一種物理模型試驗用無線數據采集系統

栗克國，倪文軍

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

一種物理模型試驗用無線數據采集系統

栗克國，倪文軍

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

為解決水運工程物理模型試驗中傳感器種類數量繁多、布線麻煩的問題，研制了一種無線數據采集系統。利用STM32F103單片機作為數據采集電路的主要部件，擴展模擬量、脈沖量、數字量采集模塊。采集數據存儲于FLASH存儲器，以無線方式將數據傳輸至上位機。采集器內置可充電鋰電池和無線數據傳輸模塊。該系統可掛載波高、壓力、水位、流速等多種傳感器，亦可應用于其他不方便布線的數據采集場合。

數據采集；無線；模型試驗；自容式；STM32

物理模型試驗是人們基于相似理論對河流進行實體模擬，并據此定性或定量的揭示河流運動的內在規律，為理論研究和工程設計提供科學依據的一種研究方法［1］。物理模型試驗中需要測控的關鍵參數包括流速、地形、水位、含沙量、波高、動態壓力等。對于動床試驗和港池試驗，一般需用到大量的波浪傳感器和動態壓力傳感器，傳統的數據采集系統需要對每只傳感器布設電纜，需要耗費大量的人力物力且容易出現故障。模型試驗急需一種不需要布設電纜的數據采集方案。

本文介紹一種基于STM32單片機的無線數據采集系統，其采用鋰電池供電，支持433M無線數據傳輸，可掛接波高、壓力、水位、流速、含沙量等多種類型傳感器，能夠滿足模型試驗的實際需要。

1 系統總體設計

本系統以STM32F103單片機為核心，由模擬量采集模塊、脈沖量采集模塊、存儲模塊、供電模塊、顯示模塊、鍵盤、無線數傳模塊及上位機組成，系統框圖如圖1所示。

其基本工作流程為：首先系統控制供電模塊向傳感器模塊供電，傳感器輸出的模擬信號經信號調理電路調理后，經ADC轉換為數字信號，流速傳感器輸出的脈沖信號經信號整形后輸入單片機，水位傳感器輸出的RS485信號通過MAX487芯片輸入單片機串口，單片機對這些數據進行采集、計算、存儲、顯示等處理。上位機通過無線模塊向STM32發送指令，STM32根據指令上傳實時采集數據或存儲采集數據。

圖1系統原理框圖Fig.1 System principle block diagram

2 系統硬件設計

2.1STM32微處理器

本系統采用ST公司基于Cortex-M3內核的32位增強型閃存微控制器STM32F103C8T6作為控制核心，Cortex-M3內核在設計上專門考慮了滿足集功耗低、實時性強的工業級嵌入式產品領域的特點。在性能相同的條件下，STM32產品功耗比同級別產品要低75%。這些改良技術使Cortex-M3內核具有優異的性能、代碼密度、實時性和低功耗［2］。該芯片最高工作頻率可達到72 MHz，具有128 K字節的閃存以及20Kbytes SRAM，3個通用定時器，2個看門狗，1路RTC實時時鐘，3路UART，2路12位ADC，其采用LQFP48封裝，提供27個GPIO；非常寬的供電范圍（2.0～3.6 V），工作溫度-40～105℃，滿足工業應用的要求［2］。

STM32F103C8T6的12位ADC為逐次逼近型模數轉換器，各通道的轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行，轉換結果以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。通道采集時間可編程，總轉化時間可縮減到1us.此外，多種轉換模式供選擇，支持DMA數據傳輸。

2.2 電源供電設計

電源部分是采集器電路關鍵的一部分。由于采集器本身為低功耗設計，且主要應用于模型試驗，掛載的傳感器也多為低功耗設備，因此，電源部分采用可充電鋰電池供電方案。

18 650 鋰離子電池是日本SONY公司定下的一種標準性的鋰離子電池型號。其電池電壓為3.7 V，容量通常為1 200～3 600 MAH。18650鋰電池壽命理論為循環充電1 000次，18650圓柱鋰離子電池具有以下優點：①能量密度更高，能量密度大約高30%；②單元的排列方式對于安全性影響也不大，一旦電池單元出現熱失控，因為容量小，不容易影響到周圍的電池單元；③成本低［3］。在工作中的穩定性能非常好，廣泛應用于強光手電、隨身電源、無線數據傳輸器、便攜儀器儀表等。

系統設計采用3只2 200 MAH電池并聯使用的設計，使用南京拓微電子TP4056充電管理芯片進行充電部分電路設計。TP4056可編程充電電流高達1 A，芯片內部為PMOSFET結構，采用恒流恒壓工作模式，具有防倒充，對充電電流可進行自動調節功能，在低電流或停機狀態下，電池的漏電流降至2uA以下［4］。

鋰電池放電過程中電壓逐漸降低，因此采用DCDC升壓芯片將電池電壓升壓到5 V和12 V分別供給采集器和傳感器，5 V電壓經過LDO線性穩壓芯片降到3.3 V后供給MCU等核心芯片。為了降低功耗，12 V升壓模塊使用MCU進行使能控制。

電源供電部分框圖如圖2所示。

2.3 數據采集模塊設計

數據采集模塊包括對于模擬量、開關量、RS485串口信號的采集三部分。

2.3.1 模擬量數據采集

由于模型試驗傳感器如波高傳感器等輸出的均為標準的4～20 mA信號，因此，首先要將其調理成滿足ADC輸入范圍的電壓信號以便進入ADC轉換為數字量。輸入到ADC模擬輸入通道的幅值范圍為0～3.3 V。

系統采用125歐姆采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號，經過OP747運放構成的電壓跟隨器進行信號隔離，然后再注入ADC通道。在采樣電阻前端，增加TVS和穩壓管進行端口保護。

ADC支持最快1us的轉換時間，而模型試驗用傳感器采集頻率最大為1 kHz，因此，采用ADC單次采樣模式，將采樣時間設置為1～20 ms可調，實際工作時根據需要設置采樣時間。

2.3.2 開關量數據采集

STM32F103的I/O口都可以配置為開關量輸入端口，并且通用的I/O可以配置到16個外部中斷線上。開關量輸入電路如圖3所示。開關量信號由IN_P端口輸入，電容C1與電阻R1構成一階低通濾波器濾除高頻噪聲，減小信號的毛刺，采用光耦合器TLC185實現開關量信號與STM32間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力［5］。

2.3.3 RS485串口數據采集

STM32F103C8T6支持3個串口，本系統使用串口2作為數據采集端口。設計MAX487芯片進行電平轉換，使用PA1端口控制MAX487的工作模式。為保護MAX487芯片，在接口端設計自恢復保險絲進行保護。RS485數據采集電路如圖4所示。

圖2供電系統框圖Fig.2Power supply system block diagram

2.4 存儲模塊設計

為了實現試驗過程數據采集存儲，系統擴展32MBit的NAND FLASH，選用GigaDevice公司的GD25Q32芯片，每頁256bytes，支持SPI、Dual SPI、Quad SPI三種工作模式，最大工作頻率104 MHz，頁編程時間0.7ms，具有較低的工作功耗。本系統采用標準的SPI工作模式設置存儲芯片。

2.5 顯示模塊設計

系統采用0.96英寸雙色OLED顯示器實現本地實時監控。OLED顯示屏具有自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、使用溫度范圍廣、功耗低等優點［6］，非常適合手持式移動設備和電池供電設備。驅動芯片采用香港晶門電子的SSD1306芯片，通信方式選用SPI同步通信方式，實現顯示指令控制及數據傳輸。

2.6 無線通信模塊設計

系統采用CC1101高性能射頻收發器設計無線通信模塊。CC1101是一款低于1 GHz旨在用于極低功耗RF應用的芯片。其主要針對工業、科研和醫療以及短距離無線通信設備。其工作在433 MHz頻段時靈敏度為-116 dBm，接收模式下功耗16 mA，最高可設置+10 dBm的發射功率，支持0.6～500 kbps的數據傳輸速率，工作電壓1.9～3.6 V，待機模式下電流僅200 nA［7］。

系統采用CC1101擴展模塊進行連接，CC1101擴展模塊內置單片機和輔助電路，串口發送接收腳可直接與STM32連接，本文使用UART1與CC1101連接，通過AT指令設置CC1101的工作模式和工作參數。

圖3開關量輸入電路圖Fig.3Switch input circuit diagram

圖4RS485采集電路圖Fig.4RS485 acquisition circuit diagram

3 系統軟件設計

系統軟件包括采集器和上位機兩部分，其中采集器部分軟件在RVMDK環境下，采用C語言開發。為了方便系統的調試和修改，軟件程序的設計采用功能程序模塊化的設計思路。上位機軟件主要實現對采集器的遠程控制、數據讀取及數據分析處理功能，本文不進行詳細說明。

采集器軟件的主要功能模塊包括初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據通信模塊。系統主程序不斷調用子模塊實現對軟硬件資源的有機管理。

采集器功能上設計有模擬量采集、脈沖量采集和RS485數據采集3種工作模式，支持鍵盤操作和遠程控制，主程序采用循環檢測鍵盤和操作和串口指令，根據鍵盤操作和指令調用不同的子模塊實現不同的功能，主程序流程圖如圖5所示。

指令解析子程序根據不同的指令調用相應的采集、存儲、上傳數據子程序模塊，其流程圖如圖6所示。

對于模擬量采集部分子程序，為了提高采集精度，采用多次采樣求均值的方式進行數據采集，為了提高效率，采集次數控制為2n次，方便進行移位操作計算均值。

4 試驗結果及分析

4.1 模擬量采集精度試驗

使用2008型波高傳感器作為信號源，在波高率定水槽上調節不同水位，同時用采集器和普源精電3068臺式萬用表測量輸出電流，測量數據見表1。

由表1的對比測量結果可以看出，采集器的測量結果與臺式萬用表的測量結果相對誤差最大不超過0.125%，與目前2008型波浪數據采集系統0.2%的采集精度相比略有提高。

圖6指令解析子程序流程圖Fig.6Order analysis flow chart

波浪試驗要求數據采集精度達到每秒80次，采集器設計了采集間隔菜單，可設置數據采集間隔從8 ms到20 ms，方便實際使用（圖7）。

在實際應用中，由于單個試驗需要同時多只波浪傳感器，這給實時無線數據傳輸造成較大的壓力，為了保證數據準確可靠傳輸，系統設計為多臺儀器同時工作時，由上位機指定一臺儀器實時反饋數據，其他儀器只采集存儲數據，試驗完成后再通過上位機指令將數據上傳。

4.2 數字量采集及無線傳輸距離試驗

數字量采集包括脈沖量采集和RS485信號采集，經過試驗驗證，采集器可以準確采集脈沖個數和485數據。

以模型試驗水位采集常用的武漢大學LH-1重錘水位儀為例，其COM1口使用RS485接口，應用層采用ASCII傳輸模式的ModBus協議，可連接到數據采集器，采集器通過向水位儀發送讀取水位數據指令讀取水位數據，并在顯示屏上顯示出來，根據參數設置存儲及以無線方式發送給上位機。

LH-1重錘水位儀的字節格式為：1個起始位+7個數據位+1個偶校驗位+1個停止位。數據采集方式為主從方式，錯誤檢測方式為字節偶校驗和幀LRC校驗。

ASCII模式消息幀以冒號‘：’字符（ASCII碼3AH）開始，以回車換行符結束（ASCII碼0DH，0AH）。其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的‘0’...‘9’，‘A’...‘F’。

讀水位指令返回幀如下：

表1電流采集比對數據表Tab.1 Current data comparison tables

圖7參數設置Fig.7Parameter setting

圖8試驗過程圖片Fig.8Test process picture

起始字節3A設備地址2個字符功能代碼30 33數據字節數30 34瞬時水位數據8個十六進制字符LRC校驗2個字符結束符0D 0A

返回的8個十六進制字符組成一個四字節二進制數，代表平均水位或瞬時水位。水位單位是0.01 mm。

圖8為樣機進行重錘水位儀采集試驗過程的視頻截圖。單位換算為mm。

由于無線通信距離易受各種外界因素干擾，如電磁干擾、遮擋、天線方向等的影響，實際通信距離變化較大，經過試驗，在試驗大廳空曠環境下，有效通信距離在100 m，在水泵開啟條件下，通信距離在60～80 m不等。

5 結束語

本文介紹的適用于物理模型試驗的無線數據采集器采用ST公司ARM芯片STM32F103C8T6為核心，實現了AD數據采集、數字量數據采集等功能，通過外圍擴展實現了鋰電池供電管理、數據存儲、無線數據傳輸功能，可與水運工程物理模型試驗中應用的多數采集傳感器匹配，能有效降低現場試驗布線難度，具有較高的實用性和推廣價值。目前該系統已完成樣機開發和實驗室驗證，下一步將開展實際應用。

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A wireless data acquisition system for physical model test

LI Ke?guo,NI Wen?jun
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In order to solve the problems of sensor wiring in physical model test of port and waterway engineer?ing,a wireless data acquisition system was developed.STM32F103 MCU was used as the main component of data acquisition circuit through expansion acquisition modules such as analog,pulse and digital quantity.Data were saved in FLASH chip and transferred to host computer by wireless mode.Lithium battery and wireless module were integrated inside the instrument.Wave sensor,pressure pickup,water level sensor and flow sensor could be connect?ed to the instrument system.The instrument system also can be applied in other data acquisition situation.

data acquisition;wireless;model test;self?contained;STM32

TP 391；TV 131.61

A

1005-8443（2015）06-0596-05

2015-07-22；

2015-10-12

栗克國（1983-），男，河南省人，工程師，主要從事水運工程自動化系統研究工作。Biography：LI Ke?guo（1983-），male，engineer.