邵煥杰，夏 靜

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094）

基于STM32和LabVIEW的發(fā)射動(dòng)力學(xué)參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵煥杰，夏 靜

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094）

為能夠?qū)崿F(xiàn)多通道、高速、高精度地采集火箭武器試驗(yàn)時(shí)的發(fā)射動(dòng)力學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)一種基于STM32和LabVIEW的16位精度、8通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集卡采用16位無丟失碼（NMC）高精度性能采樣速率達(dá)到500ksps的ADS8332逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。選用STM32作為主控制器，使采集卡具有高穩(wěn)定性，高速采集處理的性能。以LabVIEW作為上位機(jī)開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)、處理、分析，STM32通過USB實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的聯(lián)系。

STM32；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW；實(shí)時(shí)觀察

發(fā)射系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律決定了火箭武器發(fā)射系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，發(fā)射動(dòng)力學(xué)作為研究武器系統(tǒng)發(fā)射過程中受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的綜合學(xué)科，被廣泛運(yùn)用于提高發(fā)射精度、穩(wěn)定性和安全性研究[1]，基于測(cè)試系統(tǒng)對(duì)發(fā)射動(dòng)力學(xué)參數(shù)的采集分析對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化具有重要意義。發(fā)射動(dòng)力參數(shù)采集主要是針對(duì)火箭武器發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的燃?xì)饬髯饔迷谂谕埠桶l(fā)射車相關(guān)位置上，產(chǎn)生的壓力、應(yīng)力、振動(dòng)（加速度）等參數(shù)[2]。傳統(tǒng)使用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集卡，雖然采集精度高，處理速度快，但價(jià)格昂貴，受設(shè)備的約束性比較強(qiáng)，采集通道擴(kuò)充性較為局限，便攜性較差。文中采用以STM32為核心實(shí)現(xiàn)發(fā)射動(dòng)力學(xué)參數(shù)的高精度調(diào)理、高速多通道采集、大容量存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)觀測(cè)等功能，采用C語言編寫下位機(jī)數(shù)據(jù)采集電路程序和信號(hào)調(diào)零程序，通過USB與LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要采用ST公司的微控制器 STM32F103RC，AD公司的AD8221放大器，軌至軌運(yùn)放OPA365、TI公司的高精度的 A/D轉(zhuǎn)換器件 ADS8332和 NI公司的LabVIEW軟件相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于需滿足多通道，測(cè)試多參數(shù)的需求，A/D轉(zhuǎn)換采集控制核心單元與信號(hào)調(diào)理單元，分為兩個(gè)模塊。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 信號(hào)調(diào)理模塊

一般傳感器輸出的電壓信號(hào)特別小，基本是mV級(jí)的。就壓力采集信號(hào)調(diào)理電路，采用壓阻式傳感器，滿量程輸出信號(hào)范圍在70～350 mV之間。傳感器信號(hào)采用巴特沃斯低通濾波，截止頻率約在1 kHz，濾波后送入儀用放大器AD8221進(jìn)行放大，AD8221是通過引腳1、8間跨接電阻R來實(shí)現(xiàn)控制放大增益[3]，關(guān)系如式（1）。

信號(hào)調(diào)理模塊電路中添加STM32F103RC微控制器，芯片通過A/D采樣信號(hào)，D/A輸出模擬電壓到AD8221的REF引腳實(shí)現(xiàn)傳感器的調(diào)零，輸出電壓公式如式（2）。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

1.2.1 STM32F103RC控制硬件

本系統(tǒng)采用 ST （意法半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的STM32F103RC作為控制核心。STM32F103RC基于Cortex-M3內(nèi)核，擁有48 kB SRAM、256 kB FLASH。外圍接口豐富，有3個(gè)SPI，5個(gè)串口，1個(gè)USB，1個(gè)can接口[4]，完全滿足設(shè)計(jì)要求又方便后續(xù)升級(jí)。

STM32F103RC作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，與ADS8332通過SPI2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，與SD卡通過SPI1實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，與上位機(jī)通過USB實(shí)現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)采集模塊供電方法有USB連接供電和鋰電池供電。將鋰電池采用電阻分壓，通過A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電源監(jiān)測(cè)，以防止在無上位機(jī)情況下的采集突然掉電，在低于一定值時(shí)采集卡上會(huì)有LED0燈上電發(fā)光。ADS8332采集基準(zhǔn)電壓供電主要由 STM32DAC輸出模擬電壓并通過運(yùn)放ADOP07CH放大去耦來實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)信號(hào)調(diào)理模塊信號(hào)電壓輸入范圍對(duì)AD8332基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)，以期達(dá)到得到更好的精度。本系統(tǒng)中，STM32外接8 MHz時(shí)鐘，經(jīng)過內(nèi)部PLL倍頻至72 MHz[5]。

1.2.2 OPA365和ADS8332硬件接口

OPA365是德州儀器（TI）推出的一款零交越、單輸入級(jí)的軌至軌運(yùn)算放大器，具有超低失真，極低噪聲以及50 MHz的增益帶寬，應(yīng)用于便攜式儀表，數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)和音頻中[6]。設(shè)定最大信號(hào)電壓幅值，使流入AD的電壓在規(guī)定范圍，充當(dāng)電壓追隨器，以期能來保護(hù)ADS8332。在每個(gè)輸入口前采用RC濾波電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低[7]，可用來濾除運(yùn)放產(chǎn)生的噪聲，接法如圖2所示。

圖2 OPA365及RC電路

1.2.3 ADS8332與STM32F103RC硬件接口

ADS8332是一個(gè)低耗能，靈活電壓輸入，最高采樣率達(dá)到500ksps的16位AD轉(zhuǎn)換器，支持單極8通道輸入[8]。通過SPI與STM32F103RC進(jìn)行通信。如圖3，ADS8332 IN0～I(xiàn)N7是輸入通道，SDO為SPI輸出通道，SDI為SPI輸入通道，分別與STM32的SPI2 MISO，SPI2 MOSI相連。在轉(zhuǎn)換過程中需要IN輸入端和COM輸入端與其他內(nèi)部功能斷開連接，輸入范圍應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。采用STM32通過SPI SCLK提供的外部時(shí)鐘，在串行時(shí)鐘SCLK的上升沿觸發(fā)內(nèi)部時(shí)鐘CCLK，且CCLK的頻率為SPI SCLK時(shí)鐘頻率的一半。電源外接去耦電容保證電壓供應(yīng)穩(wěn)定。CS為控制片選信號(hào)，EOC/CDI為中斷結(jié)束轉(zhuǎn)換端口，CONVST為開始轉(zhuǎn)換控制端口，分別與STM32 PB1，PB2，PB3相連。通過STM32控制片選信號(hào)，轉(zhuǎn)換端口來實(shí)現(xiàn)控制字的寫入和數(shù)據(jù)的讀取。

圖3 ADS8332接線圖

1.2.4 STM32和SD卡硬件設(shè)計(jì)

采集卡載有標(biāo)準(zhǔn)的SD卡接口，來擴(kuò)大容量存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)大量測(cè)試數(shù)據(jù)，防止丟失。SD卡與STM32進(jìn)行SPI通信，接口為SPI1，SD_CS接到PA3上。

1.2.5 STM32和USB硬件設(shè)計(jì)

STM32的USB模塊是一個(gè)支持USB2.0的全速設(shè)備，USB+、USB-分別與STM32的PA11 PA12相連，由于采用的是USB轉(zhuǎn)串口技術(shù)，PC機(jī)上需安裝STM32虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序[9]。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)零程序設(shè)計(jì)

STM32F103RC采用MDK作為開發(fā)環(huán)境。信號(hào)調(diào)理模塊程序主要是STM32調(diào)零程序，板子上電后，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過濾波、放大，傳入到STM32的ADC模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)值與程序設(shè)定的值進(jìn)行比較后，進(jìn)行相應(yīng)的增減，DAC輸出后，再次采集，循環(huán)以上步驟，直至調(diào)零至一允許的范圍，板子上LED亮起，表示可以開始數(shù)據(jù)采集。傳感器在受到溫度、濕度等影響后，會(huì)有少許變化，因此可以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境，調(diào)整內(nèi)部設(shè)置值，來保證調(diào)零精度。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采集軟件由主程序和子程序組成，主要包括ADS8332采集程序、SD卡存儲(chǔ)程序、DAC1基準(zhǔn)電壓控制程序、ADC1鋰電池電源監(jiān)測(cè)程序和USB與LabVIEW的通信程序。結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程框圖

在STM32軟件設(shè)計(jì)中包含對(duì)ADS8332的初始化，程序控制字的寫入。SD卡和ADS8332采用SPI接口，程序會(huì)對(duì)于SPI1和SPI2進(jìn)行初始化。與ADS8332通信的SPI2配置程序如下：

ADS8332初始化先發(fā)送0xC000讀取CFR配置，然后寫入0xECFF配置CFR寄存器，前四位1110表示寫入控制字，控制模式為選用外部SCLK，自動(dòng)輪轉(zhuǎn)通道采樣模式，轉(zhuǎn)換在EOC上升沿后3個(gè)CCLK自動(dòng)觸發(fā)，選定ADS8332引腳9輸出信號(hào)為EOC（結(jié)束轉(zhuǎn)換信號(hào)），配置輸出帶有3位TAG（標(biāo)志位）用作通道識(shí)別。ADS8332發(fā)送接收程序如下：

SD卡保存數(shù)據(jù)過程，接收到數(shù)據(jù)先暫存至STM32片內(nèi)開辟的BUFFER0區(qū)間，寫滿后轉(zhuǎn)存BUFFER1，同時(shí)將BUFFER0的數(shù)據(jù)寫入SD卡后清空，依次循環(huán)。在SD卡中移植入FATFS文件管理系統(tǒng)，操作系統(tǒng)中組織、存儲(chǔ)以及命令文件的結(jié)構(gòu)是文件系統(tǒng)。移植開源代碼FATFS，采用FAT32格式實(shí)現(xiàn)SD卡文件管理。在使用FATFS時(shí)，必須先用過函數(shù)f_mount注冊(cè)工作區(qū)，來開始后續(xù)的API使用[10]。以此實(shí)現(xiàn)STM32能直接創(chuàng)建，和數(shù)據(jù)寫入文件，方便查閱和保存，主要用到以下函數(shù)。

ADS8332的基準(zhǔn)電壓設(shè)置，依照信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)電壓范圍來選擇合適的基準(zhǔn)電壓，來提高轉(zhuǎn)換精度，通過上位機(jī)傳送值來設(shè)定DA輸出電壓大小。

在信號(hào)調(diào)理模塊上電調(diào)零完畢后，程序中設(shè)計(jì)了3種開啟采集方式。

1）運(yùn)用LabVIEW上位機(jī)發(fā)送開始啟動(dòng)、結(jié)束采集命令。

2）在USB未連接的情況下，通過采集板的開關(guān)進(jìn)行開始采樣，并設(shè)置LED1閃爍表示正在采集，自動(dòng)保存入SD卡中。

3）在火箭武器發(fā)射炮筒后蓋放置易熔斷銅絲，一端接地，一端接連同電源的大電阻，STM32 PC11端口設(shè)置推挽輸入。在點(diǎn)火后，尾流迅速燃斷銅絲，STM32 PC11獲得高電平，程序進(jìn)入點(diǎn)火觸發(fā)采集程序，數(shù)據(jù)保存處理可以按照上面兩種方式?？赏ㄟ^上位機(jī)選擇來實(shí)現(xiàn)該種開始采集方式。

3 LabVIEW上位機(jī)軟件編程

本課題采用了LabVIEW2012作為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)，裝載STM32虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序，使得上下位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信連接。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器（Nation Instrument）公司開發(fā)的一款基于圖形化編程語言G語言（graphicas language）的虛擬軟件開發(fā)工具，利用LabVIEW可以很容易的生成一款虛擬儀器系統(tǒng)[12]。主要包括前面板和程序框圖兩個(gè)部分。前面板主要是圖形化顯示界面，實(shí)現(xiàn)輸入測(cè)試參數(shù)，控制采集等功能，后面板是模塊連接圖，為實(shí)現(xiàn)前面板的功能進(jìn)行編程[13]。

3.1 前面板的設(shè)計(jì)

前面板的設(shè)計(jì)主要包括采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)、采集卡電池電壓的顯示、AD基準(zhǔn)電壓的控制輸入和開始采集方式的選擇。如圖5所示，測(cè)試結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示主要包括X軸（時(shí)間）的實(shí)時(shí)顯示區(qū)間，波形圖內(nèi)顯示的通道數(shù)，以及控制某一個(gè)或某幾個(gè)通道的顯示，并能通過通道指示燈查看通道工作情況。

圖5 前面板設(shè)計(jì)

3.2 程序框圖設(shè)計(jì)

主要包括采集開始前的串口搜索，配置，采集主程序以及數(shù)據(jù)處理3個(gè)部分，來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)主要功能。

3.2.1 采集前串口配置

通過VISA查找資源，得出資源列表，通過配置VISA串口，VISA寫入向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。如果下位機(jī)STM32接收到數(shù)據(jù)，發(fā)送返回?cái)?shù)據(jù)，上位機(jī)VISA讀取如果與預(yù)定值相同則表明串口配置連接成功，得到串口名稱，與下位機(jī)STM32取得聯(lián)系[14]。

3.2.2 采集主程序

類似于串口配置，通過將“VISA讀取.vi”置于while循環(huán)當(dāng)中，讀取串口發(fā)送的程序。按下停止采集鍵，串口向STM32發(fā)送結(jié)束指令，STM32拉高片選，結(jié)束采集，VISA關(guān)閉。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理程序

在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)需將 “VISA讀取. vi”放入while循環(huán)中，并設(shè)置讀取的字節(jié)數(shù)為3，前兩個(gè)為數(shù)據(jù)位，最后一個(gè)包含通道位和采集卡的電壓。STM32發(fā)送過來的是字符串，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)值，才能在波形圖表上顯示以及存儲(chǔ)。

通過“截取字符串.vi”函數(shù)將串口接收到的數(shù)據(jù)中的通道位和數(shù)據(jù)位分開。通過 “字符串至字節(jié)數(shù)組.vi”、“索引數(shù)組.vi”、“將十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為字符串. vi”等將Hex string轉(zhuǎn)變ASCII string，“十六進(jìn)制字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換.vi”將采集到通道數(shù)據(jù)[15-17]，通道標(biāo)號(hào)和采集卡電壓讀取出來。通道數(shù)據(jù)通過 “替換數(shù)組.vi”，將其保存到相應(yīng)的通道數(shù)組中，通過波形圖表顯示實(shí)時(shí)曲線，并保存。

4 結(jié)束語

文中介紹一種可用于火箭武器發(fā)射動(dòng)力學(xué)參數(shù)采集的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的精密調(diào)理和調(diào)零，采用STM32和ADS833實(shí)現(xiàn)了八通道、高精度、高速采集。結(jié)合SD卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)。以LabVIEW為上位機(jī)，具有實(shí)時(shí)觀察，發(fā)送指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，具有較好的運(yùn)用價(jià)值。

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The design of launch dynamics parameter acquisition card based on STM32 and LabVIEW

SHAO Huan-jie，XIA Jing
（Mechanical Engineering School，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

To realize the acquisition of launch dynamics parameters with high speed，high precision when testing rocket weapon，making effort to design a 16 bits，8 channels data acquisition system based on STM32 and LabVIEW.Acquisition card uses a 16 bits No Missing Codes（NMC），Successive Approximation Register（SAR）analog-to-digital called ADS8332 with speed up to 500ksps.Choosing STM32 as the main controller makes the acquisition card with high stability，and high collection speed. Selecting LabVIEW as PC application development platform，realize the real-time observation，process and analysis by the connection of USB.

STM32；data acquisition；LabVIEW；real-time observation

TN06

：A

：1674-6236（2017）02-0185-05

2016-01-20稿件編號(hào)：201601173

邵煥杰（1992—），男，江蘇常熟人，碩士研究生。研究方向：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。