蘇展 劉鴻芳 于金山 盧修春

摘 要：本文提出以STM32處理器為核心的電力設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合記錄儀方案，利用加速度傳感器、溫濕度傳感器、高速數(shù)據(jù)采集及大容量?jī)?chǔ)存器件，對(duì)運(yùn)輸過程中的振動(dòng)、沖擊、跌落等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，通過附帶的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)運(yùn)輸方式與包裝性能進(jìn)行評(píng)估。通過試驗(yàn)表明，該設(shè)備可以準(zhǔn)確記錄包裝物在運(yùn)輸過程中的狀態(tài)信息。

關(guān)鍵詞：STM32;記錄儀;加速度傳感器;USB;大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）01-0127-05

Design of Integrated Environmental Recorder for Power

Equipment Transportation Based on STM32

SU Zhan1 LIU Hongfang1 YU Jinshan1 LU Xiuchun2

（1. State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300000;

2. Linyi Technician Institute，Linyi Shandong 276000）

Abstract： In this paper， a scheme of comprehensive environmental recorder for power equipment transportation status based on STM32 processor was proposed. Acceleration sensors， temperature and humidity sensors， high-speed data acquisition and large-capacity storage devices were used to monitor and record the vibration， impact and drop in the transportation process in real time. The data were analyzed by the attached software， and the transport mode and packaging performance were evaluated. Experiments showed that the equipment could accurately record the status information of packaging during transportation.

Keywords： STM32;recorder;acceleration sensor;USB;large capacity data storage

變壓器等電力設(shè)備在運(yùn)輸和裝卸過程中會(huì)產(chǎn)生各種沖撞沖擊和震動(dòng)，任何超過規(guī)定的沖撞沖擊都會(huì)對(duì)設(shè)備造成損傷[1]。電力運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合記錄儀[2，3]主要用于電力運(yùn)輸過程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與記錄，利用加速度傳感器、溫濕度傳感器，對(duì)運(yùn)輸過程中的振動(dòng)、沖擊、跌落等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，并通過相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可達(dá)到優(yōu)化運(yùn)輸方式、路線、包裝、儲(chǔ)存和搬運(yùn)條件等目的，減少在物流過程中設(shè)備的損壞。

本文提出以ARM Cortex?-M3 STM32處理器為核心的電力運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合記錄儀，包括嵌入式記錄儀與運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合分析軟件兩部分，融合了高性能的ARM處理器、高性能加速度傳感器[4]、高精度數(shù)據(jù)采集[5]、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[6]、USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)[7-9]，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備在運(yùn)輸過程中的狀態(tài)信息采集、存儲(chǔ)及分析，保證了電力設(shè)備的安全運(yùn)輸。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合記錄儀主要由中央處理器模塊、加速度傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、NandFlash存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊及電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

<F：＼歡歡文件夾＼201904＼河南科技201901＼河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)）2019年第01期_103595＼Image＼F1_[S3C）O`Q[4H%0]KVVYQN.png>[NandFlash存儲(chǔ)模塊][溫濕度傳

感器模塊][ADXL001模塊][AD? ? 模塊][電源模塊][USB模塊][實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊][中央處理器STM32模塊]

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 主要功能模塊設(shè)計(jì)

中央處理器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理等工作，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。中央處理器采用高性能的ARM? Cortex?-M3處理器STM32F103ZE。高性能、低功耗的中央處理器保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算速度，集成的USB接口在提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

由于記錄儀需要記錄大量的振動(dòng)波形數(shù)據(jù)，因此需要一個(gè)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)選用NandFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為三星K9F1G08U0B，具較高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，且寫入和擦除速度較快。

加速度傳感器模塊提供包裝物的振動(dòng)信息，采用三個(gè)ADXL001，分別記錄X、Y、Z方向的振動(dòng)信息。ADXL001振動(dòng)與沖擊傳感器是ADI公司開發(fā)的單芯片、高性能且能夠適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的苛刻環(huán)境的傳感器。根據(jù)實(shí)際需要選擇滿量程動(dòng)態(tài)范圍是±250g的型號(hào)，具有0.2%滿量程范圍的出色非線性度。

溫濕度傳感器模塊采用SHT11，是一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，具有高度集成、接口簡(jiǎn)單、傳輸可靠性高、測(cè)量精確度高等特點(diǎn)。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊采用DS1307，具有56字節(jié)非失性RAM的全BCD碼時(shí)鐘日歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，地址和數(shù)據(jù)通過兩線雙向的串行總線的傳輸，芯片可以提供秒、分、小時(shí)等信息，每一個(gè)月的天數(shù)能自動(dòng)調(diào)整，并且有閏年補(bǔ)償功能。

1.2 高精度數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

由于加速度傳感器量程范圍大，而記錄要求精度較高，因此，為了完成高精度數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ADS8341的數(shù)據(jù)采集模塊，并采用多種方式提高AD的采樣精度。ADS8341是TI公司推出的一款4通道低功耗且具有串行接口的16位高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

為了提高采集精度，還采取了以下幾種方式。

①使用外部高精準(zhǔn)參考電壓，采用LM4040A30專用基準(zhǔn)電壓芯片。

②電路設(shè)計(jì)中，注意模擬電源和數(shù)字電源，以及模擬地和數(shù)字地要分開，減少耦合噪聲路徑。

③電路板布線時(shí)，需要注意不要讓信號(hào)輸入引腳運(yùn)行在靠近數(shù)字信號(hào)通路的地方，這樣能使耦合到ADC輸入端的數(shù)字信號(hào)開關(guān)噪聲大大降低。

④硬件濾波，濾除干擾信號(hào)，信號(hào)輸入前級(jí)接濾波電路。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式軟件以FATFS文件系統(tǒng)為核心，所有的數(shù)據(jù)都將以文件方式進(jìn)行存儲(chǔ)，方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸。USB數(shù)據(jù)傳輸模塊建立記錄儀與PC之間的USB連接后，采用U盤模式將記錄儀的數(shù)據(jù)傳輸至PC指定的文件夾下。記錄儀有多重工作模式，對(duì)于每種工作模式，系統(tǒng)工作參數(shù)又有不同，采用配置文件的模式配置記錄儀的工作模式，可以方便靈活地進(jìn)行配置。軟件由FATFS文件系統(tǒng)、USB數(shù)據(jù)傳輸、AD數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)、按鍵掃描、溫濕度信息采集模塊等多個(gè)軟件模塊構(gòu)成。

2.1 嵌入式軟件主流程

記錄儀嵌入式軟件的流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后掃描按鍵，設(shè)置自身的工作狀態(tài)。當(dāng)按待機(jī)時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)整工作頻率，把工作頻率設(shè)置到最小，同時(shí)將系統(tǒng)設(shè)置到待機(jī)模式，降低功耗。在此種工作模式下，將定時(shí)掃描鍵盤，準(zhǔn)備切換到工作狀態(tài)。當(dāng)按USB通信時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行USB通信的初始化，連接記錄儀與PC電腦。當(dāng)初始化完畢時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入U(xiǎn)盤模式，隨時(shí)等待數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)按下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)首先讀取配置文件信息，配置運(yùn)行的工作模式。配置定時(shí)器間隔，配置AD采集的速度，配置傳感器的閾值等。

2.2 滾動(dòng)更新算法

為了有效保證閾值觸發(fā)模式下，事件發(fā)生前后數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，能完整地反映事件發(fā)生前后加速度的變化趨勢(shì)，避免丟失數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模糊等現(xiàn)象的發(fā)生，采用“堆棧滾動(dòng)更新算法”進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，軟件流程如圖4所示。

“堆棧滾動(dòng)更新算法”是指在STM32的RAM區(qū)開辟三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)X、Y、Z域作為緩存區(qū)（buffer），分別標(biāo)記為A1、A2和A3，以此來(lái)實(shí)時(shí)保存?zhèn)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)。程序開始運(yùn)行后，當(dāng)傳感器采集到第一個(gè)數(shù)據(jù)后，便將這個(gè)數(shù)據(jù)存到標(biāo)號(hào)為A1的X存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)。當(dāng)標(biāo)號(hào)為A1的這個(gè)緩存區(qū)存滿時(shí)，程序就接著依次把采到數(shù)據(jù)存入A2和A3的緩存區(qū)中。三個(gè)緩存區(qū)都存滿后，程序?qū)⒆詣?dòng)更新X、Y、Z三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的標(biāo)號(hào)，即X的標(biāo)號(hào)變?yōu)锳3，Y的標(biāo)號(hào)變?yōu)锳1，Z變?yōu)锳2，程序也將繼續(xù)把數(shù)據(jù)存在標(biāo)號(hào)為A3的緩存區(qū)中，并以此類推。

當(dāng)沖擊發(fā)生時(shí)，采集數(shù)據(jù)超閾值，需要保存事件發(fā)生前的數(shù)據(jù)塊、事件發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)塊以及事件發(fā)生后的一個(gè)數(shù)據(jù)塊，共同組成一個(gè)完整波形數(shù)據(jù)。這樣，沖擊的主要波形會(huì)體現(xiàn)在整個(gè)存儲(chǔ)波形的中間附近，便于數(shù)據(jù)分析。

2.3 運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合分析軟件

運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)控分析軟件主要有設(shè)置功能和數(shù)據(jù)分析功能。

設(shè)置功能主要包括：①搜索設(shè)備、生成設(shè)備列表;②讀取設(shè)備原有配置信息;③設(shè)置閾值觸發(fā)的采樣頻率、采樣大小、采樣空間及觸發(fā)閾值;④設(shè)置時(shí)間觸發(fā)的采樣頻率、采樣大小、采樣空間分配及采樣間隔;⑤加速度及溫濕度傳感器參數(shù)校正;⑥設(shè)置記錄模式及通道選擇;⑦添加路線信息及貨物圖片信息。設(shè)置界面如圖5所示。

數(shù)據(jù)分析功能主要包括：①搜索設(shè)備;②選擇工作模式;③根據(jù)工作模式顯示波形數(shù)據(jù)及溫濕度、時(shí)間信息。顯示界面如圖6所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

基于本文設(shè)計(jì)的記錄儀，分別在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行定時(shí)模式的數(shù)據(jù)采集，利用記錄儀數(shù)據(jù)分析軟件，可以觀察到如圖7所示的振動(dòng)波形。從圖7可以看出，在周期性運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，得到了一組近似于正弦波的曲線，該組曲線反映了記錄儀的加速度信息。在沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行閾值觸發(fā)采集模式數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，利用記錄儀數(shù)據(jù)分析軟件，可以觀察到如圖8所示的振動(dòng)波形。從圖8可以看到，在沖擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，記錄儀可以較好地捕捉到整個(gè)沖擊過程，并完整記錄沖擊的波形。

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圖5 運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合分析軟件設(shè)置界面

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圖6 運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合分析軟件顯示界面

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圖7 振動(dòng)臺(tái)測(cè)試結(jié)果

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圖8 沖擊測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出以STM32 ARM Cortex?-M3處理器為核心的電力設(shè)備運(yùn)輸狀態(tài)環(huán)境綜合記錄儀方案設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明，該設(shè)備可以準(zhǔn)確記錄包裝物在運(yùn)輸過程中的狀態(tài)信息;利用PC上位機(jī)記錄儀數(shù)據(jù)分析軟件，可以較好地進(jìn)行狀態(tài)信息的分析與處理。

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