栗克國，倪文軍

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

一種物理模型試驗(yàn)用無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

栗克國，倪文軍

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

為解決水運(yùn)工程物理模型試驗(yàn)中傳感器種類數(shù)量繁多、布線麻煩的問題，研制了一種無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用STM32F103單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集電路的主要部件，擴(kuò)展模擬量、脈沖量、數(shù)字量采集模塊。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于FLASH存儲(chǔ)器，以無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。采集器內(nèi)置可充電鋰電池和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。該系統(tǒng)可掛載波高、壓力、水位、流速等多種傳感器，亦可應(yīng)用于其他不方便布線的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。

數(shù)據(jù)采集；無線；模型試驗(yàn)；自容式；STM32

物理模型試驗(yàn)是人們基于相似理論對(duì)河流進(jìn)行實(shí)體模擬，并據(jù)此定性或定量的揭示河流運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，為理論研究和工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)的一種研究方法［1］。物理模型試驗(yàn)中需要測(cè)控的關(guān)鍵參數(shù)包括流速、地形、水位、含沙量、波高、動(dòng)態(tài)壓力等。對(duì)于動(dòng)床試驗(yàn)和港池試驗(yàn)，一般需用到大量的波浪傳感器和動(dòng)態(tài)壓力傳感器，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要對(duì)每只傳感器布設(shè)電纜，需要耗費(fèi)大量的人力物力且容易出現(xiàn)故障。模型試驗(yàn)急需一種不需要布設(shè)電纜的數(shù)據(jù)采集方案。

本文介紹一種基于STM32單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其采用鋰電池供電，支持433M無線數(shù)據(jù)傳輸，可掛接波高、壓力、水位、流速、含沙量等多種類型傳感器，能夠滿足模型試驗(yàn)的實(shí)際需要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為核心，由模擬量采集模塊、脈沖量采集模塊、存儲(chǔ)模塊、供電模塊、顯示模塊、鍵盤、無線數(shù)傳模塊及上位機(jī)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其基本工作流程為：首先系統(tǒng)控制供電模塊向傳感器模塊供電，傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，流速傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)信號(hào)整形后輸入單片機(jī)，水位傳感器輸出的RS485信號(hào)通過MAX487芯片輸入單片機(jī)串口，單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示等處理。上位機(jī)通過無線模塊向STM32發(fā)送指令，STM32根據(jù)指令上傳實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。

圖1系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System principle block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1STM32微處理器

本系統(tǒng)采用ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103C8T6作為控制核心，Cortex-M3內(nèi)核在設(shè)計(jì)上專門考慮了滿足集功耗低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的工業(yè)級(jí)嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域的特點(diǎn)。在性能相同的條件下，STM32產(chǎn)品功耗比同級(jí)別產(chǎn)品要低75%。這些改良技術(shù)使Cortex-M3內(nèi)核具有優(yōu)異的性能、代碼密度、實(shí)時(shí)性和低功耗［2］。該芯片最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，具有128 K字節(jié)的閃存以及20Kbytes SRAM，3個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)看門狗，1路RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，3路UART，2路12位ADC，其采用LQFP48封裝，提供27個(gè)GPIO；非常寬的供電范圍（2.0～3.6 V），工作溫度-40～105℃，滿足工業(yè)應(yīng)用的要求［2］。

STM32F103C8T6的12位ADC為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，各通道的轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。通道采集時(shí)間可編程，總轉(zhuǎn)化時(shí)間可縮減到1us.此外，多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 電源供電設(shè)計(jì)

電源部分是采集器電路關(guān)鍵的一部分。由于采集器本身為低功耗設(shè)計(jì)，且主要應(yīng)用于模型試驗(yàn)，掛載的傳感器也多為低功耗設(shè)備，因此，電源部分采用可充電鋰電池供電方案。

18 650 鋰離子電池是日本SONY公司定下的一種標(biāo)準(zhǔn)性的鋰離子電池型號(hào)。其電池電壓為3.7 V，容量通常為1 200～3 600 MAH。18650鋰電池壽命理論為循環(huán)充電1 000次，18650圓柱鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：①能量密度更高，能量密度大約高30%；②單元的排列方式對(duì)于安全性影響也不大，一旦電池單元出現(xiàn)熱失控，因?yàn)槿萘啃。蝗菀子绊懙街車碾姵貑卧?；③成本低?］。在工作中的穩(wěn)定性能非常好，廣泛應(yīng)用于強(qiáng)光手電、隨身電源、無線數(shù)據(jù)傳輸器、便攜儀器儀表等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3只2 200 MAH電池并聯(lián)使用的設(shè)計(jì)，使用南京拓微電子TP4056充電管理芯片進(jìn)行充電部分電路設(shè)計(jì)。TP4056可編程充電電流高達(dá)1 A，芯片內(nèi)部為PMOSFET結(jié)構(gòu)，采用恒流恒壓工作模式，具有防倒充，對(duì)充電電流可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，在低電流或停機(jī)狀態(tài)下，電池的漏電流降至2uA以下［4］。

鋰電池放電過程中電壓逐漸降低，因此采用DCDC升壓芯片將電池電壓升壓到5 V和12 V分別供給采集器和傳感器，5 V電壓經(jīng)過LDO線性穩(wěn)壓芯片降到3.3 V后供給MCU等核心芯片。為了降低功耗，12 V升壓模塊使用MCU進(jìn)行使能控制。

電源供電部分框圖如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊包括對(duì)于模擬量、開關(guān)量、RS485串口信號(hào)的采集三部分。

2.3.1 模擬量數(shù)據(jù)采集

由于模型試驗(yàn)傳感器如波高傳感器等輸出的均為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)，因此，首先要將其調(diào)理成滿足ADC輸入范圍的電壓信號(hào)以便進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。輸入到ADC模擬輸入通道的幅值范圍為0～3.3 V。

系統(tǒng)采用125歐姆采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過OP747運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行信號(hào)隔離，然后再注入ADC通道。在采樣電阻前端，增加TVS和穩(wěn)壓管進(jìn)行端口保護(hù)。

ADC支持最快1us的轉(zhuǎn)換時(shí)間，而模型試驗(yàn)用傳感器采集頻率最大為1 kHz，因此，采用ADC單次采樣模式，將采樣時(shí)間設(shè)置為1～20 ms可調(diào)，實(shí)際工作時(shí)根據(jù)需要設(shè)置采樣時(shí)間。

2.3.2 開關(guān)量數(shù)據(jù)采集

STM32F103的I/O口都可以配置為開關(guān)量輸入端口，并且通用的I/O可以配置到16個(gè)外部中斷線上。開關(guān)量輸入電路如圖3所示。開關(guān)量信號(hào)由IN_P端口輸入，電容C1與電阻R1構(gòu)成一階低通濾波器濾除高頻噪聲，減小信號(hào)的毛刺，采用光耦合器TLC185實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號(hào)與STM32間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力［5］。

2.3.3 RS485串口數(shù)據(jù)采集

STM32F103C8T6支持3個(gè)串口，本系統(tǒng)使用串口2作為數(shù)據(jù)采集端口。設(shè)計(jì)MAX487芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使用PA1端口控制MAX487的工作模式。為保護(hù)MAX487芯片，在接口端設(shè)計(jì)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲進(jìn)行保護(hù)。RS485數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

圖2供電系統(tǒng)框圖Fig.2Power supply system block diagram

2.4 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)，系統(tǒng)擴(kuò)展32MBit的NAND FLASH，選用GigaDevice公司的GD25Q32芯片，每頁256bytes，支持SPI、Dual SPI、Quad SPI三種工作模式，最大工作頻率104 MHz，頁編程時(shí)間0.7ms，具有較低的工作功耗。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI工作模式設(shè)置存儲(chǔ)芯片。

2.5 顯示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用0.96英寸雙色OLED顯示器實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)監(jiān)控。OLED顯示屏具有自發(fā)光，不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、使用溫度范圍廣、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［6］，非常適合手持式移動(dòng)設(shè)備和電池供電設(shè)備。驅(qū)動(dòng)芯片采用香港晶門電子的SSD1306芯片，通信方式選用SPI同步通信方式，實(shí)現(xiàn)顯示指令控制及數(shù)據(jù)傳輸。

2.6 無線通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用CC1101高性能射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)無線通信模塊。CC1101是一款低于1 GHz旨在用于極低功耗RF應(yīng)用的芯片。其主要針對(duì)工業(yè)、科研和醫(yī)療以及短距離無線通信設(shè)備。其工作在433 MHz頻段時(shí)靈敏度為-116 dBm，接收模式下功耗16 mA，最高可設(shè)置+10 dBm的發(fā)射功率，支持0.6～500 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，工作電壓1.9～3.6 V，待機(jī)模式下電流僅200 nA［7］。

系統(tǒng)采用CC1101擴(kuò)展模塊進(jìn)行連接，CC1101擴(kuò)展模塊內(nèi)置單片機(jī)和輔助電路，串口發(fā)送接收腳可直接與STM32連接，本文使用UART1與CC1101連接，通過AT指令設(shè)置CC1101的工作模式和工作參數(shù)。

圖3開關(guān)量輸入電路圖Fig.3Switch input circuit diagram

圖4RS485采集電路圖Fig.4RS485 acquisition circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括采集器和上位機(jī)兩部分，其中采集器部分軟件在RVMDK環(huán)境下，采用C語言開發(fā)。為了方便系統(tǒng)的調(diào)試和修改，軟件程序的設(shè)計(jì)采用功能程序模塊化的設(shè)計(jì)思路。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集器的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)讀取及數(shù)據(jù)分析處理功能，本文不進(jìn)行詳細(xì)說明。

采集器軟件的主要功能模塊包括初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊。系統(tǒng)主程序不斷調(diào)用子模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)軟硬件資源的有機(jī)管理。

采集器功能上設(shè)計(jì)有模擬量采集、脈沖量采集和RS485數(shù)據(jù)采集3種工作模式，支持鍵盤操作和遠(yuǎn)程控制，主程序采用循環(huán)檢測(cè)鍵盤和操作和串口指令，根據(jù)鍵盤操作和指令調(diào)用不同的子模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，主程序流程圖如圖5所示。

指令解析子程序根據(jù)不同的指令調(diào)用相應(yīng)的采集、存儲(chǔ)、上傳數(shù)據(jù)子程序模塊，其流程圖如圖6所示。

對(duì)于模擬量采集部分子程序，為了提高采集精度，采用多次采樣求均值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了提高效率，采集次數(shù)控制為2n次，方便進(jìn)行移位操作計(jì)算均值。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 模擬量采集精度試驗(yàn)

使用2008型波高傳感器作為信號(hào)源，在波高率定水槽上調(diào)節(jié)不同水位，同時(shí)用采集器和普源精電3068臺(tái)式萬用表測(cè)量輸出電流，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

由表1的對(duì)比測(cè)量結(jié)果可以看出，采集器的測(cè)量結(jié)果與臺(tái)式萬用表的測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差最大不超過0.125%，與目前2008型波浪數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0.2%的采集精度相比略有提高。

圖6指令解析子程序流程圖Fig.6Order analysis flow chart

波浪試驗(yàn)要求數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到每秒80次，采集器設(shè)計(jì)了采集間隔菜單，可設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔從8 ms到20 ms，方便實(shí)際使用（圖7）。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于單個(gè)試驗(yàn)需要同時(shí)多只波浪傳感器，這給實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)傳輸造成較大的壓力，為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠傳輸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多臺(tái)儀器同時(shí)工作時(shí)，由上位機(jī)指定一臺(tái)儀器實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，其他儀器只采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)完成后再通過上位機(jī)指令將數(shù)據(jù)上傳。

4.2 數(shù)字量采集及無線傳輸距離試驗(yàn)

數(shù)字量采集包括脈沖量采集和RS485信號(hào)采集，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，采集器可以準(zhǔn)確采集脈沖個(gè)數(shù)和485數(shù)據(jù)。

以模型試驗(yàn)水位采集常用的武漢大學(xué)LH-1重錘水位儀為例，其COM1口使用RS485接口，應(yīng)用層采用ASCII傳輸模式的ModBus協(xié)議，可連接到數(shù)據(jù)采集器，采集器通過向水位儀發(fā)送讀取水位數(shù)據(jù)指令讀取水位數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示出來，根據(jù)參數(shù)設(shè)置存儲(chǔ)及以無線方式發(fā)送給上位機(jī)。

LH-1重錘水位儀的字節(jié)格式為：1個(gè)起始位+7個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)偶校驗(yàn)位+1個(gè)停止位。數(shù)據(jù)采集方式為主從方式，錯(cuò)誤檢測(cè)方式為字節(jié)偶校驗(yàn)和幀LRC校驗(yàn)。

ASCII模式消息幀以冒號(hào)‘：’字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符結(jié)束（ASCII碼0DH，0AH）。其他域可以使用的傳輸字符是十六進(jìn)制的‘0’...‘9’，‘A’...‘F’。

讀水位指令返回幀如下：

表1電流采集比對(duì)數(shù)據(jù)表Tab.1 Current data comparison tables

圖7參數(shù)設(shè)置Fig.7Parameter setting

圖8試驗(yàn)過程圖片F(xiàn)ig.8Test process picture

起始字節(jié)3A設(shè)備地址2個(gè)字符功能代碼30 33數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)30 34瞬時(shí)水位數(shù)據(jù)8個(gè)十六進(jìn)制字符LRC校驗(yàn)2個(gè)字符結(jié)束符0D 0A

返回的8個(gè)十六進(jìn)制字符組成一個(gè)四字節(jié)二進(jìn)制數(shù)，代表平均水位或瞬時(shí)水位。水位單位是0.01 mm。

圖8為樣機(jī)進(jìn)行重錘水位儀采集試驗(yàn)過程的視頻截圖。單位換算為mm。

由于無線通信距離易受各種外界因素干擾，如電磁干擾、遮擋、天線方向等的影響，實(shí)際通信距離變化較大，經(jīng)過試驗(yàn)，在試驗(yàn)大廳空曠環(huán)境下，有效通信距離在100 m，在水泵開啟條件下，通信距離在60～80 m不等。

5 結(jié)束語

本文介紹的適用于物理模型試驗(yàn)的無線數(shù)據(jù)采集器采用ST公司ARM芯片STM32F103C8T6為核心，實(shí)現(xiàn)了AD數(shù)據(jù)采集、數(shù)字量數(shù)據(jù)采集等功能，通過外圍擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了鋰電池供電管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線數(shù)據(jù)傳輸功能，可與水運(yùn)工程物理模型試驗(yàn)中應(yīng)用的多數(shù)采集傳感器匹配，能有效降低現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布線難度，具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。目前該系統(tǒng)已完成樣機(jī)開發(fā)和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，下一步將開展實(shí)際應(yīng)用。

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A wireless data acquisition system for physical model test

LI Ke?guo,NI Wen?jun
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In order to solve the problems of sensor wiring in physical model test of port and waterway engineer?ing,a wireless data acquisition system was developed.STM32F103 MCU was used as the main component of data acquisition circuit through expansion acquisition modules such as analog,pulse and digital quantity.Data were saved in FLASH chip and transferred to host computer by wireless mode.Lithium battery and wireless module were integrated inside the instrument.Wave sensor,pressure pickup,water level sensor and flow sensor could be connect?ed to the instrument system.The instrument system also can be applied in other data acquisition situation.

data acquisition;wireless;model test;self?contained;STM32

TP 391；TV 131.61

A

1005-8443（2015）06-0596-05

2015-07-22；

2015-10-12

栗克國（1983-），男，河南省人，工程師，主要從事水運(yùn)工程自動(dòng)化系統(tǒng)研究工作。Biography：LI Ke?guo（1983-），male，engineer.