基于雙微處理器的傳感器自動采集裝置設(shè)計與實現(xiàn)

周芳芳，毛索穎，黃躍文

(1.長江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010； 3.長江科學(xué)院 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

隨著堤壩、橋梁、建筑等工程監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，功能簡單、通道類型單一、自動化程度低的采集裝置已不能滿足工程監(jiān)測的系統(tǒng)需求，傳感器信號采集裝置開始向多樣化和智能化方向發(fā)展[1]。

當(dāng)前已安裝傳感器信號采集裝置的工程項目，現(xiàn)場人員仍然要對已埋設(shè)的傳感器進(jìn)行人工比測，為采集裝置提供數(shù)據(jù)對比及數(shù)據(jù)補充[2]，但現(xiàn)有的采集裝置大都不具有直接人工比測功能，現(xiàn)場人員需要經(jīng)過繁瑣的拆接線纜、手工記錄等方式，存在效率低、易出錯等問題。

本文設(shè)計的傳感器自動采集裝置具有2個獨立運行的微處理器，均采用基于ARM內(nèi)核的STM32F407VET6芯片[3]，第一微處理器集中控制傳感器的信號采集、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)傳輸，任意通道均可測量振弦式、差動電阻式、標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流、數(shù)字信號等類型的傳感器。第二微處理器在人工比測模塊中獨立運用，支持讀數(shù)儀數(shù)據(jù)接入、人工比測、數(shù)據(jù)實時比對及顯示。結(jié)合微處理器的嵌入式程序設(shè)計、采集電路的智能切換以及人工比測電路的設(shè)計，提高了硬件系統(tǒng)的集成度和智能化程度，實現(xiàn)同一裝置自動采集、存儲、傳輸及人工比測多路不同類型的傳感器信號。

圖1 數(shù)據(jù)采集裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Framework of the data acquisition device

2 具有人工比測功能的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的總體結(jié)構(gòu)

傳感器數(shù)據(jù)采集裝置為混合式測量，任意通道均可測量振弦式、差動電阻式、標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流、數(shù)字信號等類型的傳感器。第一微處理器通過控制切換電路實現(xiàn)繼電器的通斷，使傳感器信號接入對應(yīng)傳感器的采集電路，實現(xiàn)不同傳感器采集電路的分時復(fù)用，減少電路的冗余和重復(fù)。傳感器數(shù)據(jù)采集裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括第一微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器接口、電源模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通道切換模塊以及人工比測模塊，傳感器接口用于與振弦式傳感器、差阻式傳感器、電壓電流信號傳感器、數(shù)字信號傳感器連接。

數(shù)據(jù)存儲模塊包括EEPROM和CF卡。EEPROM用于存儲裝置的配置信息，CF卡用于存儲采集到的傳感器數(shù)據(jù)，并且可以掉電保存。通信模塊包括以太網(wǎng)通信單元、RS232通信單元、RS485通信單元及GPRS通信單元。通過通信模塊可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的有線或無線遠(yuǎn)距離傳輸[4]。

3 主要模塊設(shè)計

3.1 第一微處理器及嵌入式軟件設(shè)計

第一微處理器作為整個裝置的核心，實現(xiàn)裝置模塊間相互協(xié)作，采集通道、采集時間等參數(shù)的現(xiàn)場配置，以及采集數(shù)據(jù)自動測量等功能。選用的是32位的微處理器芯片STM32F407VET6，處理器是32位的RISC處理器[5]，提供超常的代碼效率，其單精度浮點運算單元加速軟件開發(fā)利用，支持多種語言工具，同時避免飽和[6]。微處理器為采集裝置提供了卓越的計算性能和先進(jìn)的響應(yīng)中斷的能力，同時具有成本低、引腳數(shù)目少、系統(tǒng)功耗低的優(yōu)點。如圖2所示，第一微處理器外圍包括實時時鐘、非易失性存儲器FLASH、溫濕度傳感器、通信接口等，用于實現(xiàn)裝置的自檢、測量與控制、被測數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通訊等，并通過與串口、以太網(wǎng)等通信接口的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)采集設(shè)備的遠(yuǎn)程配置及數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 第一微處理器外圍電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Peripheral circuit structure of the first microprocessor

第一微處理器是該裝置的處理核心，通過在微處理器中編寫嵌入式程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析功能、控制功能、數(shù)據(jù)采集功能及數(shù)據(jù)交互功能。數(shù)據(jù)分析功能主要是運行和維護(hù)軟件的數(shù)據(jù)更新、參數(shù)配置等；對采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行不同類型傳感信號的分類和組幀處理，并對接收的配置參數(shù)進(jìn)行解析，包括通道總數(shù)、通道類型、超時時間、通信方式、測量方式、定時測量時間等參數(shù)?？刂乒δ苤饕菍⒔邮盏呐渲脜?shù)轉(zhuǎn)換成邏輯指令及開關(guān)信號，對通道復(fù)用模塊進(jìn)行控制，且能產(chǎn)生特定的頻率信號作為振弦式信號采集單元的激振信號。

數(shù)據(jù)采集功能可以對采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，同時還可利用第一微處理器自帶的A/D采集器作為采集電路的備用電路。數(shù)據(jù)交互功能實現(xiàn)第一微處理器與外圍各模塊的數(shù)據(jù)交互，包括通信協(xié)議及驅(qū)動配置，主要與數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.2 人工比測功能的設(shè)計

人工比測模塊通過第二微處理器嵌入式程序的設(shè)計，實現(xiàn)在人工比測模塊中顯示、按鍵指令讀取、切換指令下達(dá)等功能。當(dāng)按鍵指令到達(dá)時，第二微處理器會把指令反饋給第一微處理器，第一微處理器會將傳感器輸入通道自動切換到需比測的通道，并把此時傳感器采集裝置的自動測量值及傳感器類型發(fā)送給第二微處理器，第二微處理器將得到值通過顯示模塊的液晶屏顯示出來；同時第二微處理器把傳感器的輸入通道自動切換到對應(yīng)類型的讀數(shù)儀通道；可實時對比液晶屏上顯示的自動測量值與讀數(shù)儀人工測值。

人工比測模塊包括第二微處理器、譯碼電路、繼電器驅(qū)動電路、繼電器通斷電路、隔離電路、按鍵及顯示電路，如圖3所示。

圖3 人工比測功能的電路結(jié)構(gòu)Fig.3 Circuit structure of manual comparative measurement function

人工比測模塊將第二微處理器輸出的指令經(jīng)過譯碼電路得到控制信號，一方面通過繼電器驅(qū)動電路控制繼電器通斷，使通道切換模塊輸出的傳感器信號經(jīng)繼電器通斷電路輸出到對應(yīng)的隔離電路及傳感器讀數(shù)儀；另一方面控制顯示電路，實現(xiàn)顯示選擇的傳感器編號、傳感器信號類型、傳感器的自動測量值。傳感器讀數(shù)儀包括差阻式讀數(shù)儀、振弦式讀數(shù)儀、電壓電流信號讀數(shù)儀、數(shù)字信號讀數(shù)儀。

第二微處理器是人工比測模塊的處理核心，通過在微處理器中編寫嵌入式程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析功能、控制功能、數(shù)據(jù)交互功能。數(shù)據(jù)分析功能，一方面，進(jìn)行按鍵防抖動識別后，對按鍵的電平數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；另一方面，可對交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析?？刂乒δ埽糜趯⒎治龊蟮闹噶顓?shù)轉(zhuǎn)換成邏輯指令及開關(guān)信號，對譯碼電路進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)交互功能，用于實現(xiàn)微處理器與外圍各模塊的通信協(xié)議，主要是與第一微處理器及顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.3 傳感器采集電路的設(shè)計

傳感器信號采集模塊，包括振弦式信號采集單元、差阻式信號采集單元、電壓信號采集單元、數(shù)字信號采集單元；其中差阻式信號采集單元可根據(jù)不同的接線方式采集差阻式傳感器、應(yīng)變計和溫度傳感器的信號[2]；電壓信號采集單元可根據(jù)不同的接線方式采集電壓類傳感器和電流量傳感器。

振弦式信號采集電路包括激振波功率放大電路、自振波電壓放大電路、濾波及整形電路，如圖4所示。第一微處理器產(chǎn)生一連串不同頻率的方波，經(jīng)過功率放大電路后，增加方波的輸出功率，確保能激振不同類型的振弦式傳感器。傳感器激振后產(chǎn)生的微弱的自振波形，通過兩級電壓放大后，經(jīng)過濾波電路濾掉高頻及低頻的雜波信號，再通過整形電路處理完負(fù)電壓波形后，輸入到微處理器進(jìn)行頻率捕獲處理。溫度采集電路，用于采集振弦式傳感器的溫度值。

圖4 振弦式傳感器采集電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure of signal acquisition by vibrating string sensor

圖5 差阻式傳感器采集電路結(jié)構(gòu)Fig.5 Circuit structure of signal acquisition by differential resistance sensor

差阻式信號采集通道可根據(jù)不同的接線方式采集差阻式傳感器、應(yīng)變計和溫度傳感器的信號[7]。差阻式信號采集電路包括A/D轉(zhuǎn)換電路、參考電壓切換電路和恒壓源電路，如圖5所示。圖5中恒壓源電路為A/D轉(zhuǎn)換電路和差阻式傳感器提供恒定的電壓；A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADI公司的AD7606，這款芯片是高性能的8通道16位采樣芯片，僅有100 mW的運行功耗和25 mW的待機(jī)功耗[8]，利用8通道并行的AD7606芯片可同時采集幾組電壓，這樣可避免非同步采樣帶來的誤差，也提高了信號的轉(zhuǎn)換效率；參考電壓切換電路通過切換A/D轉(zhuǎn)換電路的參考電壓值，提高A/D轉(zhuǎn)換芯片的電壓分辨率，進(jìn)而提高信號的采集精度。

電壓電流信號采集單元包括差分放大電路、電壓偏離電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路采用16位AD芯片對信號進(jìn)行采樣，提高采集精度。數(shù)字信號采集單元包括光耦隔離電路和電平信號轉(zhuǎn)換電路。

4 功能測試

本文研制的傳感器自動采集裝置，通過設(shè)計的調(diào)試軟件，可實時查看設(shè)備的基本信息、傳感器的接入類型及歷史數(shù)據(jù)。

將本文研制的采集裝置通過網(wǎng)口與調(diào)試軟件連接，通過輸入裝置的IP號就可以找到此裝置，出現(xiàn)如圖6所示的界面。圖6顯示的是采集裝置的“設(shè)備配置”界面，在此界面可查看傳感器自動采集裝置的設(shè)備編號、生產(chǎn)日期、開機(jī)次數(shù)、硬件版本號、軟件版本號、運行時間、通道總數(shù)等參數(shù)，查看或配置測試時間、每個通道接入的傳感器類型，也可以實時查看每個通道的實時數(shù)據(jù)。

圖6 調(diào)試軟件的設(shè)備配置界面Fig.6 Device configuration interface of debugging software

圖7 調(diào)試軟件的數(shù)據(jù)查看界面Fig.7 Data view interface of debugging software

圖7顯示的是采集裝置的“數(shù)據(jù)查看”界面，此界面顯示的是歷史數(shù)據(jù)，通道1為振弦傳感器，“通道1A”指的是頻率值，“通道1B”指的是溫度值，界面中顯示的是通道1連續(xù)5天定點8:30測試的歷史數(shù)據(jù)。經(jīng)測試，傳感器自動采集裝置可按照設(shè)計要求讀取不同通道的傳感器數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)正確。

5 結(jié) 語

本文研制出的具有人工比測功能的傳感器自動采集裝置中，2個處理器均采用STM32F407VET6處理器。第一微處理器集中控制傳感器的信號采集、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)傳輸，任意通道均可測量振弦式、差動電阻式、標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流、數(shù)字信號等類型的傳感器。第二微處理器在人工比測模塊中獨立運用，支持讀數(shù)儀數(shù)據(jù)接入、人工比測、數(shù)據(jù)實時比對及顯示。

傳感器自動采集裝置作為大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，可提高水利水電等安全監(jiān)測工程的技術(shù)和管理水平，完善現(xiàn)有的安全監(jiān)測系統(tǒng)。隨著工程安全監(jiān)測技術(shù)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)采集設(shè)備已無法有效滿足實際工程安全應(yīng)用需求。本文結(jié)合微處理器的嵌入式程序設(shè)計、采集電路的智能切換以及人工比測電路的設(shè)計，研制的采集裝置能夠自動采集多種類型的監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，硬件系統(tǒng)的集成度和智能化程度顯著提高，可適用于各類水利水電工程及巖土工程，解決了傳統(tǒng)設(shè)備采集形式單一、通道無法復(fù)用、無法人工比測、智能化程度低等問題。