基于STM 32F103裝備數據采集系統的設計

張蕉蕉，曹 森，郭堅毅，蘇國華

（1.解放軍理工大學，工程兵工程學院機械裝備試驗研究中心，江蘇 南京210007；2.解放軍南京軍區73602 部隊，江蘇 南京210007；3.解放軍北京軍區66114 部隊，北京 102407）

現役裝備的相關信息輸出，以指針式儀表為主，部分先進裝備僅具有簡單的電子監控和三級報警功能，信息化程度滯后于當前國內外先進的民用裝備水平[1~2]；隨著現行裝備越來越復雜，需要管理的信息隨之增加，對數據采集要求也越來越高；部隊裝備管理自動化水平處于較低狀態，日常管理工作大量依賴人工作業，依據傳統手動登記、逐個排查的方式，進行裝備數據的收集、記錄[3]；管理工作效率不高，無法及時獲知裝備的動用狀況、技術狀況以及狀態等信息，同時，勢必會耗費大量的人力、物力和財力，而且效率低下。

為改進這種現狀，本文以ARM 微處理器為核心，以壓制去污作業車為研究對象，研制裝備數據自動采集設備，實現裝備數據的自動采集，并能通過無線傳輸將采集的數據自動上傳PC 機，開發數據處理系統，將采集的數據進行分析處理，實現裝備的信息化管理。

1 采集系統分析

壓制去污作業車，主要由承載底盤、在線混合系統、動力輸送系統、均勻布灑系統、循環供料系統、主控系統等部分組成。為保障裝備的良好性能，提高裝備的作業能力，實現對裝備的科學管控、智能預警、故障分析預測、以及為裝備定期維護提供數據依據，需采集該裝備的參數很多，主要包括：

（1）裝備動用信息的采集；

（2）發電機的工作性能，即發電機的工作小時、電壓和電流；

（3）噴灑工藝過程監控，即液壓罐和清洗罐的液位；

（4）在線混合器的使用次數；

（5）均勻布灑器的使用次數；

（6）螺桿泵的流量和壓力；

（7）控制系統的使用時間；

（8）電動球閥的使用次數以及車速傳感器的使用次數。

根據所使用的傳感器輸出信號和其他各類數據采集的方法，將本系統需要采集的信號分類，如表1所列。

表1 信號分類表

根據采集信號的分類，設計系統的信號采集器框架圖如圖1 所示。

圖1 數據采集系統框圖

2 系統總體設計

系統設計包括硬件設計和軟件設計兩部分，均采用模塊化設計方法。

硬件主要包括CPU 模塊、A/D 轉換模塊、采樣數據存儲模塊、無線通信模塊、電源模塊、預警模塊和鍵盤模塊。

CPU 模塊是32 位微處理器STM32F103 處理器。

A/D 轉換模塊由片內集成了高性能A/D 轉換器的專用微處理器及外圍電路組成，根據主控制器的指令，完成對相應數據的采集。

數據存儲模塊由 FM25CL04 存儲器和AT26DF321 存儲器組成，用于實時保存采集到的數據信息。

無線通信模塊由CC2500 以及收發天線組成。

電源模塊由專用電源管理芯片組成。

預警模塊由預警電路和語音模塊組成。

鍵盤模塊由3×8 觸摸式鍵盤及鍵盤管理芯片組成，完成用戶指令的錄入功能負責整個系統的電源管理。

系統總體結構框圖如圖2 所示。

圖2 系統總體結構框圖

軟件主要針對數據采集進行設計，主要包括模擬信號采集模塊、開關量采集模塊和累計工作時間采集模塊這3 部分的軟件程序設計。

3 系統硬件設計

3.1 STM 32F103 單片機介紹

STM32 包括兩個完整的系列[4]：STM32F101 是基本型系列，工作在36 MHz；STM32F103 是增強型系列，工作在72 MHz，帶有片內RAM和豐富的外設。

STM32F103 的主要構成包括[5~6]：

（1）嵌入Flash 和SDRAM 的ARM Cortex-M3 32比特RISC 內核。

（2）嵌入式的Flash 存儲器。32 字節的存儲器可以有效地存儲程序和數據。

（3）內部和外部中斷控制器。

（4）DMA。靈活的7 路DMA，可以處理存儲器之間和存儲器與外圍之間的轉換，每一路通過軟件觸發來用于硬件的DMA 請求。

（5）具有日歷功能的RTC 時鐘。

（6）串行線和JATG 調試接口（SWJ-DP）。

（7）看門狗定時器。

結合系統設計，需要綜合考慮選用此款芯片作為本系統的核心芯片。

3.2 電源模塊設計

本系統需要使用直流電源電壓有24 V、12 V、5 V、3.3 V。比如CAT809S、AT26DF321、FM25CL04 等芯片，需要3.3 V 電源電壓；壓力、流量、電流、電壓信號調理電路需要12 V 電源電壓；發動機、電控系統工作時間的測量，調理電路需要24 V 和3.3 V 電源電壓；螺桿泵工作時間的測量，調理電路需要5 V 和3.3 V 的電源電壓。

采用電壓轉換芯片AP1509，可將24 V 電壓轉換為12 V，或5 V 電壓。經過REG1117-3.3 芯片，可將5 V 電壓轉換成3.3 V 電壓，如圖3 所示為采集器部分電源原理圖。

圖3 電源電路原理圖

3.3 儲存模塊設計

本采集器所設計的存儲模塊，選用了FM25CL04存儲器和AT26DF321 存儲器。兩者的讀取和擦除方式和速度不同；再者，就是兩者的價格差異比較大；綜合考慮將兩者組合使用，可以實現高效、高性能、高性價比的存儲功能。

電路圖如圖4 中WP 為寫保護，SCK、SI 和SO分別為串行時鐘、串行數據輸入、串行數據輸出。

圖4 數據采集鐵電存儲電路圖

FLASH 存儲電路圖如圖5 所示。

圖5 數據采集FLASH 存儲電路圖

3.4 A/D 轉換模塊設計

本系統由于需要采集的模擬量較多，綜合考慮應用MAX1270 芯片。MAX1270 芯片是MAX 公司生產的8 通道的12 位串行A/D 轉換芯片[7~8]，可以采用內部或外部電壓參考，具有4個軟件可編程的輸入范圍。模擬輸入通道共有8個，最大的采樣率可以高達110 kbps，采樣時鐘內部或外部可選。本例中僅用到了MAX1270 的部分功能，設計的具體電路如圖6 所示。

圖6 MAX1270 設計原理圖

3.5 模擬量信號調理電路

本系統中壓力、流量、電流、電壓傳感器輸出的電流信號，進行模數轉換前要進行電流/電壓變換，保證信號的滿載電壓值在模數轉換允許的范圍之內。按照本系統所選的A/D 轉換器MAX1270 的輸入要求，通過使用信號調節電路如圖7 所示，將輸入的信號變換為0～5 V 的電壓信號，同時完成低通抗混疊濾波，選擇通道和信號的隔離。

圖7 壓力信號調理電路

3.6 開關量信號調理電路

本系統需測量的發動機工作小時、A 泵、電控系統、B 泵工作時間等，為開關信號，其都有電機或車載蓄電池供電。因此，對它們的檢測，可以通過檢測發電機或蓄電池開關次數，或工作時間來進行轉換。圖8 為發電機（G）、混合器電動機(M1)、均勻布灑器電動機(M2)工作時間測量接線示意圖。

圖8 開關量采集輸入接線示意圖

以測試發電機工作時間為例，按照本系統所選的A/D 轉換器MAX1270 的輸入要求，需要將外部輸入信號轉換為處理器能夠接收的邏輯信號。具體電路實現如圖9 所示。

圖9 發電機工作時間測量調理電路

用兩條電線（G_L、G_N）將發電機內部電路電源正負極接到外圍，利用電阻、整流橋和電容，將240 V的交流高電壓轉換成一定的直流低電壓，再接入光耦，進行光電隔離后，接入到單片機電路中。當電機開關閉合，電機開始工作，經過如下電路的轉換，光耦輸出端，也就是與單片機相連的MORTOR_T 端口，就接收到一個高電平信號，單片機利用內部定時器開始計時；一直到電機開關斷開，電機停止工作，該端口出現低電平，則單片機定時器停止計時。單片機計時前后的時間差，即為電機本次工作的時間。

4 軟件設計

軟件程序主要包括4個模塊設計，即數據采集模塊、通信模塊、控制模塊和信息處理終端的設計。

數據采集模塊進行數據采集時，首先要獲得所要的配置信息，根據配置信息對所需采集的模擬信號、開關量信號以及工作時間信號等進行采集、存儲傳輸給雙向端口RAM。數據采集模塊流程圖見圖10 所示。

圖10 數據采集模塊流程圖

程序初始化時，先對STM32F103 的端口進行配置，因內部有交叉開關，通過交叉開關對端口與內部的模塊進行配置；各接收串口初始化為接受中斷允許，使串口通過中斷來實現數據采集。STM32F103 進行數據采集時，須確定采集的模擬通道數及所采集的通道號，這些配置數據由ARM 提前寫入雙端口的最后8個字節中。

4.1 模擬信號采集模塊的軟件程序設計

在讀取STM32F103 處理器讀取AD 信號過程中，要求200 ms 的間隔讀取AD 的值，并讀取多次取其平均值，以保證數據的準確。模擬信號的采集程序流程圖如圖11 所示。

圖11 模擬采集模塊軟件設計流程圖

4.2 開關量采集模塊的軟件程序設計

開關量采集模塊在系統復位或上電后，先對STM32F103 進行初始化，將通訊模塊設置好。采集模塊在初始化T0、T1 之前，先要讀取上次掉電或復位前的計數數值，在系統掉電或復位前，系統將采集到的計數值存儲在STM32F103 內，以免采集的數據丟失。

T0、T1 計數器的計數值，都存放在STM32F103的內存中。計數過程只要有STM32F103 中斷，則停止計數。先處理中斷后，再開始計數。開關量采集模塊軟件設計流程圖如圖12 所示。

圖12 開關量采集模塊軟件設計流程圖

4.3 累加工作時間采集模塊軟件程序設計

累加工作時間的基本原理如下（以發動機工作時間采集為例）：

當發動機通電后，發動機電壓信號經光電耦合，產生高電頻，發動機被視為進入工作狀態，該時刻的時間記為起始時間；當發動機斷電時，產生低電頻，發動機被視為停止工作，該時刻的時間記為結束時間。讀取FLASH 中存儲的以前的累計工作時間，然后加本次的工作時間得出車輛的累加工作時間。程序框圖如圖13 所示。

圖13 累計工作時間采集模塊軟件設計

5 結束語

STM32F103 芯片具有突出的處理器性能、優異的適應性和很低的功耗，同時其內置A/D 轉換器，具有豐富的通信接口。基于STM32F103 的去污噴灑作業車裝備數據采集系統設計，利用傳感器實現數據的自動采集，給部隊內部數據采集帶來方便的同時，降低了成本和功耗，提高了數據采集的準確度和精度。同時大大加強了工作的靈活性和響應速度，提高部隊裝備管理自動化水平，較好地解決了裝備信息采集的問題。

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