基于STM32控制器的地層應力檢測裝置研究①

高兵權 孫志海 湯麗 肖學福

(1.總后軍事交通運輸研究所，天津 300161;2.華北科技學院科技管理處，北京東燕郊 101601)

基于STM32控制器的地層應力檢測裝置研究①

高兵權1②孫志海2湯麗1肖學福1

(1.總后軍事交通運輸研究所，天津 300161;2.華北科技學院科技管理處，北京東燕郊 101601)

針對地層應力測量過程中注水壓力實時檢測的需求，基于STM32高性能微控制器，本文研究設計了數據采集、存儲和上傳的嵌入式控制系統，該方案具有簡潔、高效、實用的特點，在實際應用中能夠有效滿足設計需求。

地層壓力;測量;數據采集;STM32

0 引言

地層應力是評價地層結構的關鍵參數，依據測量基本原理不同，地應力測量可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法包括偏千斤頂法、水壓致裂法、剛性包體應力計法等，由于水壓致裂法具有能測量較深處的絕對應力狀態，無需了解和測定巖石的彈性模量等有點，應用廣泛。水壓致裂法測量地應力，需要在壓裂段安裝壓力檢測裝置，實時采集水壓變化數值。通常情況下，一個鉆孔需要采集多個深度點的數據，測量完成后對數據進行分析和處理。

針對以上需求，本文設計了基于STM32F101V8嵌入式控制器為核心，具備壓力傳感器數據采集、大容量數據存儲、USB數據導出、電池供電、LCD顯示和鍵盤接口控制的便攜式鉆井用數據采集裝置。裝置整體集成為一體式的模塊結構，下井前通過鍵盤和LCD顯示設置系統工作參數，主要包括存儲器初始化、采集時間間隔設定，開始采集時間點設定等。設置完成后，關閉LCD以節能，連接壓力傳感器，裝置放入密封金屬管，金屬管串連在鉆頭后，通過多節鉆桿送入井下。在水壓致裂過程中，傳感器實時采集鉆孔壓力，記入大容量Flash存儲器。測量完成后，從井下取出數據采集裝置，使用U盤連接數據采集裝置的USB接口，將壓力歷史數據導入移動存儲器，形成文件，由上位計算機軟件做進一步的數據讀取、整理、分析及研究利用。

1 系統設計

該數據采集存儲裝置硬件系統共包括五部分：單片機最小系統、壓力傳感與處理模塊、顯示與控制人機接口模塊、數據存儲模塊、數據導出模塊和供電模塊，如圖1所示。

圖1 信號采集和處理的工作原理圖

1.1 STM32F101V8處理器介紹

STM32F101系列控制器由意法半導體公司(ST)推出，使用高性能的ARM Cortex－M3 32位的RISC內核，最大工作頻率為36 MHz，內置高速存儲器(高達512K字節的Flash和48K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口。STM32F101xx基本型系列工作于－40℃至+105℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求［1］。該設計選用STM32F101V8處理器主要考慮其高速可靠、資源豐富、工作溫度寬和供電電壓寬、功耗低、性價比高的特點，尤其是其內部集成AD轉換器和溫度傳感器，12位AD轉換精度，1μs轉換時間。

1.2 供電處理電路

數據采集裝置工作過程中需要兩種電壓供給，一種是壓力傳感器需要+5 V供電，且需要關斷功能，可在不采集數據的情況下節電;二是STM32控制器、存儲器、LCD及USB接口模塊工作需要+3.3V工作電壓。考慮裝置在1000m井下使用，采用了電池供電的方式。裝置設計了具備防震功能的兩節五號電池盒結構，在設計過程中，曾考慮設計集成充電電池，但裝置使用場合不能保證隨時能夠電池充電，電池盒則可以解決這個問題，平時可使用充電電池，急時使用干電池。電池有效工作電壓輸入范圍VIN為2.2V～3.2V (干電池)或2 V～2.6 V(充電電池)，經過篩選，選用ST公司的同步升壓轉換器L6920D作為供電芯片，主要理由如下：

1)L6920D輸出電壓三種格式固定3.3V、固定5V或者2V～5V可調輸出，使用兩片L6920D，輸出3.3V和5V兩種固定電壓，分別為控制系統和傳感器獨立供電，3.3V輸出的供電電路如圖2所示，5V輸出電路類似;

2)L6920D輸入電壓范圍：0.6 V～5.5 V，啟動輸入電壓最低1V，非常適合電池供電場合;

3)L6920D關斷電流0.1μA，相當于零關斷，對于節能控制非常有利，根據需要隨時關斷傳感器供電，壓力傳感器供電要求5 V，15 mA，電能消耗很大;

4)根據L6920提供的曲線，兩節5電池串聯輸入的效率要高于并聯輸入，5 V輸出時，傳感器供電轉換效率接近90%;

5)L6920D帶有1.23 V的基準電壓輸出，可為傳感器模擬量ADC作獨立的電壓對照基準;

6)L6920D具備低電壓檢測，電池反接保護功能。

圖2 L6920電池供電電路

1.3 壓力傳感器及測量處理

壓力的測量選用精量電子公司的MSP300壓力傳感器，MSP300壓力傳感器適用于對氣壓、液壓的檢測，甚至較惡劣的介質環境，如污水、蒸汽、輕度腐蝕性液體和氣體。壓力腔采用17－4PH不銹鋼單件一體式結構加工而成。其標準壓力接口采用1/4NPT外螺紋接頭，因而可以保證較好的密封性能。MSP300的測量壓力根據需要選擇700Bar量程，對應0.5 V～4.5 V電壓輸出，+5 V供電。STM32F101控制器AD轉換為12位精度，理論上對應數字量范圍0～4096。ADC供電要求2.4V到3.6V，ADC輸入范圍：VREF－≤VIN≤VREF+，本系統供電電壓為3.3 V，故而ADC輸出信號量量程范圍0～3.3 V。將MSP300輸出信號使用電阻分壓，取R1=3.3kΩ，R2=1.2kΩ，故輸入單片機信號范圍0.37～3.3 V。分壓電阻要求選用溫度系統較好的金屬膜電阻。

圖3 充放電電流和AD數字量的曲線關系

出于縮小PCB體積和降低成本的考慮，選用48腳LQFP小封裝STM32F101控制器，沒有VREF+和VREF－，它們在內部分別被連接到ADC的供電電源(VDDA)和ADC的地(VSSA)，由于L6920供電芯片的電壓輸出范圍3.2V～3.4V，不能保證ADC精確計算的需求。針對這個問題，該裝置采用兩路AD對比計算的方法，獲取精確的MSP300輸出電壓，過程如下：

1)L6920電壓基準輸出典型值1.23 V，輸出電壓范圍：1.16V～1.29V。使用萬用表測量具體單個模塊L6920的基準電壓輸出值，記為Vref_ analog;

2)選通AD1通道，使用片內ADC，計算L6920電壓基準對應的數字量，記為Vref_digital。

3)選通AD0通道，計算MSP300壓力傳感器數字量，記為Press_digital。

在該裝置的調試過程中，曾嘗試使用STM32控制器的內部參考電壓，但這個參照電壓的典型值是1.20 V，最小值是1.16 V，最大值是1.24 V，外界不易直接測量，故而使用L6920的1.23 V電壓基準。

1.4 大容量數據存儲

該裝置使用Winbond公司SPI接口的W25X16Flash存儲器記錄壓力數據。裝置最高工作頻率每秒鐘采集10個壓力值，即20個BYTE的數據，則每小時數據量72，000 BYTE。W25X16容量為2M字節，能夠記錄29小時的連續記錄，高于一天24小時的指標要求。W25X16頁編程256字節所需時間小于2ms，高達10萬次擦除/寫入循環，20年數據保持能力。W25X16單供電，寬電壓：2.7V～3.6 V，5 mA操作電流，待機電流1μA，非常適合本系統電池供電使用，－40℃～+85℃工作溫度保障了室外全年使用的可能。另外，W25X16采用小體積SOIC8封裝，占用集成空間較少。

1.5 壓力數據U盤導出

數據導出采用USB接口，選用南京沁恒公司的U盤和SD卡文件管理控制芯片CH376。CH376支持1.5 Mbps低速和12 Mbps全速USB通訊，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要晶體和電容，支持USB－HOST主機接口和USB－DEVICE設備接口，支持動態切換主機方式與設備方式，內置了處理Mass－Storage海量存儲設備的專用通訊協議的固件，內置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系統的管理固件，支持常用的USB存儲設備。CH376提供文件管理功能、文件讀寫功能和磁盤管理功能，使用非常簡單。提供2 MB/ 24MHz速度的SPI設備接口，可方便地連接到STM32控制器的SPI串行總線。CH376支持5V、3.3V以及3V電源電壓，支持低功耗模式。該數據采集裝置PCB設計時，為減小元器件體積，采用MiniUSB接口，數據導出時，使用轉接線連接標準U盤，將W25X16中的數據以txt文件形式寫入U盤。

1.6 人機接口節能設計

該數據采集裝置采用LCD作為顯示方式，型號為TOPWAY公司的LMB081NDC。液晶顯示模塊主要功耗在于背光電流消耗，故在程序上在10秒內沒有按鍵觸發，將自動關閉背光。按鍵采用中斷程序，鍵盤IO接口使用內部上拉。

2 軟件編制

2.1 軟件系統基本概況

系統軟件的開發采用了ST公司針對STM32控制器的固件函數庫，主要功能模塊包括：初始化程序、人機接口程序、大容量數據存儲管理程序、壓力采集程序、USB數據導出管理程序、電源與節能管理程序以及硬件驅動(LCD、鍵盤、Flash等)。L6920電壓基準檢測和壓力傳感器AD轉換軟件設置及工作過程較為簡單。

1)配置模擬量輸入的GPIO口，只要GPIO配置為GPIO_Mode_AIN模式，即可以實現模擬量輸入，該設計中將PA0和PA1作為電壓基準和傳感器的ADC輸入端;

2)設置ADC，將ADC設置為連續轉換模式、右對齊、非外部觸發;

3)啟動ADC，開始采樣轉換和處理。

4)對比與參考電壓，計算得實際壓力電平值，進而推導出實際物流壓力數據。

2.2 軟件濾波措施

該應用中考慮壓力數據為變化較緩的信號，故軟件采取防脈沖干擾平均濾波算法。連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N－2個數據的算術平均值。通過實驗N取值5，即可達到滿意的效果。該算法能夠剔除偶然出現的脈沖性干擾，消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

3 系統低功耗設計措施

為降低系統工作功耗，延長工作時間，該設計采取了以下的節能措施。

3.1 控制器低功耗問題的考慮

為降低整體數據采集裝置的功耗，該設計采集了以下措施：一是STM32控制器在沒有檢測任務的時候，處于休眠狀態;二是根據具體需要，減小I/O端口的電流消耗，輸入端口配置為浮空輸入，未用的懸空端口配置為推挽輸出并輸出1;三是對于未用的內部外設，保持為關閉和默認的復位狀態，同時關閉對應的時鐘。

在以后的深入研究中，如期進一步降低控制器功耗，可以更換低功耗設計的處理器，如同是ST公司的32位Cortex－M3系列的低功耗版本處理器：STM32L151XX和STM32L152XX等，另外TI公司的MSP430系列處理器在節能方面表現非凡。

3.2 其它低功耗設計措施

除了控制器外，該裝置還采取了其它的一些降低低功耗措施。一是在壓力傳感器不工作的時候，關斷其+5V供電電源;二是液晶顯示器在10秒鐘內沒有按鍵觸發，關斷背光電流;三是W25X16 Flash存儲器沒有讀寫操作時，處于不選通狀態，即低功耗模式;四是對于CH376 USB控制芯片及時使用CMD_ENTER_SLEEP指令，使CH376芯片進入低功耗睡眠掛起狀態。進入低功耗狀態后，CH376芯片的時鐘停振，從而節約電能。

4 結論與展望

該控制系統設計達到了以下三點設計目標：一是該設計實現了井下壓力數據的實時采集、處理、存儲和導出，工作模式和狀態可以設置;二是功耗指標滿足兩節五號電池工作24小時的要求，壓力結果數據穩定、可靠;三是采樣頻率最高達到10Hz，兩節5號金霸王電池持續工作24小時，數據存儲量達到2M Bytes，能夠實時記錄。

需進一步改進之處在于考慮改用STM32F102系列控制器，使用控制器內部USB，省略CH376芯片的使用，進一步縮小控制板體積，降低系統整體功耗。

［1］李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008

［2］劉波文.ARM Cortex－M3應用開發實例詳解［M］.北京：電子工業出版社，2008

［3］南京沁恒電子有限公司.CH376手冊(一)

［4］STMicroelectronics.How to get the best ADC accuracy in STM32F10xxx devices V1.0.2008

［5］STMicroelectronics.L6920D：1V High Efficiency Synchronous Step Up Converter.2003，(05)

Research of Stress Measure Equipment Based on STM32 Controller

GAO Bingquan1，SUN Zhihai2，TANG Li1，XIAO Xuefu1
(1.Institute of Military Transportation，Tianjin300161; 2.Science and Technology Department of Administration，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

Aim at the need of water pressure real－time detection in the process of stress measurement，this paper designs a data collection，storage and upload embedded control system based on STM32 high performance micro－processor，the project is simple，practicable and dependability，to effectively meet the design requirements in practice.

Stress;Measure;Data Collection;STM32

TU413.3

A

1672－7169(2011)03－0031－04

2011－05－22

高兵權(1975－)，男，河北保定人，碩士，總后軍事交通運輸研究所工程師，研究方向：軍事裝備信息化。