基于Cortex-M3智能無線溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

鐘鼎

（中國地質(zhì)大學(xué) 機械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

溫度測量[1]在家居生活和工業(yè)生產(chǎn)控制等領(lǐng)域都有著廣泛的使用，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷的擴展，基于單片機控制的溫度測量系統(tǒng)也相繼被提出，隨著ARM公司最新Cortex系列內(nèi)核的推出，基于Cortex-M3內(nèi)核的高性價比的處理器受到了客戶廣泛歡迎，而在我國，GSM網(wǎng)絡(luò)超過95%的覆蓋率也為無線通信和遠程控制創(chuàng)造了良好的媒介，在某些特殊環(huán)境下，比如不易布線或者布線距離較長環(huán)境下，都會使測量系統(tǒng)的成本升高，而且數(shù)據(jù)在長距離的傳輸過程中極易受到干擾，利用技術(shù)成熟成本相對較低的GSM網(wǎng)絡(luò)，不僅不受傳輸距離的限制，而且具有較好的抗干擾能力，使用便攜的手機發(fā)送短信控制來實現(xiàn)溫度的實時測量是一種較好的方法。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

智能溫度測量系統(tǒng)主要由溫度測量模塊、GSM模塊、外接EEPROM、主控制器組成。主控制器使用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6處理器，主要完成整個系統(tǒng)的運行和自檢工作。溫度測量模塊使用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，GSM模塊使用西門子工業(yè)TC35I模塊，其支持中文短信功能，通過通用串口協(xié)議與主控制器通信，接收和發(fā)送主控制器的命令，當(dāng)TC35I模塊接收到短消息命令后把命令發(fā)送給主控制器，主控制器分析短信命令，如為溫度測量指令則開始測量溫度，測量數(shù)據(jù)通過TC35I模塊發(fā)送回去，同時備份測量數(shù)據(jù)在外接EEPROM中，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of system

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控制器

意法半導(dǎo)體公司新推出的STM32F103RBT6，是基于ARM公司最新推出的V7平臺的Cortex-M3內(nèi)核。芯片[2-3]具有128 k FLASH，20 k SRAM，2個 SPI接口，3個串口， 一個USB，1個 CAN，51個 IO口。芯片的數(shù)據(jù)處理能力為1.25 DMips/MHz，在 72 MHz的工作時鐘下消耗 36 mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），待機時下降到2 μA，是目前32位處理器市場上功耗最低的產(chǎn)品，十多塊錢的市場售價為該產(chǎn)品創(chuàng)造了極高的性價比，除了在價格上的優(yōu)勢外，STM32主控芯片內(nèi)部包含了一個時鐘嘀嗒（SysTick）計時器，SysTick是一個24位的自動重裝的倒計數(shù)定時器，在使用高速8 M外部時鐘信號時，通過處理器內(nèi)部PLLMUL倍頻產(chǎn)生最高72 M的時鐘HCLK，SysTick的時鐘來自HCLK的8分頻，即72/8=9 MHz，通過計算當(dāng)裝載的初值為9時可以得到精確的1 μs的延時，在使用DS18B20測量溫度時候，開始，應(yīng)答，讀寫時序中使用的延時都為μs級，有較嚴格的時序要求，在STM32推出之前廣泛使用的單片機如51系列和AVR系列，都很難得到精確的μs級的延時程序，這導(dǎo)致在無參考數(shù)據(jù)的情況下通過軟件仿真得到的延時程序在實際驅(qū)動DS18B20過程中往往需要多次對延時程序進行調(diào)整，經(jīng)實驗證明，在軟件仿真的環(huán)境下，也很難精確地對延時函數(shù)進行運行時間的估計，而在有限的資源下，如果使用通用定時器完成延時也是不太現(xiàn)實的，而STM32處理器卻由于能夠使用精確的μs級延時，為延時程序編寫帶來很大方便。主控芯片與外設(shè)接口如圖1所示。

2.2 溫度測量模塊

STM32F103RBT6雖然內(nèi)部自帶了溫度傳感器，但是其精度較差，為正負1.5度，而且由于考慮到芯片發(fā)熱的問題，內(nèi)部自帶溫度傳感器很難測量到較準確數(shù)據(jù)，所以選用價格便宜精度較高的DS18B20溫度傳感器，其采用單總線方式傳輸，與主控制器的 PA0連接，工作電壓為 3～5.5 V，測溫范圍－55～+125度，理論上測量精度最高可達0.062 5度，實際測量中常用的默認精度為 0.5度，在數(shù)據(jù)傳輸[4－5]過程中，讀和寫的時序如下：

寫時序：寫0時主機拉低總線，延時60 μs，然后釋放總線。寫1時主機拉低總線，延時2 μs，然后釋放總線。在連續(xù)寫的過程中需要有1 μs以上的延時。

讀時序：讀時都由主機把電平拉低，延時大于 1 μs（3 μs）后，主機釋放總線，3～15μs時間段的后期，主機采樣電平（0或 1），延時 45 μs，整個讀時序周期大于 60 μs。

使用DS18B20[2]讀取一次溫度的流程為：復(fù)位→發(fā)送（0xcc）命令→發(fā)送轉(zhuǎn)換命令（0x44）→延時→發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令（0xbe）→讀取兩個字節(jié)溫度→進行數(shù)據(jù)處理。其中讀取的是一個12 bit的數(shù)據(jù)，其中低4位為小數(shù)部分，高7位為整數(shù)部分，一位符號位，根據(jù)測量精度的要求可以對數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分開進行處理。

2.3GSM模塊

TC35I模塊是西門子公司支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3～4.8 V，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線，主控制器通過串口與TC35I模塊使用AT指令集完成雙向通信，TC35I模塊的電路圖如圖2所示，其主要由40引腳的TC35I和SIM卡組成，模塊通過串口TXD0和RXD0與主控制器通信，TC35I短消息功能支持Text和PDU兩種模式，在標(biāo)準C環(huán)境下，短消息收發(fā)采用Text模式，TC35I模塊發(fā)送內(nèi)容為test的短消息的主要操作如下[6]：

圖2 TC35I模塊電路圖Fig.2 TC35I module circuit

當(dāng)TC35I模塊接收到短消息后會自動向處理器發(fā)送提示信息，處理器通過串口中斷接收到提示信息，在標(biāo)準的C環(huán)境下，通過檢驗串口提示信息中是否含有“+CMTI”來判斷是否有短消息提示指令，如果有則處理器向TC35I模塊發(fā)送讀取短消息指令后，之后處理器提取TC35I收到的短消息。

2.4 外存儲設(shè)備

外存儲設(shè)備使用外接EEPROM，在進行溫度測量后測量數(shù)據(jù)發(fā)送給終端的同時會保存測量數(shù)據(jù)在外接存儲器AT24C02中，AT24C02總?cè)萘繛?56個字節(jié)，一次溫度測量數(shù)據(jù)為2個字節(jié)，所以使用便宜的24C02可以存儲超過100組的測量數(shù)據(jù)，AT24C02片內(nèi)地址在接收到每一個數(shù)據(jù)字節(jié)地址后自動加1，直到存儲滿后前面的數(shù)據(jù)將被覆蓋。STM32處理器自配IIC接口，但是考慮到移植性的問題，使用IO口模擬IIC協(xié)議通信更容易實現(xiàn)，接口電路如圖1所示。

當(dāng)SCL線[2]為高電平期間，SDA線由高電平向低電平的變化表示起始信號，SCL線為高電平期間，SDA線由低電平向高電平的變化表示終止信號。 無論是數(shù)據(jù)還是地址的傳輸中，都是按照字節(jié)來傳輸，傳送的方向是從最高位開始，每一個被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一位應(yīng)答位。在數(shù)據(jù)和地址的傳輸過程中始終注意：時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在時鐘線上的信號為低電平期間，數(shù)據(jù)線上的高電平或低電平狀態(tài)才允許變化。當(dāng)主機向從機發(fā)送一個數(shù)據(jù)發(fā)送時序如下：起始信號→從機地址+方向→應(yīng)答→數(shù)據(jù)（8位）→應(yīng)答/非應(yīng)答→終止信號。其中方向值為“0”表示主機發(fā)送數(shù)據(jù)，方向值為“1”表示主機接收數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是在MDK環(huán)境下直接對寄存器編程.主函數(shù)流程如圖3所示，在軟件設(shè)計中建立一個長度為20的字符數(shù)組buff[20]用來作為接收指令的緩存，當(dāng)處理器接收到指令test就開始溫度測量，并把測量結(jié)果通過TC35I模塊發(fā)送到目的手機，發(fā)送完成后清空buff緩存，在這里需要特別注意的是在初始化過程中需要用AT指令A(yù)T+CMGD=1來刪除TC35I模塊的模塊終端在位置1中存儲的短消息，這樣位置1的存儲空間就被釋放出來，當(dāng)接收到新信息后，新接收到的消息會自動存儲在位置1中，處理器提取位置1的短消息并轉(zhuǎn)存到buff中，然后再次清空位置1空間，為接收下一個信息做準備。TC35I模塊接收信息后轉(zhuǎn)存入緩存buff的過程是利用串口接收中斷來完成的。

圖3 軟件系統(tǒng)流程Fig.3 Software system flow

軟件中斷函數(shù)有兩個，一個是串口接收中斷，其把接收到的信息轉(zhuǎn)存入buff緩存，另一個是定時中斷，定時中斷使用TIM3中斷，該中斷定時地對溫度傳感器檢測，對溫度傳感器的故障檢測是基于當(dāng)主機拉低電平480～960 μs產(chǎn)生復(fù)位脈沖，之后主機釋放總線，15～60 μs以后，接著由DS18B20拉低總線60～240 μs，產(chǎn)生應(yīng)答脈沖，通過是否檢測到應(yīng)答脈沖來判斷溫度傳感器是否正常工作，如果接收到應(yīng)答脈沖則正常測量溫度，如果未接收到應(yīng)答脈沖，處理器自動發(fā)送短信報警信息1并進入緊急模式，即轉(zhuǎn)為內(nèi)部溫度傳感器測量溫度，測量溫度后把測量結(jié)果與軟件設(shè)定溫度閥值比較，如超差則發(fā)送報警信息2，中斷流程如圖4所示。

圖4 中斷程序流程Fig.4 Interrupt flow

4 結(jié) 論

經(jīng)實驗證明，該系統(tǒng)操作簡單，具有較好的穩(wěn)定性，測量精度靈活，最高可達0.062 5度，成本低廉，利用GSM覆蓋面廣的特點，適合在遠距離監(jiān)控和布線成本較高的環(huán)境下使用。

[1]張英梅.stm32智能溫室控制系統(tǒng) [J].軟件，2010，31（12）：14－18.ZHANG Ying-mei.Stm32’s controlling system of intelligent greenhouse[J].Software，2010，31（12）：14－18.

[2]劉軍.例說stm32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3]范書瑞.Cortex－M3嵌入式處理器原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]顏麗娜.基于DS18B20測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].科技信息，2010（11）：496－497.YAN Li-na.The design of testing temperature base on DS18B20[J].Science&Technology Information，2010 （11）：496－497.

[5]郭天祥.新概念51單片機C語言[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6]譚浩強.C程序設(shè)計[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.