高兵權(quán) 孫志海 湯麗 肖學(xué)福

(1.總后軍事交通運輸研究所，天津 300161;2.華北科技學(xué)院科技管理處，北京東燕郊 101601)

基于STM32控制器的地層應(yīng)力檢測裝置研究①

高兵權(quán)1②孫志海2湯麗1肖學(xué)福1

(1.總后軍事交通運輸研究所，天津 300161;2.華北科技學(xué)院科技管理處，北京東燕郊 101601)

針對地層應(yīng)力測量過程中注水壓力實時檢測的需求，基于STM32高性能微控制器，本文研究設(shè)計了數(shù)據(jù)采集、存儲和上傳的嵌入式控制系統(tǒng)，該方案具有簡潔、高效、實用的特點，在實際應(yīng)用中能夠有效滿足設(shè)計需求。

地層壓力;測量;數(shù)據(jù)采集;STM32

0 引言

地層應(yīng)力是評價地層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，依據(jù)測量基本原理不同，地應(yīng)力測量可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法包括偏千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應(yīng)力計法等，由于水壓致裂法具有能測量較深處的絕對應(yīng)力狀態(tài)，無需了解和測定巖石的彈性模量等有點，應(yīng)用廣泛。水壓致裂法測量地應(yīng)力，需要在壓裂段安裝壓力檢測裝置，實時采集水壓變化數(shù)值。通常情況下，一個鉆孔需要采集多個深度點的數(shù)據(jù)，測量完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

針對以上需求，本文設(shè)計了基于STM32F101V8嵌入式控制器為核心，具備壓力傳感器數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲、USB數(shù)據(jù)導(dǎo)出、電池供電、LCD顯示和鍵盤接口控制的便攜式鉆井用數(shù)據(jù)采集裝置。裝置整體集成為一體式的模塊結(jié)構(gòu)，下井前通過鍵盤和LCD顯示設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)，主要包括存儲器初始化、采集時間間隔設(shè)定，開始采集時間點設(shè)定等。設(shè)置完成后，關(guān)閉LCD以節(jié)能，連接壓力傳感器，裝置放入密封金屬管，金屬管串連在鉆頭后，通過多節(jié)鉆桿送入井下。在水壓致裂過程中，傳感器實時采集鉆孔壓力，記入大容量Flash存儲器。測量完成后，從井下取出數(shù)據(jù)采集裝置，使用U盤連接數(shù)據(jù)采集裝置的USB接口，將壓力歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)入移動存儲器，形成文件，由上位計算機(jī)軟件做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)讀取、整理、分析及研究利用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該數(shù)據(jù)采集存儲裝置硬件系統(tǒng)共包括五部分：單片機(jī)最小系統(tǒng)、壓力傳感與處理模塊、顯示與控制人機(jī)接口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊和供電模塊，如圖1所示。

圖1 信號采集和處理的工作原理圖

1.1 STM32F101V8處理器介紹

STM32F101系列控制器由意法半導(dǎo)體公司(ST)推出，使用高性能的ARM Cortex－M3 32位的RISC內(nèi)核，最大工作頻率為36 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)512K字節(jié)的Flash和48K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口。STM32F101xx基本型系列工作于－40℃至+105℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求［1］。該設(shè)計選用STM32F101V8處理器主要考慮其高速可靠、資源豐富、工作溫度寬和供電電壓寬、功耗低、性價比高的特點，尤其是其內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器，12位AD轉(zhuǎn)換精度，1μs轉(zhuǎn)換時間。

1.2 供電處理電路

數(shù)據(jù)采集裝置工作過程中需要兩種電壓供給，一種是壓力傳感器需要+5 V供電，且需要關(guān)斷功能，可在不采集數(shù)據(jù)的情況下節(jié)電;二是STM32控制器、存儲器、LCD及USB接口模塊工作需要+3.3V工作電壓?？紤]裝置在1000m井下使用，采用了電池供電的方式。裝置設(shè)計了具備防震功能的兩節(jié)五號電池盒結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中，曾考慮設(shè)計集成充電電池，但裝置使用場合不能保證隨時能夠電池充電，電池盒則可以解決這個問題，平時可使用充電電池，急時使用干電池。電池有效工作電壓輸入范圍VIN為2.2V～3.2V (干電池)或2 V～2.6 V(充電電池)，經(jīng)過篩選，選用ST公司的同步升壓轉(zhuǎn)換器L6920D作為供電芯片，主要理由如下：

1)L6920D輸出電壓三種格式固定3.3V、固定5V或者2V～5V可調(diào)輸出，使用兩片L6920D，輸出3.3V和5V兩種固定電壓，分別為控制系統(tǒng)和傳感器獨立供電，3.3V輸出的供電電路如圖2所示，5V輸出電路類似;

2)L6920D輸入電壓范圍：0.6 V～5.5 V，啟動輸入電壓最低1V，非常適合電池供電場合;

3)L6920D關(guān)斷電流0.1μA，相當(dāng)于零關(guān)斷，對于節(jié)能控制非常有利，根據(jù)需要隨時關(guān)斷傳感器供電，壓力傳感器供電要求5 V，15 mA，電能消耗很大;

4)根據(jù)L6920提供的曲線，兩節(jié)5電池串聯(lián)輸入的效率要高于并聯(lián)輸入，5 V輸出時，傳感器供電轉(zhuǎn)換效率接近90%;

5)L6920D帶有1.23 V的基準(zhǔn)電壓輸出，可為傳感器模擬量ADC作獨立的電壓對照基準(zhǔn);

6)L6920D具備低電壓檢測，電池反接保護(hù)功能。

圖2 L6920電池供電電路

1.3 壓力傳感器及測量處理

壓力的測量選用精量電子公司的MSP300壓力傳感器，MSP300壓力傳感器適用于對氣壓、液壓的檢測，甚至較惡劣的介質(zhì)環(huán)境，如污水、蒸汽、輕度腐蝕性液體和氣體。壓力腔采用17－4PH不銹鋼單件一體式結(jié)構(gòu)加工而成。其標(biāo)準(zhǔn)壓力接口采用1/4NPT外螺紋接頭，因而可以保證較好的密封性能。MSP300的測量壓力根據(jù)需要選擇700Bar量程，對應(yīng)0.5 V～4.5 V電壓輸出，+5 V供電。STM32F101控制器AD轉(zhuǎn)換為12位精度，理論上對應(yīng)數(shù)字量范圍0～4096。ADC供電要求2.4V到3.6V，ADC輸入范圍：VREF－≤VIN≤VREF+，本系統(tǒng)供電電壓為3.3 V，故而ADC輸出信號量量程范圍0～3.3 V。將MSP300輸出信號使用電阻分壓，取R1=3.3kΩ，R2=1.2kΩ，故輸入單片機(jī)信號范圍0.37～3.3 V。分壓電阻要求選用溫度系統(tǒng)較好的金屬膜電阻。

圖3 充放電電流和AD數(shù)字量的曲線關(guān)系

出于縮小PCB體積和降低成本的考慮，選用48腳LQFP小封裝STM32F101控制器，沒有VREF+和VREF－，它們在內(nèi)部分別被連接到ADC的供電電源(VDDA)和ADC的地(VSSA)，由于L6920供電芯片的電壓輸出范圍3.2V～3.4V，不能保證ADC精確計算的需求。針對這個問題，該裝置采用兩路AD對比計算的方法，獲取精確的MSP300輸出電壓，過程如下：

1)L6920電壓基準(zhǔn)輸出典型值1.23 V，輸出電壓范圍：1.16V～1.29V。使用萬用表測量具體單個模塊L6920的基準(zhǔn)電壓輸出值，記為Vref_ analog;

2)選通AD1通道，使用片內(nèi)ADC，計算L6920電壓基準(zhǔn)對應(yīng)的數(shù)字量，記為Vref_digital。

3)選通AD0通道，計算MSP300壓力傳感器數(shù)字量，記為Press_digital。

在該裝置的調(diào)試過程中，曾嘗試使用STM32控制器的內(nèi)部參考電壓，但這個參照電壓的典型值是1.20 V，最小值是1.16 V，最大值是1.24 V，外界不易直接測量，故而使用L6920的1.23 V電壓基準(zhǔn)。

1.4 大容量數(shù)據(jù)存儲

該裝置使用Winbond公司SPI接口的W25X16Flash存儲器記錄壓力數(shù)據(jù)。裝置最高工作頻率每秒鐘采集10個壓力值，即20個BYTE的數(shù)據(jù)，則每小時數(shù)據(jù)量72，000 BYTE。W25X16容量為2M字節(jié)，能夠記錄29小時的連續(xù)記錄，高于一天24小時的指標(biāo)要求。W25X16頁編程256字節(jié)所需時間小于2ms，高達(dá)10萬次擦除/寫入循環(huán)，20年數(shù)據(jù)保持能力。W25X16單供電，寬電壓：2.7V～3.6 V，5 mA操作電流，待機(jī)電流1μA，非常適合本系統(tǒng)電池供電使用，－40℃～+85℃工作溫度保障了室外全年使用的可能。另外，W25X16采用小體積SOIC8封裝，占用集成空間較少。

1.5 壓力數(shù)據(jù)U盤導(dǎo)出

數(shù)據(jù)導(dǎo)出采用USB接口，選用南京沁恒公司的U盤和SD卡文件管理控制芯片CH376。CH376支持1.5 Mbps低速和12 Mbps全速USB通訊，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要晶體和電容，支持USB－HOST主機(jī)接口和USB－DEVICE設(shè)備接口，支持動態(tài)切換主機(jī)方式與設(shè)備方式，內(nèi)置了處理Mass－Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，內(nèi)置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持常用的USB存儲設(shè)備。CH376提供文件管理功能、文件讀寫功能和磁盤管理功能，使用非常簡單。提供2 MB/ 24MHz速度的SPI設(shè)備接口，可方便地連接到STM32控制器的SPI串行總線。CH376支持5V、3.3V以及3V電源電壓，支持低功耗模式。該數(shù)據(jù)采集裝置PCB設(shè)計時，為減小元器件體積，采用MiniUSB接口，數(shù)據(jù)導(dǎo)出時，使用轉(zhuǎn)接線連接標(biāo)準(zhǔn)U盤，將W25X16中的數(shù)據(jù)以txt文件形式寫入U盤。

1.6 人機(jī)接口節(jié)能設(shè)計

該數(shù)據(jù)采集裝置采用LCD作為顯示方式，型號為TOPWAY公司的LMB081NDC。液晶顯示模塊主要功耗在于背光電流消耗，故在程序上在10秒內(nèi)沒有按鍵觸發(fā)，將自動關(guān)閉背光。按鍵采用中斷程序，鍵盤IO接口使用內(nèi)部上拉。

2 軟件編制

2.1 軟件系統(tǒng)基本概況

系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用了ST公司針對STM32控制器的固件函數(shù)庫，主要功能模塊包括：初始化程序、人機(jī)接口程序、大容量數(shù)據(jù)存儲管理程序、壓力采集程序、USB數(shù)據(jù)導(dǎo)出管理程序、電源與節(jié)能管理程序以及硬件驅(qū)動(LCD、鍵盤、Flash等)。L6920電壓基準(zhǔn)檢測和壓力傳感器AD轉(zhuǎn)換軟件設(shè)置及工作過程較為簡單。

1)配置模擬量輸入的GPIO口，只要GPIO配置為GPIO_Mode_AIN模式，即可以實現(xiàn)模擬量輸入，該設(shè)計中將PA0和PA1作為電壓基準(zhǔn)和傳感器的ADC輸入端;

2)設(shè)置ADC，將ADC設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、右對齊、非外部觸發(fā);

3)啟動ADC，開始采樣轉(zhuǎn)換和處理。

4)對比與參考電壓，計算得實際壓力電平值，進(jìn)而推導(dǎo)出實際物流壓力數(shù)據(jù)。

2.2 軟件濾波措施

該應(yīng)用中考慮壓力數(shù)據(jù)為變化較緩的信號，故軟件采取防脈沖干擾平均濾波算法。連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N－2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。通過實驗N取值5，即可達(dá)到滿意的效果。該算法能夠剔除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

3 系統(tǒng)低功耗設(shè)計措施

為降低系統(tǒng)工作功耗，延長工作時間，該設(shè)計采取了以下的節(jié)能措施。

3.1 控制器低功耗問題的考慮

為降低整體數(shù)據(jù)采集裝置的功耗，該設(shè)計采集了以下措施：一是STM32控制器在沒有檢測任務(wù)的時候，處于休眠狀態(tài);二是根據(jù)具體需要，減小I/O端口的電流消耗，輸入端口配置為浮空輸入，未用的懸空端口配置為推挽輸出并輸出1;三是對于未用的內(nèi)部外設(shè)，保持為關(guān)閉和默認(rèn)的復(fù)位狀態(tài)，同時關(guān)閉對應(yīng)的時鐘。

在以后的深入研究中，如期進(jìn)一步降低控制器功耗，可以更換低功耗設(shè)計的處理器，如同是ST公司的32位Cortex－M3系列的低功耗版本處理器：STM32L151XX和STM32L152XX等，另外TI公司的MSP430系列處理器在節(jié)能方面表現(xiàn)非凡。

3.2 其它低功耗設(shè)計措施

除了控制器外，該裝置還采取了其它的一些降低低功耗措施。一是在壓力傳感器不工作的時候，關(guān)斷其+5V供電電源;二是液晶顯示器在10秒鐘內(nèi)沒有按鍵觸發(fā)，關(guān)斷背光電流;三是W25X16 Flash存儲器沒有讀寫操作時，處于不選通狀態(tài)，即低功耗模式;四是對于CH376 USB控制芯片及時使用CMD_ENTER_SLEEP指令，使CH376芯片進(jìn)入低功耗睡眠掛起狀態(tài)。進(jìn)入低功耗狀態(tài)后，CH376芯片的時鐘停振，從而節(jié)約電能。

4 結(jié)論與展望

該控制系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了以下三點設(shè)計目標(biāo)：一是該設(shè)計實現(xiàn)了井下壓力數(shù)據(jù)的實時采集、處理、存儲和導(dǎo)出，工作模式和狀態(tài)可以設(shè)置;二是功耗指標(biāo)滿足兩節(jié)五號電池工作24小時的要求，壓力結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠;三是采樣頻率最高達(dá)到10Hz，兩節(jié)5號金霸王電池持續(xù)工作24小時，數(shù)據(jù)存儲量達(dá)到2M Bytes，能夠?qū)崟r記錄。

需進(jìn)一步改進(jìn)之處在于考慮改用STM32F102系列控制器，使用控制器內(nèi)部USB，省略CH376芯片的使用，進(jìn)一步縮小控制板體積，降低系統(tǒng)整體功耗。

［1］李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008

［2］劉波文.ARM Cortex－M3應(yīng)用開發(fā)實例詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008

［3］南京沁恒電子有限公司.CH376手冊(一)

［4］STMicroelectronics.How to get the best ADC accuracy in STM32F10xxx devices V1.0.2008

［5］STMicroelectronics.L6920D：1V High Efficiency Synchronous Step Up Converter.2003，(05)

Research of Stress Measure Equipment Based on STM32 Controller

GAO Bingquan1，SUN Zhihai2，TANG Li1，XIAO Xuefu1
(1.Institute of Military Transportation，Tianjin300161; 2.Science and Technology Department of Administration，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

Aim at the need of water pressure real－time detection in the process of stress measurement，this paper designs a data collection，storage and upload embedded control system based on STM32 high performance micro－processor，the project is simple，practicable and dependability，to effectively meet the design requirements in practice.

Stress;Measure;Data Collection;STM32

TU413.3

A

1672－7169(2011)03－0031－04

2011－05－22

高兵權(quán)(1975－)，男，河北保定人，碩士，總后軍事交通運輸研究所工程師，研究方向：軍事裝備信息化。