基于Cortex-M3的礦用便攜高速紅外數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

王希林，王曉榮，陸志峰，張 磊，陳 燕

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

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基于Cortex-M3的礦用便攜高速紅外數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

王希林，王曉榮，陸志峰，張 磊，陳 燕

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

設(shè)計(jì)了一種適合礦下工作人員維護(hù)煤礦生產(chǎn)在線監(jiān)測設(shè)備和采集數(shù)據(jù)的便攜式高速紅外數(shù)據(jù)采集器?；贑ortex-M3內(nèi)核的STM32F系列芯片，搭載TFDU4100紅外收發(fā)模塊，使用SD卡存儲大容量數(shù)據(jù)，并可通過USB接口將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。分別對紅外傳輸速度、誤碼率、存儲速度進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：該采集器傳輸速度快、準(zhǔn)確率高且存儲速度快，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

Cortex-M3；高速；紅外通信；TFDU4100；SD卡存儲

0 引言

目前在我國的煤礦行業(yè)，大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)完成或正在進(jìn)行煤炭安全監(jiān)控、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，這些系統(tǒng)的建立在實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的過程中起到了重要的作用[1]。數(shù)據(jù)采集是安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的測控電路發(fā)展為以微型計(jì)算機(jī)為核心、傳感器測量設(shè)備與接口電路為基礎(chǔ)的現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與測控系統(tǒng)，但也逐漸暴露出許多缺陷：煤礦工作環(huán)境惡劣，而微型計(jì)算機(jī)的防塵、防震等功能較差；體積大，不易攜帶和使用；要求的連續(xù)工作時(shí)間長[2]，維護(hù)困難；監(jiān)測方式固定，不靈活；擴(kuò)展性差，成本高等。

本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，使用STM32F系列芯片作為控制核心，不僅可以采集作業(yè)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，還能取代這些設(shè)備的外部按鈕現(xiàn)場調(diào)整其運(yùn)行參數(shù)。整個(gè)設(shè)備可單手操作，體積小巧，通過紅外線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需實(shí)體連接，接口完全電氣隔離，有利于防爆，安全可靠[3]，且紅外傳輸實(shí)現(xiàn)成本低，產(chǎn)品市場競爭力更強(qiáng)。采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)儲存在SD卡中，由采集人員帶回地面進(jìn)行匯總分析，以便進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的安全評估與規(guī)劃。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1．1 微處理器介紹

采用Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器 STM32F103RB作為數(shù)據(jù)采集與處理的控制核心，Cortex-M3 內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)針對于要求高性能、低功耗、性價(jià)比更高的應(yīng)用領(lǐng)域。該芯片工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，包括20 K片內(nèi)SRAM，128 K片內(nèi) FALSH，以及豐富的片上外設(shè)資源，簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

STM32F103RB芯片支持紅外IrDA1．0協(xié)議，輸出的波形能夠符合反相歸零調(diào)制方案(RZI)。其中IrDA SIR物理層在發(fā)送紅外信號時(shí)會對NRZ(非歸零)比特流進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號可以直接加載到40 kHz的載波上通過紅外線二極管發(fā)射出去；接收時(shí)對來自紅外接收器的歸零位比特流進(jìn)行解調(diào)，轉(zhuǎn)換成NRZ串行比特流輸出。這一功能集合在串口中，僅需完成一些紅外相關(guān)模式的配置，即可使用。

1．2 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)以STM32F103RB主芯片為核心，輔以液晶模塊、萬年歷、紅外通信、USB接口、鍵盤、SD卡存儲以及電量檢測等模塊構(gòu)成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。如圖1所示，薄膜鍵盤作為輸入，配合點(diǎn)陣屏圖形化的用戶界面實(shí)現(xiàn)了人機(jī)友好互動。串口與USB通信轉(zhuǎn)換的芯片可使裝置方便地與上位機(jī)以USB方式通信，適用于任何一臺計(jì)算機(jī)。電量檢測子系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)視設(shè)備的電池電量情況，在低電壓時(shí)提醒操作者更換電池。整個(gè)系統(tǒng)注重電源的供應(yīng)管理[4]，對各個(gè)模塊分開管理，必要時(shí)用MOS管關(guān)斷模塊的供電，節(jié)省能源。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 電源管理

整個(gè)手持設(shè)備中，主控芯片、時(shí)鐘芯片DS1302、顯示模塊都需要3．3 V供電，紅外收發(fā)器也可通過電阻配置成2．7 V的供電模式，而電池供電電壓為3．9～4．8 V，因此需要通過1206穩(wěn)壓至3．3 V。如圖2設(shè)計(jì)，產(chǎn)生3．3 V供電。當(dāng)設(shè)備通過USB連接上位機(jī)時(shí)，為節(jié)省電池用量可轉(zhuǎn)由USB的5 V供電。

圖2 電源管理電路

2．2 紅外通信模塊

TFDU4100紅外收發(fā)器是8腳貼片形式，如圖3所示。引腳Ired_AE和Ired_CE是紅外發(fā)射管的兩端，由外部電源對Ired_AE供電，模塊內(nèi)部根據(jù)串行數(shù)據(jù)控制Ired_CE端的輸出電位，從而讓發(fā)射管發(fā)送“0”或“1”。SC管腳連接內(nèi)部的比較電路，輸入高電平時(shí)降低紅外接收器的觸發(fā)閾值，使得靈敏度上升，有效傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)3 m，同時(shí)可有效減小礦下粉塵對傳輸信號的干擾。

圖3 紅外收發(fā)器的外圍電路

2．3 存儲和USB通信模塊

圖4 SD卡存儲電路

由于其大容量和可更換的特點(diǎn)，SD卡非常適合作為手持設(shè)備的存儲方式。因STM32F103RB芯片的限制，不支持SDIO模式，如圖4所示，存儲卡用五線制的SPI方式與單片機(jī)連接，分別用于片選、時(shí)鐘、指令、輸入和輸出。

CP2102是USB轉(zhuǎn)UART的單芯片橋接器，將串口信號轉(zhuǎn)換成USB信號，外圍電路如圖5所示。CP2102帶有虛擬COM口器件驅(qū)動程序，通過USB線連接電腦后自動安裝驅(qū)動可作為COM口使用。該芯片由連接線的+5 V供電，未連接時(shí)不工作，不消耗電池能源。

圖5 串口轉(zhuǎn)USB電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 紅外通信

由于使用了紅外收發(fā)模塊，在軟件系統(tǒng)初始化時(shí)，只需要將IO口配置成復(fù)用模式并初始化相應(yīng)USART參數(shù)即可。此處的波特率設(shè)為115 200 bit/s，無需硬件流控制，設(shè)置中斷為最高優(yōu)先級，同時(shí)用代碼開啟對應(yīng)的紅外正常工作模式。

收發(fā)數(shù)據(jù)與操作串口收發(fā)相同，即紅外收發(fā)也是利用串口通訊。發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的過程為：首先向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，然后等待發(fā)送標(biāo)志位完成后清除標(biāo)志位。紅外通信的數(shù)據(jù)幀格式為：功能碼2字節(jié)，數(shù)據(jù)碼6字節(jié)，校驗(yàn)碼2字節(jié)，因此每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)都需要裝填并發(fā)送10個(gè)字節(jié)。

接收到一幀數(shù)據(jù)后先檢驗(yàn)前兩字節(jié)是否相同，后兩字節(jié)是否相反。若前兩字節(jié)相同后兩字節(jié)相反則代表這一幀數(shù)據(jù)傳輸正確。利用此方法可初步校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

當(dāng)開啟紅外通信后，嘗試與對方設(shè)備進(jìn)行第一次握手，若有紅外回復(fù)響應(yīng)則發(fā)送詢問指令開始接收數(shù)據(jù)，否則重復(fù)嘗試。流程圖如圖6所示。

圖6 紅外通信流程圖

在傳輸過程中，如果發(fā)生意外中斷傳輸，則重新問詢數(shù)據(jù)，并從中斷處繼續(xù)，直至完成接收。當(dāng)系統(tǒng)接收到終止包時(shí)，停止接收并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，然后返回待機(jī)狀態(tài)，等待下一次的數(shù)據(jù)請求。

3．2 SD存儲卡

用SPI方式對SD卡進(jìn)行讀寫時(shí)，首先需要通過下列命令使SD卡進(jìn)入SPI模式：

(1)發(fā)送74個(gè)時(shí)鐘周期；

(2)發(fā)送復(fù)位命令CMD0；

(3)SD卡進(jìn)入SPI總線模式；

待SD卡進(jìn)入SPI總線模式后，通過下列操作來判斷存儲卡的類型：

(1)延時(shí)至少74 clock，等待SD卡內(nèi)部操作完成；

(2)CS低電平選中SD卡；

(3)發(fā)送CMD0，需要返回0x01，進(jìn)入Idle狀態(tài)；

(4)為了區(qū)別SD卡是2．0還是1．0，這里根據(jù)協(xié)議向上兼容的原理，首先發(fā)送只有SD2．0才有的命令CMD8，如果CMD8返回?zé)o錯(cuò)誤，則初步判斷為2．0卡；

(5)進(jìn)一步發(fā)送命令循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD41，直到返回0x00，確定SD2．0卡初始化成功，進(jìn)入Ready狀態(tài)，再發(fā)送CMD58命令來判斷是HCSD還是SCSD，到此SD2．0卡初始化成功；

(6)CS拉高。

成功判別存儲卡的類型后，才可以進(jìn)行讀寫操作，SD卡總體操作軟件流程圖如圖7所示。

圖7 SD卡讀寫流程圖

4 測試結(jié)果

4．1 紅外通信距離

使用另外一臺紅外發(fā)射裝置與本設(shè)備進(jìn)行紅外通信距離的測試，固定好兩者的距離，然后不斷調(diào)整波特率，找到穩(wěn)定工作的距離為試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 紅外傳輸距離測試結(jié)果

表1中，在115 200 bit/s波特率下的紅外穩(wěn)定傳輸距離在2．1 m左右，完全符合產(chǎn)品預(yù)期設(shè)計(jì)和礦下實(shí)際使用環(huán)境的要求。較高的波特率帶來的高速傳輸速度，也使井下采集數(shù)據(jù)耗時(shí)更短。

4．2 誤碼率

由于場地條件的限制，測試是在實(shí)驗(yàn)室日光燈下進(jìn)行的，環(huán)境光線對測試結(jié)果具有一定的干擾。礦下的實(shí)際環(huán)境有粉塵干擾，而使用距離要求在2 m以內(nèi)。結(jié)果如表2所示。測試元件為紅外收發(fā)元件TFDU4100，測試條件為仰角小于10 °，供電電壓為3.3 V，波特率為115 200 bit/s。

表2 紅外傳輸誤碼率測試結(jié)果

表2中，誤碼率是用連續(xù)傳輸?shù)炔顢?shù)列檢查是否匹配的方式進(jìn)行檢測的，測試數(shù)據(jù)誤碼率很小，在可接受范圍內(nèi)。使用過程中，即使偶爾出現(xiàn)了傳輸錯(cuò)誤也是可以通過重新問詢和斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)彌補(bǔ)。

4．3 SD卡存儲和讀取速度

在72 MHz主頻下，SPI采取二分頻，即其時(shí)鐘頻率可達(dá)到36 MHz。表3中的寫入速度是在開啟預(yù)擦除模式下連續(xù)寫入的測試結(jié)果。

表3 SD卡寫入與讀取速度測試結(jié)果

SD卡類型數(shù)據(jù)流方向平均速度/(KB·s-1)Transcend,v1.x,2GB寫入讀取217.4238.1SanDisk,v2.0SDHC,8GB,Class4寫入讀取227.3250.1

從表3中的測試數(shù)據(jù)可以看出，MCU采取SPI方式的讀寫速度也能達(dá)到便攜式設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸需求。

5 結(jié)束語

礦井巷道中的特殊環(huán)境限制了大功率高頻設(shè)備的使用，使得在短距離非接觸式交互中紅外通信相比其他通信方式更具優(yōu)勢。本產(chǎn)品利用STM32F系列芯片的高性能特性，設(shè)計(jì)開發(fā)了便攜式紅外數(shù)據(jù)采集器，相較于傳統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)在體積小巧、低功耗、安全可靠、存儲量大等方面有著顯著特點(diǎn)，測試項(xiàng)目均能得到滿意結(jié)果。實(shí)現(xiàn)了同類產(chǎn)品中所少有的高速數(shù)據(jù)傳輸，波特率達(dá)到115 200 bit/s,同時(shí)紅外通訊距離也取得了滿意的效果，達(dá)到了同類產(chǎn)品中較為先進(jìn)的水平，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 楊勇,卓東風(fēng),董增壽．嵌入式煤礦安全生產(chǎn)信息采集管理系統(tǒng)．山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2008(3):124-127．

[2] 程衛(wèi)東,齊偉．移動式礦用設(shè)備故障監(jiān)測診斷及信息管理．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,35(1):132-135．

[3] 黃智偉．STM32F 32位ARM微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐．北京:航空航天大學(xué)出版社,2012：79-287．

[4] 李若強(qiáng)．紅外線數(shù)據(jù)通信應(yīng)用．電力自動化裝置,2003,23(12):61-62．

[5] 喻金錢．STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用．北京:清華大學(xué)出版社,2011：63-142．

[6] 希勒(Shearer F)．移動設(shè)備的電源管理．黃小軍,譯．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009：159-164．

[7] 凌志浩,曲金鵬,吳勤勤，等．適用于儀器儀表通信的若干新技術(shù)．自動化儀表,2003,24(10):1-7．

[8] 許繼彥,杜欽生．紅外通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．長春大學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(10):49-51．

Design of Portable Mining High-Speed Data Collector by Infrared Based on Cortex-M3

WANG Xi-lin,WANG Xiao-rong,LU Zhi-feng,ZHANG Lei,CHEN Yan

(College of Automation and Electrical Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

A portable data collector by infrared for the maintenance of on-line monitoring equipment was designed．It was suitable for the workers under the mine．STM32F series chip was based on Cortex-M3 core with the infrared transceiver module of TFDU4100．It can store large amounts of data using SD card,and can also transmit the data to computers through the USB interface．Infrared transmission speed,bit error rate,and SD card read speed were tested．The results show that the collector is stable,reliable and it’s storage and transmission speed is high,thus showing it’s practical in use．

Cortex-M3;high-speed;infrared communication;TFDU4100;SD card storage

2014-03-13 收修改稿日期：2014-10-11

TH89

A

1002-1841(2015)03-0030-03

王希林(1989—)，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式與智能儀器開發(fā)。E-mail：hunxiyi@126．com 王曉榮(1972—)，副教授，主要研究方向?yàn)榉治鰞x器和嵌入式系統(tǒng)。E-mail:wang@njtech．edu．cn