便攜式多點溫度同步采集系統(tǒng)設(shè)計

馬麗娟

(西安外事學(xué)院工學(xué)院，陜西西安710077)

0 引言

目前在工業(yè)控制及野外勘測等領(lǐng)域經(jīng)常需要同步測量不同地點的溫度參數(shù)，并進行長時間記錄，完成后將時間同步的溫度數(shù)據(jù)載入計算機進行分析。但實現(xiàn)精度較高的時間同步一般采用有線同步技術(shù)，這樣就非常不便于應(yīng)用。因此設(shè)計一種便攜式的、基于無線同步技術(shù)的多點溫度同步采集與存儲系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文給出了基于STM32F103VC微控制器和無線同步技術(shù)相結(jié)合的溫度采集系統(tǒng)，能夠根據(jù)事先設(shè)定好的模式對溫度參數(shù)進行采集，并將同步時間及溫度數(shù)據(jù)存入SD卡進行長期存儲。系統(tǒng)采用電池供電，特別適合不便于取市電的應(yīng)用場合。

1 硬件組成及原理

置于不同位置的溫度采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上完全相同，只是不同系統(tǒng)有唯一的ID號，ID號可人為設(shè)置。同步采集溫度時有以下幾種啟動模式:溫度低越限、溫度高越限、溫度變化率越限、定時采集。任一滿足啟動條件的系統(tǒng)都會發(fā)出無線指令，通知其它系統(tǒng)同步啟動溫度采集。系統(tǒng)由微控制器模塊、電源模塊、人機接口、無線通信模塊、SD卡組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面就重要部分進行分別介紹。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 微控制器模塊

本系統(tǒng)的主控制器采用STM32F103VC處理器，與電源電路、時鐘電路、存儲器系統(tǒng)及復(fù)位電路共同組成微控制系統(tǒng)。復(fù)位電路選用了系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片IMP811S，可提供高效的電源監(jiān)視功能，確保系統(tǒng)工作正常。

STM32F103VC采用ARM公司的高性能“Cortex－M3”內(nèi)核，運行的頻率高達72 MHz，指令速度達1.25 DMips/MHz。在此基礎(chǔ)上還擴展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價比的嵌入式解決方案。STM32F103VC系統(tǒng)外圍接口單元主要包括支持60個中斷源的中斷控制器，2個DMA控制器，80個通用I/O口，1個SD卡接口，3個可編程波特率的UART，16路12位A/D轉(zhuǎn)換器，SD卡接口，2個多主機I2C總線控制器，3個SPI接口等［1］。

1.2 無線通信接口

本設(shè)計各采集系統(tǒng)之間的無線同步采集采用單片射頻收發(fā)芯片NRF24L01，該芯片是真正的GFSK單收發(fā)芯片，內(nèi)置鏈路層，支持自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能，帶有地址及CRC檢驗功能，數(shù)據(jù)傳輸率最高達2 Mbps，采用SPI接口進行數(shù)據(jù)傳輸，速率最高位8 Mbps［2］?；贜RF24L01芯片的無線通信接口電路見圖2，該種方式下，若采用阻抗匹配的天線，無線傳輸距離可達150 m，完全滿足常規(guī)采集需求。

圖2 無線通信接口

圖2中，NRF24L01的SPI總線直接與STM32F103VC的SPI0接口相連，TX/RX選擇端 CE和片選 CSN與STM32F103VC的 GPIO相連即可，中斷口 IRQ連接于STM32F103VC的外部中斷0，以提供中斷信號。

1.3 人機接口與信息存儲

為了便于模式設(shè)置和參數(shù)顯示，系統(tǒng)加入了矩陣鍵盤和LCD顯示器。矩陣鍵盤直接與STM32F103VC的GPIO相連，采用掃描方式進行按鍵檢測。顯示器選用LM9033四級灰度LCD模塊，該模塊功耗極低，帶有電源控制，特別適用于電池供電的系統(tǒng)。LM9033可采用并口或SPI接口方式，這里直接將其連接于STM32F103VC的SPI1接口。為了能夠?qū)r間信息及溫度數(shù)據(jù)進行長時間存儲，系統(tǒng)加入了SD卡存儲裝置。由于STM32F103VC芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與STM32F103VC的SD卡接口直接相連即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。

1.4 溫度檢測電路

溫度檢測采用熱電阻傳感器PT1000，信號調(diào)理電路如圖3所示。圖3中，PT1000與電阻R1、R2和Rt1組成電橋，調(diào)節(jié)電阻Rt1即可調(diào)零。由于信號較弱，所以后端采用A1和A2進行兩級放大，放大器選用零漂移、軌對軌輸出的集成運放LTC2051，該芯片內(nèi)部集成兩個獨立運放，一片即可滿足本系統(tǒng)需求，采用單電源供電。通過調(diào)節(jié)電阻Rt2即可實現(xiàn)量程的調(diào)節(jié)。因為溫度變化比較緩慢，所以采用R9和C1組成一階低通濾波電路，濾除由電源噪聲等引起的干擾，以提高測量精度。運放的輸出直接與STM32F103VC的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器相連。

圖3 溫度檢測電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在溫度同步采集系統(tǒng)中，STM32F103VC完成無線通信、溫度檢測、參數(shù)輸入與顯示、SD卡讀寫等功能。整個系統(tǒng)軟件部分包括主程序、人機接口程序、無線通信程序、SD卡讀寫程序、文件系統(tǒng)程序、溫度計算程序、實時時間讀取、自診斷等功能模塊。由于軟件較復(fù)雜，所以實際編程中嵌入了μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)。

2.1 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)

μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)是真正源碼公開的，采用占先式的實時內(nèi)核，支持多達56個用戶任務(wù)，穩(wěn)定性和可靠性高，而且移植方便，占用內(nèi)存小。μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)中各任務(wù)要分配不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級用數(shù)字表示，數(shù)字越小其優(yōu)先級越高。針對本系統(tǒng)中各任務(wù)的重要性，為各任務(wù)分配了表1所示的優(yōu)先級。

表1 系統(tǒng)中的任務(wù)及優(yōu)先級

2.2 無線通信程序

無線通信程序主要完成基于NRF24L01的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，要嚴格遵守其發(fā)送及接收時序。由于溫度采集時每個系統(tǒng)都可能成為發(fā)出同步啟動信號的主機，因此采集前NRF24L01都配置為接受模式。若某個系統(tǒng)檢測到已滿足啟動條件，則自動配置為發(fā)送模式，將同步啟動信號發(fā)送給其它系統(tǒng)，于是同步采集開始。將NRF24L01配置為增強型ShockBurst模式并啟動自動應(yīng)答，這樣可以在接收方接收到信號后自動產(chǎn)生應(yīng)答以確認通信的正確性，發(fā)送方未收到應(yīng)答則會自動重發(fā)，無需增加控制器的工作量。

2.3 SD卡讀寫程序

本系統(tǒng)SD卡采用了FatFS文件系統(tǒng)以方便將SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)通過讀卡器導(dǎo)入到上位計算機。FatFS是一種通用的文件系統(tǒng)模塊，在小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)。FatFS文件系統(tǒng)使用非常方便，因為FatFS模塊完全與磁盤I/O層分開，因此只需要改寫對應(yīng)的函數(shù)來實現(xiàn)底層物理磁盤的讀寫與獲取當前時間即可［3］。本設(shè)計中應(yīng)用到這幾個函數(shù):disk_initialize用來初始化磁盤驅(qū)動器，這里初始化SD卡;disk_read用來讀SD卡扇區(qū);disk_write用來寫SD卡扇區(qū);disk_ioctl用來控制與設(shè)備相關(guān)的特性;get_fattime用來獲取當前時間，為文件加蓋時間戳。時間的獲取采用讀STM32內(nèi)部RTC的方式實現(xiàn)，為此，要在RTC的備用電池引腳接3V的紐扣電池，以實現(xiàn)掉電后的時間維持。

3 實驗參數(shù)

實驗表明，NRF24L01芯片在2 Mbit/s的傳輸速率下，若SPI總線速率控制為4 Mbit/s，則主機發(fā)送從機地址與一個字節(jié)數(shù)據(jù)需要90 μs左右的時間延遲，因此無線同步采集的時間誤差可控制在90 μs。若主機發(fā)送完同步信號后延遲90 μs再啟動采樣，則同步采集的時間誤差可控制在10 μs內(nèi)，可滿足絕大部分同步采集的需要。經(jīng)測試，只加板載天線時無線傳輸距離在空曠地可達50 m，若使用專用天線，則無線傳輸距離可達150 m，適用于多種測量領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的溫度同步采集系統(tǒng)具有成本低、精度高及可靠性高、通信距離遠、存儲容量大等優(yōu)點，調(diào)節(jié)電位器即可實現(xiàn)溫度量程的調(diào)節(jié)，既適用常溫范圍測量，又適用于工業(yè)溫度范圍測量。同步采集后的數(shù)據(jù)很容易在計算機中進行分析、處理及打印等。將溫度調(diào)理電路做少量修改即可實現(xiàn)對壓力、濕度等其它物理量的同步采集，因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

［1］武利珍，張文超，程春榮.基于STM32的便攜式心電圖儀設(shè)計［J］.電子器件，2009(5):945－949.

［2］李輝，宋詩，周建江.基于ARM和nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］.國外電子元器件，2008(12):44－46.

［3］洪岳煒，王百鳴，謝超英.一種易于移植和使用的文件系統(tǒng)FatFs Module［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008(5):29－31.

［4］Duan Haibin.MAX-MIN Meeting Ant Colony Algorithm Based on Cloud Model Theory and Niche Ideology［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology E-dition，2006，36(4):803 －808.