基于STM32和LabVIEW的發(fā)射動力學參數(shù)采集系統(tǒng)設計

邵煥杰，夏 靜

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京210094）

基于STM32和LabVIEW的發(fā)射動力學參數(shù)采集系統(tǒng)設計

邵煥杰，夏 靜

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京210094）

為能夠實現(xiàn)多通道、高速、高精度地采集火箭武器試驗時的發(fā)射動力學參數(shù)，設計一種基于STM32和LabVIEW的16位精度、8通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集卡采用16位無丟失碼（NMC）高精度性能采樣速率達到500ksps的ADS8332逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉換器（ADC）。選用STM32作為主控制器，使采集卡具有高穩(wěn)定性，高速采集處理的性能。以LabVIEW作為上位機開發(fā)應用平臺，進行實時觀測、處理、分析，STM32通過USB實現(xiàn)上位機的聯(lián)系。

STM32；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW；實時觀察

發(fā)射系統(tǒng)動力學規(guī)律決定了火箭武器發(fā)射系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，發(fā)射動力學作為研究武器系統(tǒng)發(fā)射過程中受力和運動規(guī)律的綜合學科，被廣泛運用于提高發(fā)射精度、穩(wěn)定性和安全性研究[1]，基于測試系統(tǒng)對發(fā)射動力學參數(shù)的采集分析對發(fā)射系統(tǒng)的改進優(yōu)化具有重要意義。發(fā)射動力參數(shù)采集主要是針對火箭武器發(fā)動機噴射出的燃氣流作用在炮筒和發(fā)射車相關位置上，產(chǎn)生的壓力、應力、振動（加速度）等參數(shù)[2]。傳統(tǒng)使用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集卡，雖然采集精度高，處理速度快，但價格昂貴，受設備的約束性比較強，采集通道擴充性較為局限，便攜性較差。文中采用以STM32為核心實現(xiàn)發(fā)射動力學參數(shù)的高精度調理、高速多通道采集、大容量存儲和實時觀測等功能，采用C語言編寫下位機數(shù)據(jù)采集電路程序和信號調零程序，通過USB與LabVIEW進行數(shù)據(jù)信號傳輸。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要采用ST公司的微控制器 STM32F103RC，AD公司的AD8221放大器，軌至軌運放OPA365、TI公司的高精度的 A/D轉換器件 ADS8332和 NI公司的LabVIEW軟件相結合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于需滿足多通道，測試多參數(shù)的需求，A/D轉換采集控制核心單元與信號調理單元，分為兩個模塊。

圖1 硬件結構框圖

1.1 信號調理模塊

一般傳感器輸出的電壓信號特別小，基本是mV級的。就壓力采集信號調理電路，采用壓阻式傳感器，滿量程輸出信號范圍在70～350 mV之間。傳感器信號采用巴特沃斯低通濾波，截止頻率約在1 kHz，濾波后送入儀用放大器AD8221進行放大，AD8221是通過引腳1、8間跨接電阻R來實現(xiàn)控制放大增益[3]，關系如式（1）。

信號調理模塊電路中添加STM32F103RC微控制器，芯片通過A/D采樣信號，D/A輸出模擬電壓到AD8221的REF引腳實現(xiàn)傳感器的調零，輸出電壓公式如式（2）。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

1.2.1 STM32F103RC控制硬件

本系統(tǒng)采用 ST （意法半導體）公司生產(chǎn)的STM32F103RC作為控制核心。STM32F103RC基于Cortex-M3內核，擁有48 kB SRAM、256 kB FLASH。外圍接口豐富，有3個SPI，5個串口，1個USB，1個can接口[4]，完全滿足設計要求又方便后續(xù)升級。

STM32F103RC作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，與ADS8332通過SPI2實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，與SD卡通過SPI1實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，與上位機通過USB實現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)采集模塊供電方法有USB連接供電和鋰電池供電。將鋰電池采用電阻分壓，通過A/D轉換，設計一個簡單的電源監(jiān)測，以防止在無上位機情況下的采集突然掉電，在低于一定值時采集卡上會有LED0燈上電發(fā)光。ADS8332采集基準電壓供電主要由 STM32DAC輸出模擬電壓并通過運放ADOP07CH放大去耦來實現(xiàn)，可以根據(jù)信號調理模塊信號電壓輸入范圍對AD8332基準電壓進行調準，以期達到得到更好的精度。本系統(tǒng)中，STM32外接8 MHz時鐘，經(jīng)過內部PLL倍頻至72 MHz[5]。

1.2.2 OPA365和ADS8332硬件接口

OPA365是德州儀器（TI）推出的一款零交越、單輸入級的軌至軌運算放大器，具有超低失真，極低噪聲以及50 MHz的增益帶寬，應用于便攜式儀表，數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)和音頻中[6]。設定最大信號電壓幅值，使流入AD的電壓在規(guī)定范圍，充當電壓追隨器，以期能來保護ADS8332。在每個輸入口前采用RC濾波電路，其結構簡單、成本低[7]，可用來濾除運放產(chǎn)生的噪聲，接法如圖2所示。

圖2 OPA365及RC電路

1.2.3 ADS8332與STM32F103RC硬件接口

ADS8332是一個低耗能，靈活電壓輸入，最高采樣率達到500ksps的16位AD轉換器，支持單極8通道輸入[8]。通過SPI與STM32F103RC進行通信。如圖3，ADS8332 IN0～IN7是輸入通道，SDO為SPI輸出通道，SDI為SPI輸入通道，分別與STM32的SPI2 MISO，SPI2 MOSI相連。在轉換過程中需要IN輸入端和COM輸入端與其他內部功能斷開連接，輸入范圍應在規(guī)定范圍內。采用STM32通過SPI SCLK提供的外部時鐘，在串行時鐘SCLK的上升沿觸發(fā)內部時鐘CCLK，且CCLK的頻率為SPI SCLK時鐘頻率的一半。電源外接去耦電容保證電壓供應穩(wěn)定。CS為控制片選信號，EOC/CDI為中斷結束轉換端口，CONVST為開始轉換控制端口，分別與STM32 PB1，PB2，PB3相連。通過STM32控制片選信號，轉換端口來實現(xiàn)控制字的寫入和數(shù)據(jù)的讀取。

圖3 ADS8332接線圖

1.2.4 STM32和SD卡硬件設計

采集卡載有標準的SD卡接口，來擴大容量存儲設備，存儲大量測試數(shù)據(jù)，防止丟失。SD卡與STM32進行SPI通信，接口為SPI1，SD_CS接到PA3上。

1.2.5 STM32和USB硬件設計

STM32的USB模塊是一個支持USB2.0的全速設備，USB+、USB-分別與STM32的PA11 PA12相連，由于采用的是USB轉串口技術，PC機上需安裝STM32虛擬串口驅動程序[9]。

2 系統(tǒng)的軟件設計

2.1 信號調理模塊調零程序設計

STM32F103RC采用MDK作為開發(fā)環(huán)境。信號調理模塊程序主要是STM32調零程序，板子上電后，傳感器輸出信號經(jīng)過濾波、放大，傳入到STM32的ADC模塊進行轉換，將轉換的數(shù)值與程序設定的值進行比較后，進行相應的增減，DAC輸出后，再次采集，循環(huán)以上步驟，直至調零至一允許的范圍，板子上LED亮起，表示可以開始數(shù)據(jù)采集。傳感器在受到溫度、濕度等影響后，會有少許變化，因此可以根據(jù)具體實驗環(huán)境，調整內部設置值，來保證調零精度。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊程序設計

系統(tǒng)采集軟件由主程序和子程序組成，主要包括ADS8332采集程序、SD卡存儲程序、DAC1基準電壓控制程序、ADC1鋰電池電源監(jiān)測程序和USB與LabVIEW的通信程序。結構框圖如圖4所示。

圖4 軟件設計流程框圖

在STM32軟件設計中包含對ADS8332的初始化，程序控制字的寫入。SD卡和ADS8332采用SPI接口，程序會對于SPI1和SPI2進行初始化。與ADS8332通信的SPI2配置程序如下：

ADS8332初始化先發(fā)送0xC000讀取CFR配置，然后寫入0xECFF配置CFR寄存器，前四位1110表示寫入控制字，控制模式為選用外部SCLK，自動輪轉通道采樣模式，轉換在EOC上升沿后3個CCLK自動觸發(fā)，選定ADS8332引腳9輸出信號為EOC（結束轉換信號），配置輸出帶有3位TAG（標志位）用作通道識別。ADS8332發(fā)送接收程序如下：

SD卡保存數(shù)據(jù)過程，接收到數(shù)據(jù)先暫存至STM32片內開辟的BUFFER0區(qū)間，寫滿后轉存BUFFER1，同時將BUFFER0的數(shù)據(jù)寫入SD卡后清空，依次循環(huán)。在SD卡中移植入FATFS文件管理系統(tǒng)，操作系統(tǒng)中組織、存儲以及命令文件的結構是文件系統(tǒng)。移植開源代碼FATFS，采用FAT32格式實現(xiàn)SD卡文件管理。在使用FATFS時，必須先用過函數(shù)f_mount注冊工作區(qū)，來開始后續(xù)的API使用[10]。以此實現(xiàn)STM32能直接創(chuàng)建，和數(shù)據(jù)寫入文件，方便查閱和保存，主要用到以下函數(shù)。

ADS8332的基準電壓設置，依照信號調理電路輸出信號電壓范圍來選擇合適的基準電壓，來提高轉換精度，通過上位機傳送值來設定DA輸出電壓大小。

在信號調理模塊上電調零完畢后，程序中設計了3種開啟采集方式。

1）運用LabVIEW上位機發(fā)送開始啟動、結束采集命令。

2）在USB未連接的情況下，通過采集板的開關進行開始采樣，并設置LED1閃爍表示正在采集，自動保存入SD卡中。

3）在火箭武器發(fā)射炮筒后蓋放置易熔斷銅絲，一端接地，一端接連同電源的大電阻，STM32 PC11端口設置推挽輸入。在點火后，尾流迅速燃斷銅絲，STM32 PC11獲得高電平，程序進入點火觸發(fā)采集程序，數(shù)據(jù)保存處理可以按照上面兩種方式?？赏ㄟ^上位機選擇來實現(xiàn)該種開始采集方式。

3 LabVIEW上位機軟件編程

本課題采用了LabVIEW2012作為上位機軟件開發(fā)平臺，裝載STM32虛擬串口驅動程序，使得上下位機實現(xiàn)通信連接。LabVIEW是美國國家儀器（Nation Instrument）公司開發(fā)的一款基于圖形化編程語言G語言（graphicas language）的虛擬軟件開發(fā)工具，利用LabVIEW可以很容易的生成一款虛擬儀器系統(tǒng)[12]。主要包括前面板和程序框圖兩個部分。前面板主要是圖形化顯示界面，實現(xiàn)輸入測試參數(shù)，控制采集等功能，后面板是模塊連接圖，為實現(xiàn)前面板的功能進行編程[13]。

3.1 前面板的設計

前面板的設計主要包括采集數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲、采集卡電池電壓的顯示、AD基準電壓的控制輸入和開始采集方式的選擇。如圖5所示，測試結果的實時顯示主要包括X軸（時間）的實時顯示區(qū)間，波形圖內顯示的通道數(shù)，以及控制某一個或某幾個通道的顯示，并能通過通道指示燈查看通道工作情況。

圖5 前面板設計

3.2 程序框圖設計

主要包括采集開始前的串口搜索，配置，采集主程序以及數(shù)據(jù)處理3個部分，來實現(xiàn)上位機主要功能。

3.2.1 采集前串口配置

通過VISA查找資源，得出資源列表，通過配置VISA串口，VISA寫入向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。如果下位機STM32接收到數(shù)據(jù)，發(fā)送返回數(shù)據(jù)，上位機VISA讀取如果與預定值相同則表明串口配置連接成功，得到串口名稱，與下位機STM32取得聯(lián)系[14]。

3.2.2 采集主程序

類似于串口配置，通過將“VISA讀取.vi”置于while循環(huán)當中，讀取串口發(fā)送的程序。按下停止采集鍵，串口向STM32發(fā)送結束指令，STM32拉高片選，結束采集，VISA關閉。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理程序

在LabVIEW中實現(xiàn)實時觀測需將 “VISA讀取. vi”放入while循環(huán)中，并設置讀取的字節(jié)數(shù)為3，前兩個為數(shù)據(jù)位，最后一個包含通道位和采集卡的電壓。STM32發(fā)送過來的是字符串，需要轉換成數(shù)值，才能在波形圖表上顯示以及存儲。

通過“截取字符串.vi”函數(shù)將串口接收到的數(shù)據(jù)中的通道位和數(shù)據(jù)位分開。通過 “字符串至字節(jié)數(shù)組.vi”、“索引數(shù)組.vi”、“將十六進制轉換為字符串. vi”等將Hex string轉變ASCII string，“十六進制字符串至數(shù)值轉換.vi”將采集到通道數(shù)據(jù)[15-17]，通道標號和采集卡電壓讀取出來。通道數(shù)據(jù)通過 “替換數(shù)組.vi”，將其保存到相應的通道數(shù)組中，通過波形圖表顯示實時曲線，并保存。

4 結束語

文中介紹一種可用于火箭武器發(fā)射動力學參數(shù)采集的測試系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了信號的精密調理和調零，采用STM32和ADS833實現(xiàn)了八通道、高精度、高速采集。結合SD卡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的大量存儲。以LabVIEW為上位機，具有實時觀察，發(fā)送指令和數(shù)據(jù)存儲等功能，具有較好的運用價值。

[1]藍仁恩，王雷.某車載導彈發(fā)射動力學參數(shù)化仿真設計[J].戰(zhàn)術導彈技術，2015，5:97-100.

[2]芮筱亭.多體系統(tǒng)發(fā)射動力學[M].北京:國防工業(yè)出版社，1995.

[3]王永明，李平，陳景光，等.高精度儀表放大器AD8221增益控制的設計[J].工程與試驗，2012，52（4）:61-62.

[4]張河新，王曉輝，黃曉東.基于STM32和CAN總線的智能數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計[J].化工自動化及儀表，2008，39（1）:78-80.

[5]張勇，董浩斌.基于STM32和LabVIEW的地震數(shù)據(jù)采集卡的設計 [J].電子技術應用，2012，38（10）: 72-74.

[6]張齊，王超.可用于片上集成的絕對值電路[J].電子器件，2008，31（4）:1144-1147.

[7]趙亮，劉先勇，袁長迎，等.微弱信號調理電路的設計及研究[J].西南科技大學學報，2010，25（1）:74-76.

[8]李大鵬.基于STM32的16位多通道生理信號采集系統(tǒng)的設計[D].山東:山東師范大學，2014.

[9]韋力明.基于USB通信設備類的虛擬串口研究與設計[D].西安:西安電子科技大學，2012.

[10]徐建功，趙捷，李偉.基于STM32F103XX微處理器的Micro SD卡讀寫 [J].現(xiàn)代電子技術，2010，33（20）:26-28.

[11]常霞，馬建偉.基于STM32的列車空氣動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2011，4:45-48.

[12]雷振山.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[13]豈興明，田京京.LABVIEW入門與實戰(zhàn)開發(fā)100例[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[14]黃豐磊，盧海峰，朱浩然.基于STM32與LabVIEW的電參數(shù)測量系統(tǒng)設計[J].電器與能效管理技術，2014，15:37-39.

[15]齊攀，李瑩.基于STM32和LabVIEW的虛擬數(shù)字電壓表設計與實現(xiàn)[J].有線電視技術，2012，6:84-87.

[16]孟祥君,季知祥,楊祎.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺及其關鍵技術研究[J].供用電，2015（8）：19-24.

[17]劉勇,閆魯杰.基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)的工業(yè)能源管理系統(tǒng) [J].供用電，2014（12）：28-32.

The design of launch dynamics parameter acquisition card based on STM32 and LabVIEW

SHAO Huan-jie，XIA Jing
（Mechanical Engineering School，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

To realize the acquisition of launch dynamics parameters with high speed，high precision when testing rocket weapon，making effort to design a 16 bits，8 channels data acquisition system based on STM32 and LabVIEW.Acquisition card uses a 16 bits No Missing Codes（NMC），Successive Approximation Register（SAR）analog-to-digital called ADS8332 with speed up to 500ksps.Choosing STM32 as the main controller makes the acquisition card with high stability，and high collection speed. Selecting LabVIEW as PC application development platform，realize the real-time observation，process and analysis by the connection of USB.

STM32；data acquisition；LabVIEW；real-time observation

TN06

：A

：1674-6236（2017）02-0185-05

2016-01-20稿件編號：201601173

邵煥杰（1992—），男，江蘇常熟人，碩士研究生。研究方向：固體火箭發(fā)動機測試。