基于STM32的多路電壓測量設計方案涉及到多個電壓信號的采集、處理和輸出，系統設計需要選用合適的STM32主控芯片及外圍元件來實現。以下為詳細的設計方案，包括主控芯片型號選擇、主要功能模塊設計以及具體的實現過程。

1. 系統需求分析

在多路電壓測量系統中，核心需求包括以下幾點：

1. 多通道輸入：能夠采集多達10路以上的電壓信號。

2. 高精度：電壓測量精度達到mV級，適用于精密的電壓監測。

3. 實時性：能夠快速響應并處理多個電壓輸入信號。

4. 數據存儲與通信：能夠通過串口、USB或無線方式傳輸數據。

2. 方案設計總體框架

本系統基于STM32微控制器，利用其內置的模數轉換器（ADC）模塊完成多路電壓信號的采集。同時，系統通過模擬開關擴展通道，實現多路輸入信號采集。此外，利用STM32的DMA功能實現數據的高速傳輸，并通過LCD或PC界面顯示測量數據。

3. 主控芯片選擇及作用

STM32系列微控制器具有豐富的外設資源、較高的性價比和出色的ADC性能。以下為適用于本方案的幾款常用STM32主控芯片的型號及其特點：

3.1 STM32F103系列

• 型號：STM32F103C8T6、STM32F103RCT6、STM32F103ZET6

• 主要參數：72 MHz主頻，內置12位ADC（最多16個通道），支持DMA功能。

• 優勢：該系列芯片性價比高，ADC性能良好，適合實現基本的多路電壓采集應用。

• 應用：可以作為基本的多路電壓采集處理核心。

3.2 STM32F407系列

• 型號：STM32F407VGT6、STM32F407ZGT6

• 主要參數：168 MHz主頻，內置12位ADC（多達24個通道），支持DMA。

• 優勢：該系列芯片運算性能強大，適合復雜的實時數據處理任務，具有較高的采樣速度。

• 應用：適用于對多路電壓信號要求較高的場合，特別是采樣速率較高的需求。

3.3 STM32L476系列

• 型號：STM32L476RGT6

• 主要參數：80 MHz主頻，12位ADC（多達24個通道），低功耗設計。

• 優勢：功耗低，適合低功耗要求的應用場合；擁有多通道ADC，適合電池供電的電壓測量系統。

• 應用：適用于需要長時間運行和功耗敏感的電壓測量系統。

3.4 STM32H743系列

• 型號：STM32H743VIT6、STM32H743ZIT6

• 主要參數：400 MHz主頻，內置14位高精度ADC，支持DMA。

• 優勢：高主頻和高分辨率ADC，適合精度要求高的多路電壓測量應用。

• 應用：適用于高精度、高速采集的電壓測量系統。

4. 系統設計

4.1 電壓采集電路設計

為了能夠同時采集多路電壓信號，通常采用多路模擬開關擴展ADC輸入通道，或直接使用具有多ADC通道的MCU。每個輸入通道通過一個電阻分壓電路和RC濾波電路，以防止高頻干擾。

4.1.1 模擬開關電路

• 選用CD4051或CD4067作為模擬開關，用于選擇不同的電壓通道。模擬開關輸出連接到ADC輸入，通過控制開關狀態選擇通道。

• 模擬開關通道數可根據需求配置（如8路、16路等），可擴展ADC輸入。

4.1.2 分壓電阻及濾波電容

• 電阻分壓電路：選擇合適的分壓比，使輸入電壓落在ADC輸入范圍內。根據系統的精度需求選擇電阻值。

• RC濾波電路：一般選取10kΩ的電阻和0.1μF的電容進行濾波，避免高頻干擾。

4.2 ADC采樣電路設計

ADC采樣部分是整個電壓測量系統的核心。采用STM32內置的12位或14位ADC模塊進行電壓采樣。利用DMA（Direct Memory Access）技術，可以在不占用CPU資源的情況下，快速傳輸ADC采集的數據。

4.2.1 ADC配置

• 采樣分辨率：選擇STM32自帶的12位或14位ADC，分辨率越高，測量精度越高。

• 采樣速率：根據需求選擇適當的采樣速率。STM32F407的ADC可以配置為最大采樣率1 Msps，適合高實時性需求。

• DMA配置：使用DMA通道將ADC采樣數據直接傳輸到存儲區域，提高數據采集效率。

4.3 數據處理與顯示模塊設計

處理采集的電壓數據，STM32微控制器可以將數據進行計算處理，并通過串口、液晶顯示屏、LED等形式實時輸出。

4.3.1 數據處理

• 使用DMA存儲的數據，通過STM32進行平均濾波、噪聲抑制等處理，提高測量穩定性。

• 可通過公式對電壓數據進行標定，轉化為實際電壓值。

4.3.2 數據顯示

• 串口輸出：通過USART串口，將數據傳輸到PC端，以便進一步處理和顯示。

• LCD顯示：采用1602或TFT LCD模塊，顯示每個通道的電壓數值。

• LED顯示：通過不同顏色的LED指示通道的電壓范圍（如低電壓/正常/高電壓）。

4.4 電源管理

系統需要穩定的電源供應，以保證ADC采樣的精度。一般采用線性穩壓器（如LM317）為模擬電路供電，提供較低的噪聲電壓。

5. 系統軟件設計

軟件設計主要包括以下幾個部分：ADC采集程序、數據處理程序、通信程序和顯示程序。

5.1 ADC采集程序

• 配置ADC模塊的采樣速率、分辨率、通道。

• 配置DMA，在特定的采樣時間間隔內自動采集電壓值并存儲到指定的內存區域。

5.2 數據處理程序

• 對ADC采集的數據進行平均濾波，消除尖峰噪聲。

• 進行多通道數據的標定，根據分壓比計算實際電壓值。

5.3 通信程序

• 通過UART或USB接口將測量數據發送至PC端。

• 采用MODBUS或自定義協議進行通信，便于外部設備的讀取和顯示。

5.4 顯示程序

• 通過LCD或串口將每個通道的電壓值進行顯示，更新頻率為500 ms到1 s。

• 使用狀態燈指示電壓的正常、超標或低于閾值的情況。

6. 系統調試與優化

6.1 硬件調試

1. 通道校準：對每個通道進行電壓校準，確保輸入電壓與測量值一致。

2. 濾波效果優化：調整RC濾波器的電阻電容值，確保能夠有效抑制高頻干擾。

6.2 軟件調試

1. ADC校準：STM32的ADC內部可能存在微小誤差，可以進行內部校準。

2. DMA調試：確保DMA能夠準確地將ADC數據傳輸到指定內存。

3. 濾波算法優化：根據實際需求選擇合適的濾波算法，平衡實時性和穩定性。