基于STM 32F103裝備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張蕉蕉，曹 森，郭堅(jiān)毅，蘇國華

（1.解放軍理工大學(xué)，工程兵工程學(xué)院機(jī)械裝備試驗(yàn)研究中心，江蘇 南京210007；2.解放軍南京軍區(qū)73602 部隊(duì)，江蘇 南京210007；3.解放軍北京軍區(qū)66114 部隊(duì)，北京 102407）

現(xiàn)役裝備的相關(guān)信息輸出，以指針式儀表為主，部分先進(jìn)裝備僅具有簡單的電子監(jiān)控和三級報警功能，信息化程度滯后于當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)的民用裝備水平[1~2]；隨著現(xiàn)行裝備越來越復(fù)雜，需要管理的信息隨之增加，對數(shù)據(jù)采集要求也越來越高；部隊(duì)裝備管理自動化水平處于較低狀態(tài)，日常管理工作大量依賴人工作業(yè)，依據(jù)傳統(tǒng)手動登記、逐個排查的方式，進(jìn)行裝備數(shù)據(jù)的收集、記錄[3]；管理工作效率不高，無法及時獲知裝備的動用狀況、技術(shù)狀況以及狀態(tài)等信息，同時，勢必會耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，而且效率低下。

為改進(jìn)這種現(xiàn)狀，本文以ARM 微處理器為核心，以壓制去污作業(yè)車為研究對象，研制裝備數(shù)據(jù)自動采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)裝備數(shù)據(jù)的自動采集，并能通過無線傳輸將采集的數(shù)據(jù)自動上傳PC 機(jī)，開發(fā)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)裝備的信息化管理。

1 采集系統(tǒng)分析

壓制去污作業(yè)車，主要由承載底盤、在線混合系統(tǒng)、動力輸送系統(tǒng)、均勻布灑系統(tǒng)、循環(huán)供料系統(tǒng)、主控系統(tǒng)等部分組成。為保障裝備的良好性能，提高裝備的作業(yè)能力，實(shí)現(xiàn)對裝備的科學(xué)管控、智能預(yù)警、故障分析預(yù)測、以及為裝備定期維護(hù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，需采集該裝備的參數(shù)很多，主要包括：

（1）裝備動用信息的采集；

（2）發(fā)電機(jī)的工作性能，即發(fā)電機(jī)的工作小時、電壓和電流；

（3）噴灑工藝過程監(jiān)控，即液壓罐和清洗罐的液位；

（4）在線混合器的使用次數(shù)；

（5）均勻布灑器的使用次數(shù)；

（6）螺桿泵的流量和壓力；

（7）控制系統(tǒng)的使用時間；

（8）電動球閥的使用次數(shù)以及車速傳感器的使用次數(shù)。

根據(jù)所使用的傳感器輸出信號和其他各類數(shù)據(jù)采集的方法，將本系統(tǒng)需要采集的信號分類，如表1所列。

表1 信號分類表

根據(jù)采集信號的分類，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信號采集器框架圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，均采用模塊化設(shè)計(jì)方法。

硬件主要包括CPU 模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、采樣數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊、電源模塊、預(yù)警模塊和鍵盤模塊。

CPU 模塊是32 位微處理器STM32F103 處理器。

A/D 轉(zhuǎn)換模塊由片內(nèi)集成了高性能A/D 轉(zhuǎn)換器的專用微處理器及外圍電路組成，根據(jù)主控制器的指令，完成對相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)存儲模塊由 FM25CL04 存儲器和AT26DF321 存儲器組成，用于實(shí)時保存采集到的數(shù)據(jù)信息。

無線通信模塊由CC2500 以及收發(fā)天線組成。

電源模塊由專用電源管理芯片組成。

預(yù)警模塊由預(yù)警電路和語音模塊組成。

鍵盤模塊由3×8 觸摸式鍵盤及鍵盤管理芯片組成，完成用戶指令的錄入功能負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的電源管理。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

軟件主要針對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括模擬信號采集模塊、開關(guān)量采集模塊和累計(jì)工作時間采集模塊這3 部分的軟件程序設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM 32F103 單片機(jī)介紹

STM32 包括兩個完整的系列[4]：STM32F101 是基本型系列，工作在36 MHz；STM32F103 是增強(qiáng)型系列，工作在72 MHz，帶有片內(nèi)RAM和豐富的外設(shè)。

STM32F103 的主要構(gòu)成包括[5~6]：

（1）嵌入Flash 和SDRAM 的ARM Cortex-M3 32比特RISC 內(nèi)核。

（2）嵌入式的Flash 存儲器。32 字節(jié)的存儲器可以有效地存儲程序和數(shù)據(jù)。

（3）內(nèi)部和外部中斷控制器。

（4）DMA。靈活的7 路DMA，可以處理存儲器之間和存儲器與外圍之間的轉(zhuǎn)換，每一路通過軟件觸發(fā)來用于硬件的DMA 請求。

（5）具有日歷功能的RTC 時鐘。

（6）串行線和JATG 調(diào)試接口（SWJ-DP）。

（7）看門狗定時器。

結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要綜合考慮選用此款芯片作為本系統(tǒng)的核心芯片。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要使用直流電源電壓有24 V、12 V、5 V、3.3 V。比如CAT809S、AT26DF321、FM25CL04 等芯片，需要3.3 V 電源電壓；壓力、流量、電流、電壓信號調(diào)理電路需要12 V 電源電壓；發(fā)動機(jī)、電控系統(tǒng)工作時間的測量，調(diào)理電路需要24 V 和3.3 V 電源電壓；螺桿泵工作時間的測量，調(diào)理電路需要5 V 和3.3 V 的電源電壓。

采用電壓轉(zhuǎn)換芯片AP1509，可將24 V 電壓轉(zhuǎn)換為12 V，或5 V 電壓。經(jīng)過REG1117-3.3 芯片，可將5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 電壓，如圖3 所示為采集器部分電源原理圖。

圖3 電源電路原理圖

3.3 儲存模塊設(shè)計(jì)

本采集器所設(shè)計(jì)的存儲模塊，選用了FM25CL04存儲器和AT26DF321 存儲器。兩者的讀取和擦除方式和速度不同；再者，就是兩者的價格差異比較大；綜合考慮將兩者組合使用，可以實(shí)現(xiàn)高效、高性能、高性價比的存儲功能。

電路圖如圖4 中WP 為寫保護(hù)，SCK、SI 和SO分別為串行時鐘、串行數(shù)據(jù)輸入、串行數(shù)據(jù)輸出。

圖4 數(shù)據(jù)采集鐵電存儲電路圖

FLASH 存儲電路圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集FLASH 存儲電路圖

3.4 A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由于需要采集的模擬量較多，綜合考慮應(yīng)用MAX1270 芯片。MAX1270 芯片是MAX 公司生產(chǎn)的8 通道的12 位串行A/D 轉(zhuǎn)換芯片[7~8]，可以采用內(nèi)部或外部電壓參考，具有4個軟件可編程的輸入范圍。模擬輸入通道共有8個，最大的采樣率可以高達(dá)110 kbps，采樣時鐘內(nèi)部或外部可選。本例中僅用到了MAX1270 的部分功能，設(shè)計(jì)的具體電路如圖6 所示。

圖6 MAX1270 設(shè)計(jì)原理圖

3.5 模擬量信號調(diào)理電路

本系統(tǒng)中壓力、流量、電流、電壓傳感器輸出的電流信號，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前要進(jìn)行電流/電壓變換，保證信號的滿載電壓值在模數(shù)轉(zhuǎn)換允許的范圍之內(nèi)。按照本系統(tǒng)所選的A/D 轉(zhuǎn)換器MAX1270 的輸入要求，通過使用信號調(diào)節(jié)電路如圖7 所示，將輸入的信號變換為0～5 V 的電壓信號，同時完成低通抗混疊濾波，選擇通道和信號的隔離。

圖7 壓力信號調(diào)理電路

3.6 開關(guān)量信號調(diào)理電路

本系統(tǒng)需測量的發(fā)動機(jī)工作小時、A 泵、電控系統(tǒng)、B 泵工作時間等，為開關(guān)信號，其都有電機(jī)或車載蓄電池供電。因此，對它們的檢測，可以通過檢測發(fā)電機(jī)或蓄電池開關(guān)次數(shù)，或工作時間來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖8 為發(fā)電機(jī)（G）、混合器電動機(jī)(M1)、均勻布灑器電動機(jī)(M2)工作時間測量接線示意圖。

圖8 開關(guān)量采集輸入接線示意圖

以測試發(fā)電機(jī)工作時間為例，按照本系統(tǒng)所選的A/D 轉(zhuǎn)換器MAX1270 的輸入要求，需要將外部輸入信號轉(zhuǎn)換為處理器能夠接收的邏輯信號。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖9 所示。

圖9 發(fā)電機(jī)工作時間測量調(diào)理電路

用兩條電線（G_L、G_N）將發(fā)電機(jī)內(nèi)部電路電源正負(fù)極接到外圍，利用電阻、整流橋和電容，將240 V的交流高電壓轉(zhuǎn)換成一定的直流低電壓，再接入光耦，進(jìn)行光電隔離后，接入到單片機(jī)電路中。當(dāng)電機(jī)開關(guān)閉合，電機(jī)開始工作，經(jīng)過如下電路的轉(zhuǎn)換，光耦輸出端，也就是與單片機(jī)相連的MORTOR_T 端口，就接收到一個高電平信號，單片機(jī)利用內(nèi)部定時器開始計(jì)時；一直到電機(jī)開關(guān)斷開，電機(jī)停止工作，該端口出現(xiàn)低電平，則單片機(jī)定時器停止計(jì)時。單片機(jī)計(jì)時前后的時間差，即為電機(jī)本次工作的時間。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序主要包括4個模塊設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、控制模塊和信息處理終端的設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，首先要獲得所要的配置信息，根據(jù)配置信息對所需采集的模擬信號、開關(guān)量信號以及工作時間信號等進(jìn)行采集、存儲傳輸給雙向端口RAM。數(shù)據(jù)采集模塊流程圖見圖10 所示。

圖10 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

程序初始化時，先對STM32F103 的端口進(jìn)行配置，因內(nèi)部有交叉開關(guān)，通過交叉開關(guān)對端口與內(nèi)部的模塊進(jìn)行配置；各接收串口初始化為接受中斷允許，使串口通過中斷來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。STM32F103 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，須確定采集的模擬通道數(shù)及所采集的通道號，這些配置數(shù)據(jù)由ARM 提前寫入雙端口的最后8個字節(jié)中。

4.1 模擬信號采集模塊的軟件程序設(shè)計(jì)

在讀取STM32F103 處理器讀取AD 信號過程中，要求200 ms 的間隔讀取AD 的值，并讀取多次取其平均值，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。模擬信號的采集程序流程圖如圖11 所示。

圖11 模擬采集模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2 開關(guān)量采集模塊的軟件程序設(shè)計(jì)

開關(guān)量采集模塊在系統(tǒng)復(fù)位或上電后，先對STM32F103 進(jìn)行初始化，將通訊模塊設(shè)置好。采集模塊在初始化T0、T1 之前，先要讀取上次掉電或復(fù)位前的計(jì)數(shù)數(shù)值，在系統(tǒng)掉電或復(fù)位前，系統(tǒng)將采集到的計(jì)數(shù)值存儲在STM32F103 內(nèi)，以免采集的數(shù)據(jù)丟失。

T0、T1 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，都存放在STM32F103的內(nèi)存中。計(jì)數(shù)過程只要有STM32F103 中斷，則停止計(jì)數(shù)。先處理中斷后，再開始計(jì)數(shù)。開關(guān)量采集模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖12 所示。

圖12 開關(guān)量采集模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.3 累加工作時間采集模塊軟件程序設(shè)計(jì)

累加工作時間的基本原理如下（以發(fā)動機(jī)工作時間采集為例）：

當(dāng)發(fā)動機(jī)通電后，發(fā)動機(jī)電壓信號經(jīng)光電耦合，產(chǎn)生高電頻，發(fā)動機(jī)被視為進(jìn)入工作狀態(tài)，該時刻的時間記為起始時間；當(dāng)發(fā)動機(jī)斷電時，產(chǎn)生低電頻，發(fā)動機(jī)被視為停止工作，該時刻的時間記為結(jié)束時間。讀取FLASH 中存儲的以前的累計(jì)工作時間，然后加本次的工作時間得出車輛的累加工作時間。程序框圖如圖13 所示。

圖13 累計(jì)工作時間采集模塊軟件設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語

STM32F103 芯片具有突出的處理器性能、優(yōu)異的適應(yīng)性和很低的功耗，同時其內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換器，具有豐富的通信接口?；赟TM32F103 的去污噴灑作業(yè)車裝備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，給部隊(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集帶來方便的同時，降低了成本和功耗，提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和精度。同時大大加強(qiáng)了工作的靈活性和響應(yīng)速度，提高部隊(duì)裝備管理自動化水平，較好地解決了裝備信息采集的問題。

[1]王慶海.液壓挖掘機(jī)故障診斷系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與推理方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[2]劉大生.工程機(jī)械工況參數(shù)監(jiān)測及故障報警系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2000．

[3]周曉飛.工程兵數(shù)字化車場關(guān)鍵技術(shù)[D].南京：解放軍理工大學(xué)，2010．

[4]任志偉.共軌柴油機(jī)ECU 模擬系統(tǒng)通信組件的研發(fā)及其應(yīng)用[D].吉林：吉林大學(xué)，2009．

[5]Texas Instrument s.STM32F104 Datasheet[R].2007.

[6]劉 濤. 基于CAN 總線的溫度控制系統(tǒng)研究[D]．南京：南京理工大學(xué)，2010．

[7]劉 朋，王衛(wèi)紅．串行A/D、D/A 與TMS320C6713 的接口設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(7)：88-90．

[8] MAXIM. Multirange, +5V, 8-Channel, Serial 12-Bit ADCs.MAX1270/1271 DATASHEET[D].2004.