基于stm32的無線收發(fā)系統(tǒng)

劉波

摘要：針對監(jiān)測控制系統(tǒng)中對前端參數(shù)采集部分的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)了基于STM32F030（采用ARMCORTEX-M0內(nèi)核）處理器的多參數(shù)采集單元，采集單元可完成溫濕度、氣壓等參數(shù)數(shù)據(jù)的采集和存儲并通過無線模塊NRF24L01實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā);單元配有按鍵及液晶顯示器，便于查看當(dāng)前參數(shù)數(shù)據(jù)。通過選取性價比高的數(shù)字傳感器簡化了電路結(jié)構(gòu)并降低硬件成本，通過合理的軟件程序設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。經(jīng)測試單元工作穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的采集傳輸?shù)裙δ?。同時，采集單元方便移植，可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，工業(yè)數(shù)據(jù)檢測，智能溫室等監(jiān)控系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：STM32處理器;數(shù)據(jù)采集;無線通信;低功耗

在現(xiàn)代監(jiān)測控制系統(tǒng)中，獲取前端參數(shù)數(shù)據(jù)至關(guān)重要，可以說參數(shù)采集是實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。在工業(yè)自動化控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)等眾多領(lǐng)域都離不開數(shù)據(jù)的采集和處理。本文設(shè)計(jì)了采用以32位處理器為核心的無線數(shù)據(jù)采集單元。選用ST公司的STM32F030處理器作為控制核心，單元集參數(shù)采集、數(shù)據(jù)存儲與顯示、無線轉(zhuǎn)發(fā)為一體，采用電池供電且具有低電壓告警功能。^[1]

1單元硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元的電路設(shè)計(jì)在滿足基本功能的基礎(chǔ)上按照低成本、低功耗的設(shè)計(jì)原則。在實(shí)際采集系統(tǒng)中，前端采集單元數(shù)量眾多，硬件設(shè)計(jì)應(yīng)盡量降低成本;另外，單元采用電池供電，為避免頻繁更換電池，單元電路功耗設(shè)計(jì)要盡量低，以延長電池的使用時間。單元整體結(jié)構(gòu)框如1所示。

1.1 處理器

單元選用ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32F030C8T6控制器作為處理器，STM32F030系列是意法半導(dǎo)體推出的超值系列32位微控制器，該系列芯片基于超低功耗的ARMCORTEX-M0處理器內(nèi)核，其價格與8位微控制器相當(dāng)，有豐富的外設(shè)數(shù)量和種類，內(nèi)核頻率高達(dá)48MHz。

STM32F030內(nèi)置高速12位ADC、先進(jìn)且靈活的定時器（支持ADC同步、死時管理和電機(jī)控制PWM時序功能）、溫度傳感器、日歷RTC和通信接口（如I2C、USART、SPI等）^[2]。因此，選用該處理器可以減少外圍元件的數(shù)目、提高電路性能、降低系統(tǒng)的成本。

設(shè)計(jì)中為了降低微處理器的功耗，可采用32.768kHz的晶體振蕩器作為時鐘，另外，STM32F030有3種低功耗模式，在完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，處理器進(jìn)入低功耗模式^[3]。

1.1傳感器

傳感器部分實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度及大氣壓的數(shù)據(jù)檢測，在具體應(yīng)用中可以更換傳感器類型實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)采集。

溫濕度傳感器：選用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。工作電壓3.3～5.5V，量程濕度20～90%RH，溫度0～5℃;濕度精度+-5%RH，溫度±2℃。DHT11與處理器之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和數(shù)據(jù)，傳送正確時校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位[3] 。氣壓傳感器：采用數(shù)字氣壓傳感器BMP085，BMP085是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器，絕對精度可達(dá)到0.03hPa，工作電壓為1.8～3.6V，且耗電極低，只有3μA;BMP085內(nèi)部由壓阻傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、和EEPROM與I2C接口控制單元組成。它采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，可以方便的與主設(shè)備（單片機(jī)）連接通信，其測壓范圍在300～1100hPa。本單元硬件設(shè)計(jì)中處理器使用硬件I2C接口與傳感器進(jìn)行通信。^[4]

1.2無線通信

采用低功耗、小體積的NRF24L01無線收發(fā)模塊，NRF24L01的工作頻段為2.4～2.5GHz，該頻段無需授權(quán)許可。芯片內(nèi)置了多個功能模塊，如功放模塊、晶振、頻率合成器等;可通過程序?qū)δK的工作頻道和輸出功率進(jìn)行配置?？赏ㄟ^配置命令設(shè)置模塊工作于掉電或空閑等模式，以降低系統(tǒng)的功耗。

1.3存儲單元

數(shù)據(jù)的存儲選用AT24C512，為Atmel公司生產(chǎn)的64kB串行電可擦的可編程存儲器（EEPROM）。AT24C512內(nèi)部共有512頁，每一頁有128個字節(jié)，任一單元的地址為16位，地址范圍為0000H～0FFFFH。它采用8引腳封裝，芯片引腳及應(yīng)用電路，芯片結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點(diǎn)，特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此在測控系統(tǒng)中被大量采用。^[5]

1.4鍵盤與液晶顯示

因采集單元所需按鍵較少，所以鍵盤部分采用獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的查詢功能;液晶顯示使用NOKIA5110單色點(diǎn)陣液晶模塊，模塊為84*48的點(diǎn)陣LCD，可顯示4行漢字，工作電壓3.3V，采用串行接口與處理器通信，支持多種串行通信協(xié)議，通信速率可高達(dá)4Mbps。

1.5電源模塊

單元采用3.7V鋰電池作為電源，經(jīng)過TPS62291DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊，將電壓降至3.3V為整個單元供電。TPS62291是TI的一款寬電壓輸入，固定電壓輸出的高效率降壓轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換效率在95%左右，最高輸出電流為1000mA。處理器內(nèi)置ADC對電池電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)電池電壓過低時，發(fā)送報警信號，以便及時更換電池。

2軟件設(shè)計(jì)

采集單元能量受限，處理器大部分時間處于睡眠模式，定時喚醒對參數(shù)進(jìn)行采集、存儲并轉(zhuǎn)發(fā)，為了降低處理器的功耗，對于閑置的IO端口設(shè)置成IPU/IPD模式。^[6]

軟件整體設(shè)計(jì)流程：上電后處理器進(jìn)行初始化自檢，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序并進(jìn)行顯示，無按鍵操作，關(guān)閉顯示并對外圍電路進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)入睡眠模式;若有按鍵操作或者是定時時間到可喚醒處理器去執(zhí)行相關(guān)程序;如：讀取鍵值，調(diào)用顯示程序，使能內(nèi)部ADC，配置無線模塊，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等;在完成當(dāng)前任務(wù)結(jié)束后，關(guān)閉內(nèi)部ADC，配置IO，設(shè)置無線模塊進(jìn)入偵聽模式，再次進(jìn)入低功耗模式。

若沒有按鍵操作，液晶顯示處于關(guān)閉狀態(tài)以降低單元功耗，若有按鍵操作，液晶顯示打開并顯示最近一次采集的參數(shù)值和當(dāng)前電池電壓情況。通過上下按鍵可查看參數(shù)得歷史數(shù)據(jù)，若長時間沒有按鍵操作，顯示器再次關(guān)閉。

3 結(jié)論

本采集單元可對參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、存儲和無線轉(zhuǎn)發(fā)，單元配有獨(dú)立按鍵和液晶顯示器，方便隨時查看當(dāng)前各參數(shù)值;存儲器中存放著本單元的ID號，用于區(qū)分不同的采集單元;處理器對外圍電路進(jìn)行合理配置后進(jìn)入睡眠模式有效降低了系統(tǒng)的功耗。采集單元按設(shè)定時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王朝陽，鄒存芝，金小雪，宋曉丹，趙雪松，孫通.基于STM32的無線脈搏檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（09）：91-92.

[3] 宋霞萍.基于STM32的小型智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2014.

[4] 許永通.基于si4432的高性能無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2014.

[5] 徐國平.智能感控視力保護(hù)儀的設(shè)計(jì)[D].華中師范大學(xué)，2013.

[6] 何哲.基于nRF24L01和STM32的無線文件收發(fā)系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動化，2011（04）：91-93.

（作者單位：德州聯(lián)合石油科技股份有限公司）