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【N32G457】基于N32G457的充气实时监控系统

发布于 2022-03-20 01:04:53 浏览：840 订阅该版

#基于N32G457的充气实时监控系统
##应用背景
根据国内轮胎充气工作的现状，本设计旨在提供一种基于充放气控制的轮胎自动充气装置控制电路，通过基于MCU控制方式的充放气及检测控制过程，弥补以往充气装置的不足，此控制方式能够提高轮胎充气及检测的精度。并通过实验证明系统设计合理，满足设计要求，且系统效率高，性能稳定，操作方便，具有较好的经济效益及社会效益。轮胎在胎压过低时行驶会出现油耗增大、轮胎磨损增大、轮圈变形并可能出现爆胎等现象，胎压过高则可能会导致轮胎抓地力减低、刹车性能减弱、更容易爆胎。所以适时检查胎压已经成为确保轮胎安全工作不可或缺的内容。
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传统的压力计使用机械系统测量压力，波登管根据施加的压力膨胀和收缩。整个系统 利用机架，枢轴，弹簧，小齿轮和指针移动以显示表盘上的压力。机械式压力表通过一个表盘，展示压力简单但有效，在实际应用中非常广泛且易于阅读，但这也是它们的限制，必须人工读取及记录压力，造成实际使用的不便。
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数字压力表使用应变消除传感器，以数字方式处理信号,使用电子显示屏模仿模仿界面，并可标注数值，更加直观，并可兼容传统使用场景。同时数字压力表为您提供更加稳定和的压力测量，重要的是，数据可以远程收集，通过有线或无线通讯传输，实现同时读取记录多个仪表数据的功能，减少了工作流程，提高使用效率，即可使用在生活中，也可以应用在工业生成的产品检测中。
##实现功能
检测充气中轮胎的压力，显示在OLED显示屏上，MCU通过比较气压设定值，控制充放气系统，使得轮胎的压力无限趋近于气压设定值，直至气压位于满足的区间，系统停止工作。同时，系统提供不同工作状态的提示，显示在OLED显示屏上。此外，本装置带有串口功能，方便将装置与计算机连接，进行数据交换，达到在计算机实现控制显示目的，提高装置适用面，外接无线通讯模块，可实现无线传输功能。
##开发板使用情况概述
由于疫情的影响，比赛配发的N32G457开发板被隔离，还好手头有一块N32G435,暂时用来代替一下。
N32G435系列采用32 bit ARM Cortex-M4内核,最高工作主频108MHz,支持浮点运算和DSP指令,集成高达128KB嵌入式加密Flash,32KB SRAM,集成丰富的高性能模拟器件,内置1个12bit 5MspsADC,2路独立轨到轨运算放大器,2个高速比较器,1个1Msps12bitDAC,支持多达20通道电容式触摸按键,集成多路U(S)ART、I2C、SPI、USB、CAN等数字通信接口, 内置密码算法硬件加速引擎。
N32G457系列采用32 bit ARM Cortex-M4F内核,最高工作主频144MHz,支持浮点运算和DSP指令,集成多达512KB Flash、144KB SRAM、4x12bit 5Msps ADC、4xOPAMP、7xCOMP、2x1Msps 12bit DAC,支持多达24通道电容式触摸按键,集成多路U(S)ART、I2C、SPI、QSPI、USB、CAN通信接口,1xSDIO接口,1x10/100M以太网接口,数字摄像头(DVP)接口,内置密码算法硬件加速引擎。
![09ce833523b217c59e9264b7a695eb83.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220319/102850dd1dca859dd89f7317b2e24625.jpg.webp)
通过比较，两款芯片的差距不大，N32G435总体比N32G457外设更少，主频更低，不会对比赛造成不公平，也能满足该项目需要。
本项目，需利用的外设有5MspsADC，2路独立轨到轨运算放大器，2个高速比较器，3通道按键，U(S)ART，I2C，SPI等外设，视情使用USB接口。
##RT-Thread使用情况概述
首次，尝试使用RT-Thread系统设计项目，摆脱裸机程序开发方式的软件框架不清晰，对后续扩展功能极其不利；另一方面，由于软件复杂性的增加，过多使用中断等因素，造成系统不可靠性增加的困境。
主要实现7个任务的运行，读取传感器数值，转换传感器数值，数值显示，按键判断，数值串口传输，超限报警，比较值设置。
计划使用RT-Thread Studio开发，RT-Thread Studio是一个基于 Eclipse 的开发工具软件，主要包括工程创建和管理，代码编辑，SDK管理，RT-Thread配置，构建配置，调试配置，程序下载和调试等功能。
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具有以下特点：
优点：低门槛快速上手，一站式开发，图形化配置，社区版本永久免费。
缺点：目前只支持 Windows 平台，配置、编译、运行速度较慢，支持的硬件平台较少（找不到现有的N32G435，先用N32G457平台，看看能不能烧进去）。
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##硬件框架
硬件系统主要由电源电路、数据采集电路、控制与处理电路、通讯电路构成。电源电路主要将不同的供电输入转换成3.3V电压为设备供电，数据采集电路有传感器模块组成，控制与处理电路包括N32G435单片机电路、人机界面，通讯电路有蓝牙模块和USB转串口模块，整体框图如下图所示：
![qq264b7a695eb83.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220320/813302b1a0bdfc63b0ce771c29c6ef2d.jpg.webp)
###传感器模块电路设计
模块电路将传感器的CSB上拉，SDO引脚下拉，配置成SPI通信模式，将引出的SCK与SDI引脚与单片机SPI接口相连，即可通信。
![2.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220320/4d001697f707c31878134ffd8d79913f.jpg.webp)
###USART串行通信电路设计
USB转串口模块全称为USB to Serial port Module，它可以将USB接口虚拟成一个串口，解决客户无串口的苦恼。现在市面上的USB转串品的设备可谓是琳琅满目，质量也是参差不齐。造成这种现象的根本原因就在于控制芯片的不同。现在USB转串口桥接芯片有很多，比如CP2102、FT232、PL2303等等。但并非每一种芯片都可以用作ISP下载。经过测试CP2102是不能下载的，而FT232可以下载，但其价格实在不菲。最为适中的就是台湾生产的PL2303，可以稳定下载，并可以支持多种操作系统。
本测量仪使用的PL2303HX芯片采用28脚贴片SOIC封装，工作频率为12MHZ，符合USB 1.1通信协议，可以直接将USB信号转换成串口信号，波特率从75～1228800，有22种波特率可以选择，并支持5、6、7、8、16共5种数据比特位，是一款相当不错的USB转串口芯片。
![3.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220320/71fd094ba2907ebe876cd4feb46126f3.jpg.webp)
###OLED显示屏电路设计
OLED （Organic Light Emitting Display）即有机发光显示器，在手机LCD上属于新型产品，被称誉为“梦幻显示器”。OLED器件具有以下特点。
（1）OLED 器件的核心层厚度很薄，厚度可以小于 1mm，为液晶的 1/3。
（2） OLED 器件为全固态机构，无真空，液体物质，抗震性好，可以适应巨大
的加速度，振动等恶劣环境。
（3） 主动发光的特性使 OLED 几乎没有视角限制，视角一般可达到 170 度，具
有较宽的视角，从侧面也不会失真。
（4） OLED 显示屏的响应时间超过 TFT—LCD 液晶屏。TFT—LCD 的响应时间大约使几十毫秒，现在做得最好的 TFT—LCD 响应时间也只有 12 毫秒。而 OLED 显示屏的响应时间大约是几微秒到几十微秒。
（5） OLED 低温特性好，在零下 40 摄氏度都能正常显示，目前航天服上也使用OLED 作为显示屏。而 TFT—LCD 的响应速度随温度发生变化，低温下，其响应速度变慢，因此，液晶在低温下显示效果不好。
（6） OLED 采用有机发光原理，所需材料很少，制作上比采用液体发光的液晶工序少，液晶显示屏少 3 道工序，成本大幅降低。
（7） OLED 采用的二极管会自行发光，因此不需要背面光源，发光转化效率高，能耗比液晶低，OLED 能够在不同材质的基板上制造，厂家甚至可以将电路印刷在弹性材料上——做成能弯曲的柔软显示器。
（8） 低电压直流驱动，5V 以下，用电池就能点亮。高亮度，可达 300 明流以上。
测量仪使用的 1.3 寸 OLED 模块采用高亮度，低功耗的 OLED 屏，显示细腻，在阳光下有很好的可视效果。模块供电可以是 3.3V 也可以是 5V，不需要修改模块电路，同时兼容 3 种通信方式：3 线 SPI、4 线 SPI、IIC，通信模式的选择可以通信两个零欧电阻来跳选。该模块一共有两种颜色：蓝色、白色。OLED 屏具有多个控制指令，可以控制 OLED 的亮度、对比度、开关升压电路等指令。操作方便，功能丰富。同时为了方便应用在产品上，预留 4 个 M2 固定孔，方便用户固定在机壳上。
![4.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220320/c5b50d6227a0d01c627a6c25917d5bd5.jpg.webp)
###蓝牙4.0模块电路设计
本系统的蓝牙模块以CCC2541为核心，使用方便，具有以下特点：
（1）用户接口使用通用串口设计，全双工双向通讯，最低波特率支持2400bps。同时支持桥接模式(串口透传)，或者直接驱动模式(无需额外CPU)。
（2）默认80ms连接间隔，连接快速，串口数据包长度每次20byte透传。
（3）支持AT指令软件复位模块，获取MAC地址；调整蓝牙连接间隔，控制不同的转发速率。；AT指令调整发射功率，修改广播间隔，自定义广播数据，设定数据延时，修改串口波特率，修改模块名，均会掉电保存。
（4）包括调试口在内的全IO外扩。两路ADC输入(14 bit)，使能/禁止，采样周期自由配置。四路可编程PWM(120Hz)输出。
（5）模块端RSSI连续采集，可自动通知APP，使能/禁止，采集频度自由设定。
（6）支持模块电量提示，电量读取，可自动上报。（设备电量提醒）。
（7）支持防劫持密码设置，修改和恢复，防止第三方恶意连接。也可不使用。独立的密码操作结果通知，方便APP编程；
（8）支持IO配置和输出状态保存功能，可自定义默认的初始化状态。
（9）支持低电平使能模式和脉宽使能模式，支持远程关机。脉冲使能模式下支持30秒无连接自动关机。极低功耗的待机模式，CC2540芯片官方数据睡眠电流0.4uA。
![6.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220320/f4f3dbc2c4924b04e57fb2a22c428782.jpg.webp)
###电源管理模块电路设计
LDO 是一种线性稳压器，使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。
更新的发展使用 MOS 功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用 功率MOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。
开发板使用的稳压模块为AMS1117，AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。
AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252(DPAK)塑料封装。
AMS1117 基本参数：
1）输出电流(A) 1；
2）输出电压(V)Adj,1.2,1.5,1.8,2.5,2.85,3.3,5.0；
AMS1117其他特性：
1）初始误差(%)±1.5；
2）压差(V)：1.3；
3）三端口可调节或固定输出电压：1.2V,1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V和5.0V；
4）输出电流1A；
5）工作压差低至1V；
6）线荷载调节：0.2%Max.；
7）负载调节：0.4% Max. ；
8）可选封装：SOT-223,TO-252和SO-8封装。
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##单片机最小系统电路设计
开发板主 MCU 芯片型号为 N32G435KBL7，LQFP32 管脚封装 ，开发板把所有的功能接口都连接出来，方便客户开发。MCU 每一个 VDD 管脚都连接有电容，所有 GPIO 都引出连接到 J1 和 J2 插针上，方便调试。
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###按键电路设计
按键设计, 一共 5 个按键，分别为 MCU 复位按键，唤醒按键和 3个通用按键。
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##电磁兼容设计
电磁兼容性（缩写EMC）就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响。电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产，而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。
电磁干扰可能对工业自动化仪表性能造成的危害主要在以下几个部位：微处理器控制系统、二次仪表或分系统、数字系统与数据传输电、交流供电电源等。
因此，系统的设计中，必要的电源共模滤波器、芯片电源附近的去耦电容、对系统的电源地、模拟地、数字地分别接地，减少地线上的信号好相互干扰。
##软件框架
###软件系统整体框架
系统采用结构化程序设计，主要由主函数和外部中断函数构成，其中主函数包括初始化函数及功能模块函数。
系统的初始化函数对单片机时钟、GPIO口、串行通讯接口、I2C总线通讯接口、定时器、BMP280压力传感器、SH1106显示器驱动芯片进行初始化。
系统的功能模块分为三个功能块：基本参数的显示、气压变化波形图、海拔高度测量。三个功能模块调用了BMP280寄存器读写函数、SH1106寄存器读写函数、气压换算高度数学模型函数、显示屏绘图函数等子函数完成功能。
结构化程序设计，自顶向下、逐步求精，提高了系统的可读性，也方便后期对系统功能的补充，和原有程序的完善，也把庞大的系统，分割成多个部分，有利于调试过程中，对程序功能的判断。
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##单片机外设初始化
单片机外设，包括片内设备和片外设备，在初始化的时候分别对设备的参数进行设置，系统时钟设置为108MHz，I2C设置为标准模式，速度为3MHz，USART波特率为9600，字长7位，无校验，停止位1位，可发生和接受，16倍数采样，GPIO为高速推挽输出，以驱动LED另有GPIO设置为外部中断模式，用于按键控制。
传感器与显示屏初始化则根据数据手册进行初始化，详见BMP280气体压力传感器初始化和OLED驱动芯片SH1106初始化。
![捕获2.JPG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220323/2f47f5806140a992e1a86de098396518.jpg.webp)
###BMP280气体压力传感器初始化
BMP280的测试启动流程（注意它的datasheet中的status寄存器）：
（1）读取BMP280的ID，其值等于0x58。
（2）读取校正参数寄存器。
（3）复位BMP280。
（4）配置BMP280的数据采集精度，模式，过采样率、滤波系数。
（5）延时，等待数据采集完成。
（6）读取寄存器中的采集数据。
具体初始化流程图如图所示：
![捕获3.JPG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220323/d0f5984893a0fb244dc04999fc4f218d.jpg)
###BMP280气体压力传感器数值计算
（1）温度：首先读取BMP280地址为0xFA~0xFC寄存器的数据，计算得到未校准温度adc_T，读取函数如下：
```
double BMP280_get_temperature(void)
{
int8_t lsb, msb, xlsb;
int32_t adc_T;
double temperature;
xlsb = BMP280_RegisterRead(BMP280_TEMPERATURE_XLSB_REG);
lsb = BMP280_RegisterRead(BMP280_TEMPERATURE_LSB_REG);
msb = BMP280_RegisterRead(BMP280_TEMPERATURE_MSB_REG);
adc_T = (msb << 12) | (lsb << 4) | (xlsb >> 4);
temperature = BMP280_compensate_temperature_double(adc_T);
return temperature;
}
```
利用BM280 API中函数BMP280_compensate_temperature_double，对温度进行校准，返回校准后的温度temperature，温度校准程序如下：
```
double BMP280_compensate_temperature_double(int32_t adc_T)
{
double var1, var2, temperature;
var1 = (((double) adc_T) / 16384.0 - ((double) dig_T1) / 1024.0)*((double) dig_T2);
var2 = ((((double) adc_T) / 131072.0 - ((double) dig_T1) / 8192.0)
*(((double) adc_T) / 131072.0 - ((double) dig_T1) / 8192.0))
*((double) dig_T3);
t_fine = var1 + var2;
temperature = (var1 + var2) / 5120.0;
return temperature;
}
```
在该程序中，函数返回一个浮点数，假设返回值为12.24，等同于12.24℃。
（2）压强：首先读取BMP280地址为0xF7~0xF9寄存器的数据，计算得到未校准压强adc_P，读取函数如下：
```
double BMP280_get_pressure(void)
{
uint8_t lsb, msb, xlsb;
int32_t adc_P;
double pressure;
xlsb = BMP280_RegisterRead(BMP280_PRESSURE_XLSB_REG);
lsb = BMP280_RegisterRead(BMP280_PRESSURE_LSB_REG);
msb = BMP280_RegisterRead(BMP280_PRESSURE_MSB_REG);
adc_P = (msb << 12) | (lsb << 4) | (xlsb >> 4);
pressure = BMP280_compensate_pressure_double(adc_P);
return pressure;
}
```
利用BM280 API中函数BMP280_compensate_pressure_double，对压强进行校准，返回校准后的压强pressure，压强校准函数如下：
```
double BMP280_compensate_pressure_double(int32_t adc_P)
{
double var1, var2, pressure;
var1 = ((double) t_fine / 2.0) - 64000.0;
var2 = var1 * var1 * ((double) dig_P6) / 32768.0;
var2 = var2 + var1 * ((double) dig_P5) * 2.0;
var2 = (var2 / 4.0) + (((double) dig_P4) * 65536.0);
var1 = (((double) dig_P3) * var1 * var1 / 524288.0 + ((double) dig_P2) * var1) / 524288.0;
var1 = (1.0 + var1 / 32768.0) * ((double) dig_P1);
if (var1 == 0.0) 
{
return 0; // avoid exception caused by division by zero
}
pressure = 1048576.0 - (double) adc_P;
pressure = (pressure - (var2 / 4096.0)) * 6250.0 / var1;
var1 = ((double) dig_P9) * pressure * pressure / 2147483648.0;
var2 = pressure * ((double) dig_P8) / 32768.0;
pressure = pressure + (var1 + var2 + ((double) dig_P7)) / 16.0;
return pressure;
}
```
在该程序中，函数返回一个浮点数，假设返回值为96386.2，等同于96386.2Pa。在压强校准函数中，程序已对传感器采集到的数据进行温度校准，在此不做深入讨论。
###OLED驱动芯片SH1106初始化
SH1106的初始化，需要对其时钟分频比，振荡器频率，多路复用率，显示偏置，起始行数、充电泵时间、电压设置、数据段重映射、公共端输出扫描方向、引脚、电压设置，对比度设置，预充电时间设置，显示模式设置，具体设置流程和参数如图所示。
![捕获4.JPG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220323/ae5cdb74ae01397f9176ed9c314297ba.jpg.webp)
气体压力温度参数显示
在这部分功能，程序完成参数读取，计算和显示，作为测量仪的最基本功能，通过读取温度的测量值，经过校正函数，输出校正后的数据，并用SH1106的显示函数将数据显示出来。具体程序如下：
```
void Function_Pressure(void)
{
if(refreshing ==false)
{
OLED_Clear();
/*显示汉字：高精度数字型压力测量仪*/
OLED_ShowCHinese(0+16,0,23,16);
OLED_ShowCHinese(0+32,0,24,16);
OLED_ShowCHinese(0+48,0,25,16);
OLED_ShowCHinese(0+64,0,26,16);
OLED_ShowCHinese(0+80,0,27,16);
OLED_ShowCHinese(0+96,0,28,16);
OLED_ShowCHinese(8+16,2,29,16);
OLED_ShowCHinese(8+32,2,30,16);
OLED_ShowCHinese(8+48,2,31,16);
OLED_ShowCHinese(8+64,2,32,16);
OLED_ShowCHinese(8+80,2,33,16);
OLED_ShowCHinese(0,4,0,16);
OLED_ShowCHinese(16,4,1,16);
OLED_ShowCHinese(0,6,2,16);
OLED_ShowCHinese(16,6,3,16);
OLED_ShowCHinese(106,6,4,16);
OLED_ShowChar(106,4,'P',16);
OLED_ShowChar(115,4,'a',16);
refreshing = true;
}
OLED_ShowChar(112,2,'-',16);
rt_thread_delay(50);	
T_Now = BMP280_get_temperature();
rt_kprintf("The Temperature is %f \n",T_Now);
OLED_ShowNum(40+32,6,T_Now,2,16);
OLED_ShowChar(40+48,6,'.',16);
OLED_ShowNum(40+56,6,((uint16_t)(T_Now*10)%10),1,16);
P_Now = BMP280_get_pressure();
rt_kprintf("The Pressure is %f \n",P_Now);
OLED_ShowNum(32,4,P_Now,7,16);
OLED_ShowChar(88,4,'.',16);
OLED_ShowNum(96,4,(((unsigned long)(P_Now*10))%10),1,16);
OLED_ShowChar(112,2,'*',16);  
rt_thread_delay(50);
}
```
实际界面设计如图所示：
![捕获6.JPG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220323/417dbcd69adc0dc76aeda2ead8043485.jpg)
##作品完整图片
实际显示效果如图所示
![微信图片_20220323234447.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220323/8e879a91a0575cf70107d353eef3e445.jpg.webp)
主界面
![图片7.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220323/b89524f712556044ba4bfce0058e025d.jpg)
上位机界面
![图片1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220323/b345aa95aec068870dafee8030c9de8e.png.webp)
##视频演示地址
https://b23.tv/aMbER4B

##代码地址
https://gitee.com/xcs101/rtt-pressure.git