CN107894270B - 基于stm32的8通道qcm测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于STM32的8通道QCM测试系统，包括：QCM传感器组，用于浸入待测物体中，将待测信息转换为频率信号；控制器，连接所述QCM传感器组，用于切换QCM传感器组的通道，选择其中一条通道作为测试通道，比较出所述测试通道和对比通道的差值；频率计数器，连接所述控制器，用于获取所述控制器输出的频率。本发明克服现有技术中由于测试对象只有QCM本身，不能提供对比组，无法同步测试外在温度和湿度的缺陷，提高测试全面化，智能化程度。

Description

基于STM32的8通道QCM测试系统

技术领域

本发明涉及QCM测试系统技术领域，具体的说是一种基于STM32的8通道QCM测试系统。

背景技术

石英晶体微天平(QCM)的发展始于上世纪60年代初期，它是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高100倍，理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。石英晶体微天平利用石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机和其它辅助设备获得高精度的数据。现有的QCM测试系统包括起振电路，QCM晶体，频率计几个部件，能够记录单个QCM频率变化。但QCM在测试VOC(有机挥发性气体)气相环境和重金属离子液相环境情况下，需要同时监测多组信号并进行对比。另外QCM还会受到温度和湿度影响，外在条件都需要同步测试，所以当前的单个QCM的频率的系统已经不能满足要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于STM32的8通道QCM测试系统，以克服现有技术中由于测试对象只有QCM本身，不能提供对比组，无法同步测试外在温度和湿度的缺陷。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于STM32的8通道QCM测试系统，包括：

QCM传感器组，用于浸入待测物体中，将待测信息转换为频率信号；

控制器，连接所述QCM传感器组，用于切换QCM传感器组的通道，选择其中一条通道作为测试通道，比较出所述测试通道和对比通道的差值；

频率计数器，连接所述控制器，用于获取所述控制器输出的频率。

还包括上位机，连接所述频率计数器，用于读取频率计数器中的频率值，并根据所述频率值绘图成像。

所述控制器包括：

智能射频开关，连接所述QCM传感器组，用于切换QCM传感器组的测试通道，选择其中一条通道作为测试通道；

QCM参考源，用于提供对比信号；

智能差频电路，连接所述QCM参考源和所述智能射频开关，用于将所述智能射频开关输出的测试信号和所述QCM参考源输出的对比信号做差频，得到绝对差频信号；

MCU主控器，连接所述智能射频开关和所述智能差频电路，用于控制所述智能射频开关切换QCM传感器组的测试通道，并获取所述智能差频电路输出的绝对差频信号；

最小系统，连接所述MCU主控器，用于驱动所述MCU主控器工作；

电源电路，连接所述MCU主控器和所述QCM传感器组，用于为所述MCU主控器和所述QCM传感器组提供工作电源；

温湿度传感器，连接所述MCU主控器，用于感测当前的温湿度，并将温湿度信息传送给所述MCU主控制器；

触摸屏，连接所述MCU主控器，用于外部控制指令的输入；

存储电路，连接所述MCU主控器，用于数据存储。

还包括：输出接口，连接所述MCU主控器的串口，用于连接所述上位机，传输当前温度、湿度、测试通道、板卡信息数据。

所述智能射频开关选用8选1芯片，与MCU主控器通过3根地址线进行连接。

所述智能差频电路包括第一分频电路、第二分频电路和差频电路，所述第一分频电路连接所述智能射频开关，用于将来自选中的测试通道的测试信号进行16分频；所述第二分频电路连接所述QCM参考源，用于将来自所述对比通道的信号进行8分频；所述差频电路的输入端连接所述第一分频电路和所述第二分频电路，用于输出16分频后的测试信号和8分频后的对比信号的频率差。

所述MCU主控器为STM32F103单片机。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明的测试对象不仅有QCM本身，还能提供对比组，能够同步测试外在温度和湿度。

2、本发明配合上位机、智能射频切换开关、差频电路，使得测试全面化，智能化程度提高。

附图说明

图1是本发明一个实施例的系统连接框图；

图2是本发明一个实施例的测试工装示意图；

图3是本发明一个实施例的智能射频开关的电路图；

图4是图3的标号①放大图；

图5是图3的标号②放大图；

图6是图3的标号③放大图；

图7是本发明一个实施例的智能差频电路原理图；

图8是本发明一个实施例的电源电路原理图；

图9是本发明一个实施例的温湿度传感器的电路原理图；

图10是本发明一个实施例的存储电路的原理图；

图11是本发明一个实施例的输出接口的电路原理图；

图12是本发明一个实施例的触摸屏的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统，包括QCM传感器组，智能射频开关，智能差频电路，QCM参考源，频率计数器，上位机，最小系统，电源电路，温湿度传感器，MCU主控器，存储电路，输出接口，触摸屏。待测气体组是测试环境，QCM传感器组中的QCM传感器部分浸入待测物体中，如气体，液体，通过传感器表面生物膜去吸收指定成分，然后引起质量变化，QCM是石英晶体微天平，可以把微小质量变化转变成频率变化(同时测试多个通道时，MCU主控器中的软件进行均值处理，得到最接近实际的值，QCM传感器组可以读取频率变化，反推算质量变化，再推算气体或者液体的浓度变化)；智能射频开关用于切换QCM传感器组的通道，智能差频电路用于直接比较出测试通道与对比通道的差值；智能射频开关用于测试通道的切换，芯片只能一组一组快速循环测试；智能差频电路用于测试信号与对比信号做差频，高频电路选用的是硬件差频，输出就是变化后的绝对值。频率计数器用于获取差频电路输出的频率；上位机可以直接读取频率计数器中的频率值，用于绘图成像；最小系统用于驱动MCU主控器工作，电源模块用于控制MCU主控器和QCM传感器组供电，提供出12V和3.3V电压；温湿度传感器通过IIC方式与MCU主控器连接，读取当前环境的温湿度，用于环境监测；存储电路通过IIC方式接到MCU主控器上，存储设置的值；另外系统挂载SD卡，用于触摸屏的显示和控制；输出接口接在MCU主控器的串口上，用于MCU主控器与上位机的串口通信，主要传输当前温度、湿度、测试通道、板卡信息数据。触摸屏提供人机交互界面，人可以通过触摸屏选择指定通道测试，界面切换，显示切换等。QCM参考源用于提供对比信号，测试气体或者液体时候，容易受到温度影响，测试过程中为了消除温度影响，会留一组测试测试通道在标准环境中，这组标准信号就是参考信号，其他测试信号跟这组标准信号进行对比，有说服力。MCU主控器用于切换测试通道和获取绝对差频信号，硬件高效率分频差频，减小主控器运算工作量，提高运算速度。

如图2所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的测试工装示意图，根据图1的系统框图连接而成，其中将QCM传感器组置于待测环境中，QCM传感器组通过射频线连接，控制器(嵌入式控制器)通过智能射频开关进行切换；智能差频电路获取到频率后，频率计数器读取到频率，嵌入式控制器与电脑进行串口通信，发送温度、湿度、测试通道、命令信息给电脑。嵌入式控制器就是本发明所述的STM32单片机和其他外围电路的集合。

如图3-4所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的智能射频开关的电路图，其中U16、U17、U18、U19、U20、U21、U22、U23是QCM传感器组的射频接口；JSP1、JSP2、JSP3、JSP4、JSP5、JSP6、JSP7、JSP8是QCM传感器组的电源接口；U24是8选1通芯片，U25是测试牛形接口，U26是5V转3.3V电平转换芯片，U30和U32是分频芯片，实现读输出频率的分频处理，U32实现的是16分频，U30实现的是8分频；U31是异或门，U29是4通道D触发器，根据奈奎斯特频率相卷积，用于差频的输出。

如图5所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的8通道切换电路图标号②放大图，其中U30和U32是分频芯片，实现读输出频率的分频处理，U32实现的是16分频，U30实现的是8分频；U31是异或门，U29是4通道D触发器，用于差频的获取并输出。

如图6所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的8通道切换电路图标号③放大图，其中U24是8选1通芯片，U25是测试牛形接口，U26是5V转3.3V电平转换芯片，由此电路结构即可实现芯片对通道的切换。

如图7所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的智能差频电路原理图，分频后频率降低，硬件芯片处理速度才够，10M频率先分频然后再进行差频输出绝对变化频率值，芯片通过高速采样即可知道实际绝对频率值。其中F0和F1是需要获取差频的两个信号，并且F0比F1大一点，电路的工作原理可以借助于采样定理加以理解；把异或门看作是一个调制器，用F1调制F0，其输出包含F0和F1之和以及之差，再采集这一频差信号，产生一个混叠频率,该频率与奈奎斯特频率相卷积，即输出频率差：

FD＝2F0-(F0+F1)＝F0-F1

当然，输出也可以改变，如果F1＝F0/n(用分频器产生)，FD＝F0(1-1/n)如果F1＝F0*m/n(用乘法器产生)，则FD＝F0(1-m/n)。

如图8所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的电源电路原理图，其中JP4是通用圆形接口，JP2用于接出12V电源的端口，U4是开关电源芯片，L1、D1、C1组成开关积分电路，R7、R8、R9、R10组成输出初级电压调节电路，控制输出5V电源，给QCM系统使用；U5是线性稳压芯片，前端接入5V电压，后端输出3.3V给单片机系统使用，C19、C20、C21是滤波电容。

如图9所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的温湿度传感器的电路原理图，其中U17是温湿度一体芯片，可以同时输出温湿度数据。

如图10所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的存储电路的原理图，其中U15是掉电存储芯片，用于存储设置的值，R39、R40是上拉电阻，通过IIC与单片机通信。U12是SD卡接口，用于存储液晶屏所需的字库，R35、R36、R37、R38是上拉电阻，SD卡通过SPI通信与单片机连接。

如图11所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的接口电路的原理图，其中U8是USB口，U7是TTL转串口芯片，Y3、C27、C28组成串口芯片的时钟电路，C26是U7的启动电容，Q1、Q2组成一键下载电路，R22、R23、R24、R41是限流电阻，D2是防反接二极管。

如图12所示，本发明实施例所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统的触摸屏的电路原理图，其中触摸屏采用16位并口通信，单片机内部FSMC_D0～FSMC_D15用于触摸屏数据传输；触摸屏的触摸控制命令通过T_MISO、T_MOSI、T_SCK、T_PEN、T_CS来实现。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，如通道数量的变化，主控器的变化，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于STM32的8通道QCM测试系统，其特征在于，包括：用于浸入待测物体中将待测信息转换为频率信号的QCM传感器组、用于切换所述QCM传感器组的测试通道的控制器和用于获取所述控制器输出的频率的频率计数器；所述QCM传感器组连接所述控制器，所述控制器连接所述频率计数器；

所述控制器包括：用于切换QCM传感器组测试通道的智能射频开关、用于提供对比信号的QCM参考源、用于获得绝对差频信号的智能差频电路、MCU主控器、用于驱动所述MCU主控器的最小系统、电源电路、温湿度传感器、用于外部控制指令输入的触摸屏和用于数据存储的存储电路；

智能射频开关用于连接所述QCM传感器组；所述智能差频电路连接所述QCM参考源和所述智能射频开关；所述电源电路连接所述QCM传感器组；所述MCU主控器连接所述智能射频开关、所述智能差频电路连接所述智能射频开关、所述智能差频电路、所述最小系统、所述电源电路、所述温湿度传感器、所述触摸屏和所述存储电路；

所述智能射频开关选用8选1芯片，与MCU主控器通过3根地址线进行连接；

所述智能差频电路包括第一分频电路、第二分频电路和差频电路，所述第一分频电路连接所述智能射频开关，用于将来自选中的测试通道的测试信号进行16分频；所述第二分频电路连接所述QCM参考源，用于将来自所述对比信号进行8分频；所述差频电路的输入端连接所述第一分频电路和所述第二分频电路，用于输出16分频后的测试信号和8分频后的对比信号的频率差。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统，其特征在于，还包括用于根据所述频率计数器中的频率值绘图成像的上位机，所述上位机连接所述频率计数器。

3.根据权利要求2所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统，其特征在于，还包括输出接口，所述输出接口连接所述MCU主控器的串口和所述上位机。

4.根据权利要求1所述的一种基于STM32的8通道QCM测试系统，其特征在于，所述MCU主控器为STM32F103单片机。