单片机采集与通讯模块设计方案

一、需求分析

1. 数据采集功能：需支持多类型传感器接入（如模拟量、数字量、I2C/SPI接口传感器），采样精度不低于12位ADC，采样频率可配置（1Hz~1kHz）。
2. 通讯功能：需兼容主流工业通讯协议，支持有线（RS485/CAN/以太网）与无线（Wi-Fi/蓝牙/LoRa）双模通讯，具备数据透传与协议转换能力。
3. 扩展性：预留GPIO、UART、SPI等硬件接口，支持OTA远程升级，便于后续功能扩展。

二、硬件设计

1. 核心控制器选型

• 推荐型号：STM32F407VET6（Cortex-M4内核，主频168MHz，含12位ADC、DAC、多个通信外设）
• 替代方案：ESP32-WROOM-32（集成Wi-Fi/蓝牙，适合低功耗无线场景）

2. 外围电路设计

• 电源模块：采用LM2596稳压芯片，输入电压范围7~24V，输出3.3V/5V双路供电，增加TVS防护。
• ADC前端：OPA2340运放搭建信号调理电路，支持±10V模拟量输入，RC滤波抑制高频噪声。

• 通讯接口：

  • RS485：使用MAX485芯片，内置隔离电源模块。
  • CAN：TJA1050收发器，支持1Mbps速率。
  • 以太网：LAN8720控制器，通过RMII接口连接。
• 存储单元：外置EEPROM（AT24C02）存储配置参数，SD卡槽用于本地数据备份。

3. PCB布局要点

• 数字地与模拟地单点接地，电源层与地平面紧耦合。
• 高频信号（如晶振、以太网时钟）远离边缘，走线长度匹配。
• 通讯接口增加ESD保护器件（如PESD5V）。

三、软件架构

1. 驱动层

• 基于HAL库开发底层驱动，包括：

  • ADC轮询/DMA双模式采集
  • UART/CAN中断接收
  • LwIP协议栈移植（以太网）

• 关键代码示例（ADC DMA配置）：

  void ADC_Init(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    /* 启用ADC连续转换模式 */
    sConfig.ScanConvMode = ADC_SCAN_ENABLE;
    sConfig.NbrOfConversion = 4; // 同时采集4路传感器
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hADC, &sConfig);
    /* 启动DMA传输 */
    HAL_ADC_Start_DMA(&hADC, (uint32_t*)adc_buffer, BUFFER_SIZE);
  }

2. 协议层

• Modbus RTU：实现主机/从机模式，支持功能码03/06/16。
• MQTT：集成Paho-MQTT C库，支持TLS加密传输。
• 自定义协议：定义数据帧格式（起始符+长度+命令+数据+校验），CRC16校验。

3. 应用层

• 任务调度：FreeRTOS划分以下任务优先级：

  • 高优先级：实时数据采集（周期10ms）
  • 中优先级：通讯数据处理（周期100ms）
  • 低优先级：OTA升级（空闲时执行）
• 异常处理：看门狗定时器（IWDG）超时复位，错误日志本地存储。

四、测试验证

1. 功能测试：

   • 使用SignalGenerator输入模拟信号，验证ADC线性度（误差<±0.5%）。
   • 通过Modbus Poll工具测试RS485通讯，响应时间<50ms。

2. 稳定性测试：

   • 持续运行72小时，记录断线次数≤1次。
   • 高温老化试验（85℃/48h）无异常。

3. EMC测试：

   • 静电放电抗扰度≥8kV（接触放电）。
   • 辐射骚扰场强符合EN 55022 Class A标准。

五、成本优化建议

六、典型应用场景

• 工业自动化：作为PLC从站，采集温度/压力信号并上传至SCADA系统。
• 环境监测：搭配PM2.5/温湿度传感器，通过LoRaWAN组网。
• 智能家居：红外遥控信号解析，Wi-Fi转Zigbee网关。