一、芯片选型原则与核心模块

1. 主控芯片（MCU）

• 处理能力：需支持高速 ADC 采样、数字滤波算法及通信协议（如 UART、I2C、RS485）。

• 低功耗：适合电池供电或低功耗场景（如待机模式电流＜1mA）。

• 可靠性：具备宽温工作范围（-40℃~85℃）、抗电磁干扰（EMI）能力。

2. 信号调理芯片（模拟前端）

• 低噪声：运算放大器噪声密度＜10nV/√Hz，适合微弱信号放大。

• 宽动态范围：支持可编程增益放大器（PGA），适应不同幅值的放电信号。

• 抗干扰：具备共模抑制（CMRR＞80dB）和浪涌保护功能。

• 运算放大器：

• OPA2211（TI）：精密型，噪声密度 3nV/√Hz，适合电场感应式传感器信号放大。

• AD8606（ADI）：低功耗（供电电流 110μA），输入偏置电流＜1pA，适合光电式传感器。

• 可编程增益放大器（PGA）：

• AD8253（ADI）：增益范围 1-1000 倍，支持 I2C 控制，适合自适应信号调理。

• 滤波器芯片：

• LTC1569（ADI）：5 阶巴特沃斯有源滤波器，截止频率可编程（10kHz-1MHz）。

3. 存储芯片

• 非易失性：掉电后数据不丢失，支持频繁擦写（＞10 万次）。

• 容量需求：根据计数频率和存储周期选择（如 EEPROM 128KB~1MB）。

• EEPROM：

• AT24C512（Microchip）：512Kb I2C 接口，耐写性强（100 万次擦写）。

• FRAM（铁电存储器）：

• FM24CL64（Ramtron）：64Kb I2C 接口，写入速度快（无需延时），抗干扰性优于 EEPROM。

4. 通信接口芯片

• 抗干扰性：适合工业现场总线（如 RS485、CAN），支持电气隔离。

• 传输距离：RS485 支持＞1200 米，CAN 总线支持＞10km（低速率）。

• RS485：

• MAX485E（Maxim）：支持 ±15kV ESD 保护，传输速率 2.5Mbps，带隔离型可选（如 ADM2483）。

• CAN 总线：

• TJA1145（NXP）：符合 ISO 11898 标准，支持休眠模式，适合车载或电力系统。

• 无线通信：

• nRF24L01（Nordic）：2.4GHz 射频模块，适合短距离无线传输（＜100 米）。

5. 其他辅助芯片

• 电源管理芯片（PMIC）：

• TPS62170（TI）：降压型 DC-DC，效率＞95%，支持宽输入电压（4.5V-28V）。

• 看门狗芯片：

• MAX811（Maxim）：防止程序跑飞，支持手动复位和电源监控。

二、编程框架与关键实现

1. 开发环境与工具链

• 集成开发环境（IDE）：

• STM32 系列：STM32CubeIDE 或 Keil MDK（支持 HAL 库开发）。

• MSP430 系列：Code Composer Studio（CCS）。

• 编程语言：C 语言（推荐使用模块化设计，便于维护和扩展）。

2. 核心功能模块编程

（1）信号采集与处理

• ADC 采样配置：

  c

  // STM32 HAL库示例：配置ADC连续采样模式ADC_HandleTypeDef hadc;hadc.Instance = ADC1;hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE;hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;HAL_ADC_Init(&hadc);// 启动ADC转换并获取数据HAL_ADC_Start(&hadc);uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);

  
  

• 数字滤波算法：

• 采用滑动平均滤波抑制随机噪声：

  c

  #define FILTER_LEN 16uint16_t filter_buf[FILTER_LEN] = {0};uint8_t filter_idx = 0;uint16_t moving_average(uint16_t new_val) {
      filter_buf[filter_idx++] = new_val;
      if (filter_idx >= FILTER_LEN) filter_idx = 0;
      uint32_t sum = 0;
      for (int i=0; i<FILTER_LEN; i++) sum += filter_buf[i];
      return sum / FILTER_LEN;}

  
  

• 阈值检测：通过比较 ADC 值与预设阈值（如放电脉冲峰值）触发计数：

  c

  #define THRESHOLD 1000  // 阈值可通过上位机配置if (adc_value > THRESHOLD) {
      count++;  // 计数加1
      HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);  // 指示触发}

  
  

（2）计数与数据存储

• 防误计数逻辑：

• 加入脉冲宽度鉴别（如要求脉冲宽度＞1μs 才计数）：

  c

  uint32_t pulse_start = 0;void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
      uint16_t val = HAL_ADC_GetValue(hadc);
      if (val > THRESHOLD && !pulse_start) {
          pulse_start = HAL_GetTick();  // 记录起始时间
      } else if (val <= THRESHOLD && pulse_start) {
          uint32_t duration = HAL_GetTick() - pulse_start;
          if (duration > 1) {  // 脉冲宽度＞1ms才有效
              count++;
              save_count_to_eeprom(count);  // 保存至EEPROM
          }
          pulse_start = 0;
      }}

  
  

• EEPROM 数据存储：

  c

  // I2C接口写入EEPROM（AT24C512示例）void save_count_to_eeprom(uint32_t count) {
      uint8_t data[4] = {count>>24, count>>16, count>>8, count};
      HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, AT24C512_ADDR, 0x00, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT, data, 4, 100);}

  
  

（3）通信协议实现

• Modbus RTU 协议（RS485 接口）：

  c

  // 解析主机查询命令（读取计数值）void modbus_process(uint8_t* rx_buf, uint8_t len) {
      if (rx_buf[1] == 0x03) {  // 读保持寄存器命令
          uint32_t count = get_count_from_eeprom();
          uint8_t tx_buf[8] = {rx_buf[0], 0x03, 0x04};
          tx_buf[3] = count>>24;
          tx_buf[4] = count>>16;
          tx_buf[5] = count>>8;
          tx_buf[6] = count;
          tx_buf[7] = crc16(tx_buf, 7);  // 计算CRC校验
          HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_buf, 8, 100);
      }}

  
  

（4）低功耗设计

• 待机模式优化：

  c

  // STM32进入待机模式（仅RTC唤醒）HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();// RTC唤醒中断回调void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc) {
      HAL_PWR_ExitSTANDBYMode();  // 唤醒MCU
      // 执行周期性检测任务}

  
  

三、测试与优化建议

1. 芯片兼容性测试

• 验证 MCU 与传感器、存储芯片的时序匹配（如 I2C/SPI 通信的时钟频率）。

• 测试模拟前端对不同放电信号的响应（可通过信号发生器注入标准脉冲）。

2. 抗干扰优化

• 在 PCB 布局中：

• 模拟地与数字地隔离，通过 0Ω 电阻或磁珠连接。

• 电源路径添加去耦电容（如 10μF+0.1μF 组合）。

• 软件层面：

• 对通信数据增加校验（如 CRC16、异或校验）。

• 采用防抖算法避免误计数（如连续 N 次检测到信号才触发计数）。

3. 功耗测试

• 使用万用表测量待机电流，符合设计要求（如＜100μA）。

• 优化代码：减少 CPU 唤醒时间，尽量使用外设中断驱动而非轮询。

四、选型与编程总结