基于STM32的新一代遙測(cè)終端機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵燦輝，倪維東，伏懷文

（1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司，南京210032）

由于水文要素的測(cè)量大量用到了翻斗式雨量計(jì)、格雷碼浮子式水位計(jì)、通訊型雷達(dá)水位計(jì)、模擬量輸出壓力式水位計(jì)、氣泡式水位計(jì)等水文儀器，這就要求遙測(cè)終端機(jī)能夠適應(yīng)各種傳感器測(cè)量的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，并將所測(cè)量的水文數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS 透?jìng)鳌⒈倍范虉?bào)文、短波電臺(tái)等無(wú)線手段上傳到水情監(jiān)測(cè)中心站，這就對(duì)MCU 芯片的運(yùn)算速度、外圍接口豐富程度、穩(wěn)定性提出了相當(dāng)高的要求。此次設(shè)計(jì)的遙測(cè)終端機(jī)選用了STM32F091 作為裝置的MCU 芯片，其擁有Cotex-M0 核，高達(dá)48 MHz 的運(yùn)算速度，256 M 的FLASH，以及8 個(gè)硬件串口，完全滿足RTU的功能需求[1]。同時(shí)采用了16 位的采樣芯片ADS1115完成了多路4～20 mA 電流和0～20 V 電壓的實(shí)時(shí)測(cè)量，保證了其測(cè)量精度符合水文規(guī)范要求。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大量應(yīng)用于水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)之中，可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)距離來(lái)設(shè)置參數(shù)和數(shù)據(jù)讀取等功能就顯得十分必要，新一代的RTU 選用了低功耗藍(lán)牙模塊，可以滿足300 m 內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，減少了工程維護(hù)人員的工作量。新一代RTU 的測(cè)量口和通信口都設(shè)計(jì)了先進(jìn)的防雷電路，大大減少了裝置由于雷擊而損壞的幾率，能夠使裝置持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。本文還介紹了雙信道數(shù)據(jù)傳輸和SDI-12 總線讀取數(shù)據(jù)時(shí)的工作機(jī)制。

1 遙測(cè)終端機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

如圖1 所示為新一代遙測(cè)終端機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖， 本裝置選用的主處理芯片為ST 公司最新的低功耗芯片STM32F091VCT6。由于其具有較多的IO口、硬件串口和低功耗特性，使其能更好地兼容更多類型的水文儀表[2-3]。本裝置與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)選用2 種方式，即通過(guò)RS232 口外接無(wú)線GPRS、北斗模塊，兩種方式互為冗余確保水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)能更好收到偏遠(yuǎn)地區(qū)的水文數(shù)據(jù)。

圖1 裝置硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of RTU

1.1 電源回路

新一代RTU 使用的MCU 工作電平為3.3 V，考慮用到了SDI-12 總線通信和繼電器開(kāi)出功能，需要提供5 V 電平， 而太陽(yáng)能充電鉛酸蓄電池輸出電平為9 V～17 V，需要DC/DC 或者LDO 芯片將12 V 電壓轉(zhuǎn)換成5 V 和3.3 V。由于RTU 靜態(tài)功耗要小于3 mA/12 V，所以要求電源芯片轉(zhuǎn)換效率高，輸入電壓范圍寬。如圖2 所示，選用了兩片MIC5236 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)工作電平的輸出，芯片U1輸出3.3 V，芯片U2輸出5 V。使用了一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Q1和雙向瞬態(tài)抑制管TVS1來(lái)防止電源接反，當(dāng)電源反接時(shí)Q1和TVS1均不導(dǎo)通，對(duì)RTU 形成了雙重有效的保護(hù)。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Power conversion circuit

1.2 SDI-12 總線電路

隨著水文領(lǐng)域智能傳感器的發(fā)展，采用SDI-12總線標(biāo)準(zhǔn)的傳感器將是主流，能夠接入SDI-12 總線的水文傳感器對(duì)RTU 顯得十分重要[4]。SDI-12 總線與RTU 之間由三根線連接，分別是12 V 電源線、5 V數(shù)據(jù)線、GND 線。如圖3 所示，與經(jīng)典的SDI-12 通信電路相比此電路利用MCU 自帶的UART 口、SN74LVC1G240 反向芯片、MOS 管Q6組成。因?yàn)榭偩€波特率是1200 Baud，傳統(tǒng)經(jīng)典電路可以利用I/O進(jìn)行模擬輸出和讀取， 但沒(méi)有具備中斷功能的UART 口響應(yīng)速度快。利用SN74LVC1G240 對(duì)輸出TX 信號(hào)進(jìn)行反向升壓，并且利用氣體放電管Q20對(duì)信號(hào)線進(jìn)行防雷保護(hù)。利用U11芯片的DIR 管腳控制數(shù)據(jù)方向，當(dāng)收到信號(hào)時(shí)，Q6導(dǎo)通，MCU 將通過(guò)中斷接收SDI-12 總線上數(shù)據(jù)。當(dāng)讀取傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，需要向傳感器提供12 V 電源，MUC 的普通I/O 口控制Q7的導(dǎo)通，進(jìn)而控制Q14輸出12 V，Q14是負(fù)載能力高達(dá)3 A 的MOS 管， 并且利用F18可變電阻對(duì)RTU 進(jìn)行一個(gè)限流保護(hù)。

圖3 SDI-12 總線通信Fig.3 SDI-12 bus communication circuit

1.3 AD 采樣電路

在水文要素采集的過(guò)程中，有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)是通過(guò)電壓電流的形式被RTU 讀取的，所以RTU必須具備對(duì)4～20 mA 電流和0～20 V 電壓采樣的能力。常見(jiàn)的壓力式水位計(jì)經(jīng)常放置于河道之中，受雷電影響比較嚴(yán)重，由于接入到RTU 之中，容易導(dǎo)致RTU 損壞。本RTU 創(chuàng)造性的利用繼電器隔離原理來(lái)防止雷電對(duì)RTU 的影響。如圖4 所示，由于RTU模擬量測(cè)量通道較多， 僅以測(cè)量電流信號(hào)量為例。當(dāng)無(wú)需測(cè)量時(shí)， 外部信號(hào)接入繼電器的空觸點(diǎn)，沒(méi)有與RTU 內(nèi)部電路相連，雷電并不會(huì)損壞裝置。當(dāng)需要讀取電流信號(hào)時(shí)，MCU 通過(guò)普通I/O 口控制Q4讓繼電器的線圈導(dǎo)通，讓外部信號(hào)線接入到A/D 采樣電路之中，整個(gè)采樣過(guò)程不超過(guò)100 ms，被雷擊可能性大為降低，提高了RTU 和傳感器生存能力。

圖4 繼電器隔離電路Fig.4 Circuit of relay isolation

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量高精度和高分辨率，在該測(cè)量系統(tǒng)中選取性價(jià)比高的ADS1115，16 位高精度采樣芯片，通過(guò)IIC 異步串口與STM32F091 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。ADS1115 芯片不僅具有很高采樣精度，還可以提供穩(wěn)定的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。由于ADS1115 芯片還具有內(nèi)部的信號(hào)放大功能，在信號(hào)測(cè)量電路中省略了信號(hào)放大電路，避免了不必要的因信號(hào)放大而產(chǎn)生的信號(hào)諧波。如圖5 所示，R31和R43的電阻值分別為950 kΩ 和50 kΩ，R32為100 Ω 的高精度電阻。電流或電壓信號(hào)均可以接入此電路，當(dāng)接入0～20 V電壓時(shí)，通過(guò)R31和R43來(lái)進(jìn)行分壓。如接入4～20 mA電流信號(hào)時(shí)，則電流接近全部流過(guò)R32，R32兩端電壓就等于R31和R43的兩端電壓。通過(guò)此電路測(cè)量的數(shù)據(jù)精度全量程均在1‰以上，并且十分穩(wěn)定。

圖5 A/D 采樣電路Fig.5 Circuit of A/D sampling

1.4 藍(lán)牙無(wú)線模塊電路

當(dāng)裝置初始出廠調(diào)試和工程人員巡檢遙測(cè)站點(diǎn)時(shí)， 可以利用手機(jī)APP 藍(lán)牙連接功能與RTU 中的藍(lán)牙模塊進(jìn)行程序下載和參數(shù)設(shè)置。RTU 自帶的藍(lán)牙無(wú)線模塊可以讀取現(xiàn)地水文數(shù)據(jù)并記錄存儲(chǔ)。本裝置使用的是低功耗藍(lán)牙模塊，具備無(wú)通信時(shí)休眠功能， 支持空中升級(jí)固件和配置遠(yuǎn)程模塊信息。無(wú)需接線測(cè)量，方便了工程人員讀取數(shù)據(jù)，特別是當(dāng)遙測(cè)站點(diǎn)在工程人員不容易到達(dá)的地方時(shí)，無(wú)線讀取數(shù)據(jù)顯得尤為重要[5]。如圖6 所示為藍(lán)牙無(wú)線模塊電路， 只需要通過(guò)串口與其通信數(shù)據(jù)即可，節(jié)省了底層硬件驅(qū)動(dòng)的編寫。

圖6 藍(lán)牙無(wú)線模塊電路Fig.6 Bluetooth wireless module circuit

2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

水情遙測(cè)站點(diǎn)一般建設(shè)在人煙稀少之地，手機(jī)信號(hào)不理想。隨著我國(guó)手機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)覆蓋面的擴(kuò)大和資費(fèi)的降低， 無(wú)線主通道主流選用的是GPRS 傳輸。而無(wú)線備用信道選用的是民用北斗短報(bào)文通信。

隨著北斗定位系統(tǒng)的建設(shè)完成，其定位信號(hào)已經(jīng)覆蓋全球。民用北斗最小發(fā)送間隔為1 min，而無(wú)回復(fù)發(fā)送成功標(biāo)志。由于北斗是直接與衛(wèi)星進(jìn)行通信的，其待機(jī)和發(fā)送功率比較大，在蓄電池供電的系統(tǒng)中，一般讓其作為備用信道，并且在不通信時(shí)給其斷電。如圖7 所示為以GPRS 為主信道北斗為備用信道的通信流程[6]。由于GPRS 通信間隔時(shí)間短，功耗不大，可以用作主信道，長(zhǎng)供電，讓其隨時(shí)具備接受上位機(jī)指令的能力，當(dāng)事件觸發(fā)RTU 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先是GPRS 發(fā)送，如果發(fā)送失敗延時(shí)一段時(shí)間后再發(fā)送一次，確保GPRS 發(fā)送的成功率。如果確實(shí)無(wú)回復(fù)信息，就啟動(dòng)北斗，而北斗只需延長(zhǎng)幾秒鐘等待北斗模塊發(fā)送流程完成，無(wú)需判斷上位機(jī)是否收到數(shù)據(jù)。

圖7 主備通信流程圖Fig.7 Flow chart of serial communication

3 結(jié)語(yǔ)

新一代遙測(cè)終端機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)讀取和存儲(chǔ)，并且由于其體積的減小、重量的減輕、藍(lán)牙無(wú)線功能的增加，降低了工程人員的維護(hù)工作負(fù)荷。其自身所帶的多串口和SDI-12 總線功能更加提高了裝置的兼容性，體現(xiàn)了裝置以好用為本的宗旨。該裝置充分利用了STM32 芯片強(qiáng)大的處理能力和豐富的片外資源，完成了數(shù)據(jù)的測(cè)量、通信、裝置的低功耗， 實(shí)現(xiàn)了電池待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)工作穩(wěn)定。該裝置已經(jīng)在金沙江上游水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，其超低的功耗、高低溫適應(yīng)性、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性得到了業(yè)主單位的認(rèn)可。