信技术WiFi USB除模拟量处理外，微控制器系统还需要各种通信接口与外部设备交换数据这些接口技术是构建复杂系统的关键，可以实现微控制器与传感器、存储器、显示器、通信模块等设备的互连本部分将系统介绍各种常用通信总线的扩展技术，包括、、等基础接口，以及、、以太网和各类无线接口等高级通信技术I²C SPIUART USBCAN通过学习这些内容，学生将能够设计出功能更强大、连接更灵活的微控制器系统总线扩展I²C协议基础I²C掌握时序、寻址和数据传输机制地址空间扩展突破位地址限制的技术7多主机和总线驱动3解决长线和多主机系统的挑战总线是一种广泛应用的双线制串行总线，由飞利浦（现）开发，具有硬件简单、通信稳定的特点标准使用位设备地址，理论上I²C NXPI²C7最多支持个设备，但实际可用地址更少，因为许多地址为保留地址或已分配给标准设备类型128当需要连接更多设备时，可通过以下方法扩展地址空间使用位寻址模式；利用多路复用器多端口扩展器（如）；使用带有10/PCA9548A可配置地址的器件多主机系统需处理仲裁机制，确保总线访问冲突的正确解决长线驱动则需要缓冲器（如）或使用降低频率、P82B715加强上拉等技术应对电容负载常见外设包括、、温度传感器、、扩展器等I²C EEPROMRTC ADC/DAC GPIO总线扩展SPI协议基础总线拓扑与共享菊花链连接SPI MISO是一种全双工同步串行总线，支持两种主要拓扑独立片菊花链连接适用于支持该模式SPI SPI通常使用四根信号线选和菊花链独立片选方式中，的设备（如移位寄存器、SCLK LED（时钟）、（主机输出）、每个从设备有独立的线，但驱动器等）数据从一个设备MOSI CS（主机输入）和、和可共享的输出连接到下一个设备的输MISO CS/SS SCLKMOSI MISO（片选）其特点是速度快在多从设备系统中，非活动设入，形成链条这种方式只需（可达数十）、全双工通备的需三态控制或通过其一个线即可控制整个链，但MHz MISOCS信和简单的硬件实现他方式隔离，以避免冲突通信效率较低，因为数据必须穿过所有设备多芯片选择策略当需要连接大量设备时，片SPI选线可能不足解决方案包括使用扩展器增加可用输出；GPIO使用译码器多路复用器（如/）将位地址转换为74HC138n个片选信号；或使用控2^n SPI制的锁存器级联扩展片选信号高速通信需要考虑信号完整性问题，特别是线路长度超过几十厘米时推荐使用短而直接的连接、合适的终端电阻、屏蔽SPI电缆和控制时钟速率现代微控制器通常提供灵活的配置选项，包括时钟极性和相位设置（和），允许适应SPI CPOLCPHA各种设备的要求SPI扩展技术UART基础接口转换UART（通用异步收发器）是最基本的串行通信接口，微控制器通常使用电平（或UART UARTTTL0/

3.3V采用异步传输方式，只需两根数据线（和）），需通过电平转换器连接其他标准TX RX0/5V其特点是硬件简单、实现容易，但速度相对较低（通±到±电平，单端传输，典•RS-2325V15V常以下），且不支持多设备共享总线

115.2kbps型接口为或DB9DB25标准波特率、、、•96001920038400差分传输，支持长距离（米）•RS-

4851200、57600115200bps和多设备（个）32标准数据格式起始位、数据位、可选校验•5-9差分传输，支持点对多点拓扑•RS-422位、停止位1-2常用转换芯片（）、MAX232TTL-RS232（）MAX485TTL-RS485多串口扩展当微控制器内置端口不足时，可通过以下方式扩展UART硬件多路复用器利用控制多路复用器，共享一个•GPIO UART软件使用和定时器模拟功能•UART GPIOUART桥接芯片如（转多）•UART SC16IS750SPI/I2C UART转串口芯片如、•USB FT232CP2102通信协议设计是应用的重要方面由于本身只提供基本的字节传输功能，需要上层协议实现地址寻址、数UART UART据包定义、错误检测等功能常见协议包括简单的数据帧格式（起始标识符、地址、命令、数据、校验和）、MODBUS（工业自动化）和（点对点协议）流控制机制（如硬件流控或软件流控）在高速传输中尤PPP RTS/CTS XON/XOFF为重要接口技术USB协议基础USB（通用串行总线）是一种复杂的分层协议，包括物理层、设备层、传输层和功能层标准定义了多种速USB率低速、全速、高速和超高速采用主从架构，支

1.5Mbps12Mbps480Mbps5-20Gbps USB持即插即用和热插拔，并可为设备供电2微控制器控制器USB现代微控制器通常集成外设，支持设备、主机或（）模式系列提供全面的USB OTGOn-The-Go STM32支持，从简单的系列（仅设备模式）到强大的系列（高速）使用内置控制器需要USB F0F4/F7OTG USB正确配置、时钟和中断，以及实现描述符和请求处理功能GPIO USB3设备枚举过程设备接入时，主机通过枚举过程识别设备类型和功能过程包括检测连接、地址分配、获取描述符USB（设备、配置、接口和端点）、选择配置描述符是设备的核心，定义了设备的身份标识、功能和通信USB参数设备类型USB定义了多种标准设备类（人机接口设备，如键盘、鼠标）、（大容量存储类）、（通USB HIDMSC CDC信设备类）、音频类和视频类等使用标准类可以简化开发，因为操作系统已内置驱动程序也可以开发自定义类设备，但需要专用驱动虚拟端口是微控制器应用中最常见的实现之一，基于类这允许微控制器通过呈现为计算机上COM USB CDC USB的串行端口，便于与现有软件兼容实现需要正确配置描述符和处理类特定请求，以及实现数据收发逻辑VCP CDC大多数微控制器库提供示例代码，简化了开发过程USBCDC总线接口CAN协议基础物理层实现CAN（控制器局域网）是一种用于实时控制的串行通信总线，最初物理层采用差分信号传输（和），具有强大的CAN CANCAN_H CAN_L为汽车应用设计，现广泛用于工业自动化、医疗设备等领域抗干扰能力和长距离传输能力典型实现包括CAN的主要特点包括收发器芯片如、，连接微控制器•MCP2551TJA1050CAN多主控制任何节点都可在总线空闲时发起通信控制器和物理总线•消息优先级基于标识符的非破坏性总线仲裁终端电阻电阻连接在总线两端，减少信号反射••120Ω错误检测和处理校验、位监控、检查等隔离技术光电隔离器或变压器隔离，用于高噪声环境•CRC ACK•高可靠性短帧结构和强大的错误检测•标准可达（短距离）或（长达），而CAN1Mbps10kbps1km CAN高抗噪性差分信号传输•可达FD8Mbps帧格式包括标准帧（位标识符）和扩展帧（位标识符）数据帧包含仲裁字段、控制字段、数据字段（字节）和字段接CAN11290-8CRC收方通过接收过滤器和掩码来选择性接收感兴趣的消息，减轻处理负担总线采用复杂的错误检测和恢复机制，包括位错误、错误、格式错误等多种检测方式每个节点维护发送和接收错误计数器，根据错CAN CRC误频率自动进入错误主动、错误被动或总线关闭状态，实现故障节点的自我隔离，保证网络正常运行以太网接口嵌入式以太网控制器微控制器可通过两种方式实现以太网连接集成以太网控制器（如系列），需外接芯片；或使用外部以太网控制器（如MAC STM32F4/F7PHY、），通过接口连接集成方案性能更高，外部方案实现更简单ENC28J60W5500SPI以太网物理接口包括变压器（提供电气隔离）、接口（带有变压器的集成接口更为常见）和以太网芯片（如、）RJ45PHY LAN8720DP83848协议栈TCP/IP微控制器以太网应用需要协议栈实现网络通信可选方案包括TCP/IP开源协议栈（轻量级）、（微型）•lwIP IPuIP IP商业协议栈各种集成的网络组件•RTOS芯片厂商提供的协议栈如、网络组件•STM32LwIP NXPKSDK协议栈通常支持、、、、等基本协议，以及、等应用层协议ARP IPICMP UDPTCP DHCPDNS地址配置MAC每个以太网设备需要唯一的地址（位）在嵌入式系统中，可通过以下方式获取地址MAC48MAC从购买地址块（生产产品时）•IEEE MAC使用芯片内部唯一生成（如的）•ID STM32UID从或配置存储中读取•EEPROM使用软件配置的固定地址（开发或小规模使用）•网络服务实现基于以太网的微控制器可实现各种网络服务服务器通过提供设备控制和监控界面•Web HTTP客户端物联网应用中的轻量级消息协议•MQTT工业自动化的标准协议•Modbus TCP代理网络设备管理协议•SNMP服务器客户端文件传输•FTP/以太网为微控制器提供了强大的远程监控和控制能力通过界面，用户可远程查看设备状态、配置参数和控制操作；利用等协议，设备可轻松集Web MQTT成到云平台；采用标准工业协议，可无缝接入自动化系统这些应用使微控制器成为物联网和工业的重要组成部分

4.0无线通信扩展无线技术频率范围速率功耗主要应用蓝牙中近距离设备连

2.4GHz10-100m1-3Mbps接高网络接入、高WiFi

2.4/5GHz50-100m11-速数据传输1300Mbps极低传感器网络、ZigBee

2.4GHz10-100m250Kbps家庭自动化低远距离低功耗LoRa433/868/92-15km

0.3-50Kbps物联网15MHz变化较大被动极低身份识别、资RFID125kHz/

13.

0.1-1m产跟踪56MHz微控制器通过各种无线通信模块可实现灵活的无线连接蓝牙模块（如、模块）通过连接微控HC-05BLE UART制器，适合短距离通信；模块（如、）提供网络连接能力，支持通信；模WiFi ESP8266ESP32TCP/IP ZigBee块构建低功耗网络；技术实现超远距离低功耗传输，适合城市环境物联网应用Mesh LoRa技术则用于非接触式识别，通过读卡器连接微控制器，广泛应用于门禁、支付和物流管理选择无线技术时需RFID综合考虑通信距离、数据速率、功耗、成本等因素，以及应用场景的特殊需求第八部分应用案例仪器仪表类数字示波器、信号发生器等测量设备的设计与实现，展示模拟量采集与处理技术的实际应用控制系统类温度控制、电机控制等各类闭环控制系统，演示传感器接口与控制算法的结合使用监控与通信类工业监控系统、仪器仪表等复杂应用，展示通信接口技术与模拟量处理的综合应用本部分将通过一系列典型应用案例，展示前面所学知识在实际项目中的综合应用这些案例涵盖了不同复杂度和应用场景的微控制器系统，从相对简单的数据采集设备到复杂的工业控制系统通过分析这些案例的系统架构、硬件设计、软件实现和关键技术点，学生将能够理解如何将各种模块和技术整合成完整的系统，为独立开发类似项目打下基础数字示波器设计用户界面显示和控制旋钮实现交互LCD触发系统灵活的边沿和电平触发机制数据采集3高速与实现连续采样ADC DMA模拟前端信号调理与输入保护电路数字示波器是应用的典型案例，其系统架构包括模拟前端、数据采集、处理与显示等部分模拟前端负责信号调理，包括衰减器（）、输入保护电路、ADC1x/10x直流耦合交流耦合选择和前置放大器，确保输入信号适合范围/ADC数据采集部分使用高速（如的，采样率可达）和传输，实现高速连续采样触发系统可实现上升下降沿和电平触发，以稳定显示ADC STM32F4ADC2MSPS DMA/周期信号示波器的核心算法包括采样率控制、触发检测、数据缓冲管理和波形渲染用户界面通常使用显示波形，通过旋转编码器或按键实现参数调整和功能LCD选择高级功能可包括自动测量（频率、周期、占空比等）、频谱分析和波形存储回放FFT数字信号发生器输出DAC使用位产生精确波形12DAC技术DDS直接数字合成实现精确频率控制波形调整频率、幅值和相位的精确控制波形生成支持多种标准和自定义波形数字信号发生器是应用的典型案例，使用数模转换技术产生各种波形信号其核心是直接数字合成DAC DDS技术，通过相位累加器和波形查找表实现高精度频率控制的工作原理是累加器以系统时钟频率递增，DDS其值表示波形的瞬时相位；该相位值作为查找表索引获取对应幅值；最后通过输出模拟信号DAC基于的信号发生器实现通常使用内置和定时器，通过实现高效波形输出系统支持多种标STM32DAC DMA准波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波等）和任意波形生成用户可通过控制界面调整频率（通常

0.1Hz-）、幅值和相位等参数高级功能包括频率扫描、脉冲调制、波形叠加和波形存储输出级通常包含放1MHz大器和低通滤波器，以提供更大电压范围和更纯净的波形智能温控系统温度测量控制PID多传感器采集处理温度数据闭环算法实现精确温度调节用户界面功率输出直观显示与设置温度参数驱动加热或制冷元件智能温控系统是温度传感器和控制算法应用的典型案例系统使用多点温度测量方案，常用传感器包括（数字输出）、（高精度）或热电偶（宽DS18B20PT100量程），根据应用场景选择采集模拟传感器信号，或通过总线读取数字传感器数据，实现°分辨率的温度测量ADC

0.1C核心控制采用（比例积分微分）算法，通过调整、、参数实现精确温度控制算法计算控制量，通过信号驱动功率输出电路控制加热或制冷元PID--Kp KiKd PWM件功率输出通常采用或固态继电器，配合光耦隔离保护微控制器系统还包括通信接口（、等）实现远程监控，以及人机界面（按键MOSFET RS485WiFi LCD+或触摸屏）便于本地操作高级功能包括温度曲线记录、定时控制、过温保护和自整定参数PID电机控制系统系统组成控制技术电机控制系统是伺服控制的典型应用，包括位置和速度传感器、驱动是电机控制的核心技术，通过调制占空比控制电机输PWM驱动电路、电流检测电路和控制算法根据应用需求，系入功率对于直流电机，桥电路实现双向控制；对于无刷电机，PWM H统可控制不同类型的电机直流电机（结构简单）、步进电机三相逆变器提供换相控制驱动电路通常由或构MOSFET IGBT（开环位置控制）或无刷电机（效率高，寿命长）成，配合专用驱动芯片提供隔离和保护位置反馈通常使用编码器（增量式或绝对式）、霍尔传感器或磁闭环控制算法包括速度环控制、位置环控制，以及更高PID PID性传感器速度可通过编码器脉冲频率计算，或使用测速发电机级的矢量控制和现场导向控制系统通常使用多级闭环结构内直接测量电流检测采用低阻分流电阻或霍尔电流传感器，用于环为电流环（最快响应），中环为速度环，外环为位置环（响应过流保护和转矩控制较慢）通信接口支持、等工业标准协议，实现与CAN Modbus上位机的通信安全保护是电机控制系统的关键考虑因素，包括过流保护、过压保护、过温保护和堵转保护硬件保护电路提供紧急响应能力，软件监测提供多级保护策略高级电机控制系统还可实现自适应控制、能量回收制动和故障诊断功能实验室仪器仪表数字万用表基于高精度（通常位型）和精密参考电压源，可测量电压（）、电流（）、电阻（）等关键技术包括量程自动切换、输入保护电路和自校准功能ADC24Sigma-Delta mV-1000VμA-10AΩ-MΩ电子负载用于测试电源性能的可编程负载，通过控制功率的栅极电压实现恒流、恒压、恒功率或恒阻模式关键技术包括精确的电流和电压测量、闭环控制和散热管理MOSFET频率计数器使用微控制器高速计数器和精确时基测量信号频率，通常采用直接计数法或倒数法前端包括信号调理和施密特触发整形电路，支持多种输入电平可编程电源使用控制基准电压，通过反馈环路和功率放大级实现稳定输出系统包括电压和电流闭环控制，支持恒压恒流自动切换电池测试系统则整合了可编程负载和精密测量电路，能够模拟各种放电曲线并记录电池参数DAC/这些仪器通常采用模块化设计，包括模拟前端、数据采集、处理单元和用户界面微控制器提供核心控制功能，而高性能设计可能使用处理高速数据通信接口（如、、以太网）实现与计算机的连接，支持自动化测试和数据分析FPGA USBGPIB工业监控系统传感器网络数据采集与处理工业监控系统通常包含多种传感器温度、压力、系统使用分层架构处理大量传感数据前端微控流量、液位、气体浓度等这些传感器通过模拟制器负责原始数据采集和基本处理，中间层处理信号、数字总线（如、环路、单元（如工业级或系统）执行数据聚合、RS4854-20mA ARMx86协议）或无线网络（如、）存储和分析HART ZigBeeLoRa连接到数据采集单元实时数据处理滤波、统计计算、阈值检测•模拟信号调理放大、滤波和隔离•数据存储本地数据库和云存储•数字信号处理协议解析和错误检测•数据压缩减少存储和传输需求•传感器校准零点和量程校正•远程监控与故障诊断系统提供远程访问能力，允许操作人员从任何地点监控和控制设备监控界面通常基于技术或专用客Web户端软件，显示实时数据、历史趋势和报警信息故障诊断算法基于规则或机器学习•预测性维护分析趋势预测故障•报警管理多级报警和通知机制•工业监控系统的可靠性设计至关重要，包括冗余电源、看门狗定时器、数据备份和故障安全机制系统通常采用工业标准通信协议（如、、）实现与上位系统和其他设备的互操作性安全性设Modbus ProfinetOPC UA计包括访问控制、数据加密和入侵检测，防止未授权访问和网络攻击课程总结与展望关键技术回顾应用场景前沿趋势我们系统学习了模拟信号采集从简单的数据采集到复杂的工微控制器技术不断发展，新的与处理的基本原理，和业控制系统，微控制器的应用趋势包括更高性能的模数转A/D转换技术，信号调理电路几乎无处不在通过实际案例换器、集成电源管理单元、人D/A设计以及各种通信接口扩展方分析，我们了解了如何将各种工智能加速器、边缘计算能力法这些知识构成了微控制器技术整合到完整的系统中，解和增强的安全特性系统设计的核心技能决实际工程问题实践项目建议鼓励学生尝试开发数据采集系统、智能控制器、环境监测站或便携式测量仪器等项目，将课程知识应用于实际开发，提升综合设计能力本课程为学生提供了微控制器应用与接口技术的系统性知识，特别是模拟量处理和扩展技术方面的专业能力这些技能对嵌入式系统开发、物联网应用和工业自动化领域都具有重要价值学习资源与参考文献包括《微控制器开发实战》、《模拟电子技术基础》、官方参考手册、开源项目STM32STM32示例代码等我们鼓励学生继续探索和实践，在未来的学习和工作中不断深化这些知识和技能。