一種潛標實時采集嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)

田炳麗　胡坤　王肖闖

摘要：實時潛標目前是研究的熱點之一?；诘凸囊?，提出采用ARM STM32F103、Max3221和LT8610芯片來完成硬件的CPU、串口和電源芯片的選型;用上位機喚醒下位機的方式，完成ADCP數(shù)據(jù)的傳輸。該潛標實時采集嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到實際的海洋潛標中，獲得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：實時潛標;STM32F103;Max3221;LT8610

0 引言

海洋潛標是觀測海洋參數(shù)最重要的平臺之一，其中觀測的主要參數(shù)是流速流向，使用的傳感器是多普勒流速儀ADCP。大多數(shù)潛標系統(tǒng)是自容系統(tǒng)，非實時系統(tǒng)，也就是說潛標布放后，傳感器自動采集數(shù)據(jù)保留在存儲卡中，需要等回收后再人工把數(shù)據(jù)從傳感器存儲卡中下載下來。這類潛標系統(tǒng)無法把數(shù)據(jù)實時傳輸回來，數(shù)據(jù)失去了時效性，無法為預(yù)測預(yù)報服務(wù)。因此，提出一種潛標實時系統(tǒng)，可以實時采集數(shù)據(jù)，然后通過表面浮標，把數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站。本文設(shè)計了一種潛標實時采集的嵌入式系統(tǒng)，并用ARM STM32F103芯片實現(xiàn)[1-3]。

1 系統(tǒng)原理

潛標實時系統(tǒng)主要包括海表面浮標子系統(tǒng)和水下的潛標子系統(tǒng)，其中浮標子系統(tǒng)包括上位機、通信模塊、浮標體等，潛標子系統(tǒng)包括下位機、ADCP、潛標浮球等。

ADCP每小時采集一次海流剖面數(shù)據(jù)，并且通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機。下位機收到一定數(shù)量的ADCP數(shù)據(jù)后，保存在存儲卡中，等待上位機要數(shù)據(jù)。上位機每3 h通過串口向下位機要數(shù)據(jù)，要到數(shù)據(jù)后，通過通信模塊把數(shù)據(jù)從浮標端發(fā)送給岸站中心，供客戶使用。實時潛標具體如圖1所示。

2 硬件設(shè)計及選型

考慮到水下潛標系統(tǒng)目前設(shè)計是電池供電，且ADCP數(shù)據(jù)量較大，因此低功耗和數(shù)據(jù)存儲是需要考慮的重點。

2.1 ? ?CPU選型

適用于本項目的CPU系統(tǒng)，需要具有足夠大的RAM存儲區(qū)，可以作為讀取的ADCP數(shù)據(jù)的緩存;要有方便實用的SD卡接口方案，可以快速上手并能保證可靠性;要有串行口喚醒和時鐘喚醒功能，具有多種低功耗工作模式。經(jīng)綜合比對，CPU選擇STM32F103，STM32F系列由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，屬于32位ARM微控制器，它的內(nèi)核是Cortex-M3。

芯片集成CAN、ADC、SPI、I2C、USB、定時器、UART等多種功能，具有MCS51、AVR、PIC等系列單片機無法比擬的優(yōu)勢。

2.2 ? ?RS-232電平變換電路選型

根據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，除有CPU外，還需擴展兩個標準RS-232作為輸入輸出接口，由于系統(tǒng)需要支持串口喚醒功能，232電平轉(zhuǎn)換芯片需要總是處于偵聽狀態(tài)，其偵聽狀態(tài)功耗在系統(tǒng)中顯得非常重要，因而232電平轉(zhuǎn)換芯片的選型十分重要。經(jīng)與市面上常見的多種232電平轉(zhuǎn)換芯片對比，最終選擇Max3221芯片作為232電平轉(zhuǎn)換芯片。

Max3221是Maxim公司研制的RS-232收發(fā)器，具有自動關(guān)閉特征并實現(xiàn)1 μA維持工作電流。為了達到節(jié)能的目的，當(dāng)Max3221輸入端沒有接收有效信號電平時，芯片電源和驅(qū)動器自動關(guān)閉。Max3221芯片由一個高效、雙電荷泵的電源供電，實現(xiàn)單路3～5.5 V電源的RS-232性能。Max3221在3.3 V工作時只需外接0.1 μF電容，而且在3～5.5 V輸入電壓范圍內(nèi)均可工作，可應(yīng)用于RS-232串行接口的單路3.3 V和5.0 V混合系統(tǒng)、單路5.0 V系統(tǒng)、3.3 V系統(tǒng)。其管腳圖如圖2所示，管腳功能如表1所示。

2.3 ? ?電源管理芯片的選型

為使電路的功耗指標達到要求并盡可能降低，對系統(tǒng)的電源管理電路的靜態(tài)功耗也提出了較高要求。經(jīng)過仔細對比多種常見的電源管理芯片，結(jié)合實際設(shè)計選擇了LT8610。

LT8610在無負載備用情況下，突發(fā)模式（Burst Mode）工作可保持靜態(tài)電流低于2.5 μA，同時其同步整流可提供高達96%的效率。

LT8610的16引線耐熱增強型MSOP封裝和高開關(guān)頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，從而能構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。LT8610采用內(nèi)部上管和下管高效率電源開關(guān)，在單芯片中集成了必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發(fā)模式工作在低輸出電流時保持了高效率，同時保持輸出紋波低于10 mVpp。LT8610還有其他特點，包括過熱保護、輸出軟啟動/跟蹤、電源良好標記、內(nèi)部補償功能。圖3所示為LT8610典型的應(yīng)用電路。

3 軟件設(shè)計

標記：浮標CPU為上控A0，潛標CPU為下控A2。

3.1 ? ?上控與下控通信過程

上控與下控的通信過程如表2所示。

3.2 ? ?命令及數(shù)據(jù)包格式

下控接收到的命令如表3所示。

下控向上控發(fā)送的命令如表4所示。

以D2 33 33 33 31 38 30 33 31 35 38 37 36 30…為例，數(shù)據(jù)包如表5所示。

系統(tǒng)通信及程序運行流程如圖4所示。

4 結(jié)語

基于ARM STM32F103芯片設(shè)計了一款低功耗的潛標實時采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對ADCP的實時采集，下位機通過串口把ADCP數(shù)據(jù)上傳到上位機，上位機通過通信系統(tǒng)把ADCP的數(shù)據(jù)發(fā)送給岸站。此系統(tǒng)經(jīng)過海試，效果良好。

[參考文獻]

[1] 毛祖松.海洋潛標技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].海洋測繪，2001，21（4）：57-58.

[2] 趙忠生，袁志偉，黃磊，等.深海潛標ADCP的實時數(shù)據(jù)傳輸[J].海洋科學(xué)，2012，36（8）：94-97.

[3] 海重.新型實時傳輸潛標系統(tǒng)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2006（1）：17.

收稿日期：2021-01-28

作者簡介：田炳麗（1976—），女，山東高密人，碩士，講師，主要從事自動化控制、數(shù)字信號處理方面的研究工作。