基于GD32F103的多參數碼頭安全監控終端設計

栗克國，李志飛，倪文軍 ，孟祥杰

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院，天津 300456）

在港口碼頭生產作業中，船舶靠離泊作業是最容易出現安全風險的時候，傳統上，這需要船長和引航員的經驗和技術以及港口調度人員的工作經驗[1]。但由于船舶大型化趨勢日益明顯，僅依靠傳統的經驗并不能直觀了解船舶的航速、航向、以及碼頭的水流、氣候狀況，這些給碼頭及船舶安全帶來了極大隱患。針對這一需求，設計了基于兆易創新GD32F103系統的多參數碼頭安全監控終端，可同時接入ADCP、雷達水位計、激光測距儀等設備，實現多參數的采集監測。

浪涌的存在給水位采集帶來了一定的誤差，通過采用按周期的移動平均算法對采集數據進行校正，提高了水位采集精度，保證了潮位監測數據的穩定可靠[2]。

1 總體方案設計

該系統主要由GD32F103主控模塊、供電模塊、電流（電壓）采集模塊、串口采集模塊、FLASH存儲模塊、電源控制模塊、GPRS模塊、人機交互模塊組成。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意Fig.1 System structure diagram

監控終端支持4路電壓（電流）采集通道，可采集1路水位數據、預留3路用于采集溫濕度和大氣壓數據，設計一個UART傳感器接口，使用MAX485芯片將信號轉化為RS485格式，支持連接最多3種不同類型傳感器，可同時采集3路ADCP數據和2路激光測距數據。終端擁有可獨立控制的3路電源輸出控制通道，可對外提供干接點或12 V電源供電。

其主要工作流程如下：初始化后，讀取工作參數表，依據設置參數給對應的傳感器上電，等待傳感器工作穩定后，采集傳感器數據，對采集數據進行解析和分析處理，根據數據處理結果調整下次采集啟動時間和工作模式，通過GPRS模塊將數據發送給上位機，接收到上位機確認信號后依據設置將數據存入FLASH或拋棄。控制傳感器斷電，控制MCU進入低功耗模式，等待下次運行時刻到來[3]。

2 系統硬件設計

2.1 GD32微處理器模塊

本系統采用北京兆易創新科技股份有限公司推出的全新GD32F103C8T6微控制器作為系統核心，其采用第二代Cortex-M3內核，主頻108 MHz，具備實時時鐘（RTC）、看門狗、上電復位、掉電復位、電壓監測等功能，擁有豐富的外設功能，80%的可用GPIO，具備極佳的靈活性滿足多種應用需求。其實現了內核對FLASH訪問的零等待，據Dhrystones和CoreMark測試結果，其代碼執行效率比市場同類產品提高30%～40%，適用于工業自動化、人機界面、電機控制、物聯網等應用[4]。

GD32F103C8T6擁有64 K的FLASH和20 K的SRAM，采用LQFP48封裝，擁有4個定時器，3路串口、2個看門狗、2路I2C、2路SPI和2路ADC單元，37個引腳可作為GPIO引腳，完全可滿足本設計電流采集、RS485信號采集及設備動態控制要求。

2.2 供電及電源控制模塊

本系統應用在室外，掛載的設備需要的供電電壓各不相同，設備供電成了一個關鍵問題，其中諾泰克ADCP需要9～18 V供電，最大工作電流3 A，邦納LT30激光測距儀需要10～30 V供電，羅斯蒙特5400雷達水位計需要8～30V供電，氣象設備需要18～28 V供電；對于內部模塊來說，MCU需要3.3 V供電、GPRS模塊、MAX485芯片需要5 V供電，考慮到現場使用太陽能電池板或220 V市電供電的情況，設計12 V作為系統上輸入電源電壓，使用12轉24 V DCDC模塊獲得需要的24 V電源給激光測距儀、雷達水位計和氣象設備供電，12 V電源經濾波后給ADCP和控制系統供電。設計雙LM2575-5.0芯片將12 V電源轉換為穩定的5 V電源，一路5 V電源給GPRS模塊和MAX485芯片供電，一路5 V電源通過ASM1117-3.3芯片將5 V降為3.3 V給MCU供電。電路如圖2所示。

2.3 ADCP數據采集模塊

ADCP數據采集模塊使用諾泰克AWAC 2D浪龍，其采用窄帶技術減少了海表或航道底部的干擾，緊湊的傳感器使其能夠安裝在樁體或海堤上，測量范圍可達100 m，工作水深可到300 m。其使用RS232或RS422通信，支持300～115200的通信波特率。將其RS232通信口使用ATC105模塊轉換成RS485信號連接到MAX487芯片，MCU即可通過串口收發程序接收ADCP的采集數據。電路原理如圖3所示。

2.4 潮位數據采集模塊

潮位采集使用羅斯蒙特公司5402雷達水位計，其支持4～20 mA輸出，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。

圖2 供電原理Fig.2 Power supply schematic diagram

圖3 通訊原理Fig.3 Principle of communication

系統采用125 Ω采樣電阻將電流信號轉換為0.5～2.5 V的電壓信號，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。在采樣電阻后端，增加二極管進行端口保護，如圖4所示。

圖4 信號隔離Fig.4 Signal isolation

2.5 GPRS模塊

為了更好地控制系統功耗，GPRS模塊部分設計使用MCU連接西門子MC37i模塊，通過MCU控制模塊上電運行及工作狀態，通過AT指令和參數配置設計GPRS模塊支持實時在線模式和定時上傳模式。在實時在線模式下，GPRS模塊持續處于待機工作狀態，可隨時接收或發送數據，在定時上傳模式下，MCU根據程序設定啟動MC37i模塊進行數據傳輸，數據傳輸任務完成后再進入休眠狀態。電路原理如圖5所示。

圖5 系統功耗設計原理Fig.5 Schematic diagram of system power design

2.6 FLASH存儲模塊

為了實現試驗過程數據采集存儲，系統擴展32 MB的NAND FLASH，選用GigaDevice公司的GD25Q32芯片，每頁 256 bytes，支持 SPI、Dual SPI、Quad SPI 3種工作模式，最大工作頻率104 MHz，頁編程時間0.7 ms，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。存儲電路原理如圖6所示。

圖6 存儲原理Fig.6 Storage schematic diagram

2.7 顯示模塊

顯示模塊作為人機交互的重要部分，要求具有耐高低溫、陽光下易讀等特點，據此，選用肇慶金鵬實業有限公司OCMJ2*8C-5液晶模塊，其分辨率128*32，操作溫度最低可達-20℃，內置中文字庫，支持并口和串口數據傳輸。為了節省端口資源，本系統設計使用串行數據傳輸方式，原理如圖7所示。

圖7 顯示模塊設計原理Fig.7 Schematic diagram of display module design

3 系統軟件設計

系統軟件在RVMDK5.0環境下使用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。主要功能模塊包括MCU初始化模塊、端口初始化模塊、外圍設備初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據通信模塊。系統的主程序設計為休眠模式，通過定時器中斷或外部中斷喚醒主程序，根據中斷事件選擇執行不同的任務流程。

主要的任務流程包括3個部分：數據采集處理任務；數據存儲傳輸任務；系統工作參數設置任務。

數據采集任務中，雷達水位計采集潮位、ADCP采集流速任務為定時任務，根據定時時間進行雷達水位計的上電和數據采集工作，采集間隔從1 min～1 h連續可調。激光測距儀采集靠泊數據為可變參數定時采集任務，根據每次采集的數據判斷是否存在船舶靠近，當有船舶靠近時加密數據采集間隔到10 s一次，當判定船舶離岸后降低數據采集間隔到1 min一次，連續10 min無船舶作業，則降低數據采集頻率到5 min一次。

數據采集完成后，將數據按照特定格式存入FLASH存儲器，同時啟動GPRS模塊，將數據按照特定格式（幀頭、幀長、站點號、設備類型、時間戳、采集數據、幀尾）打包，控制GPRS模塊將數據上傳到服務器。上傳任務完成后，并不立即控制終端進入休眠狀態，而是保持GPRS設備在線3 min，等待服務器的返回信息，根據返回信息可配置或調整終端工作參數[5]。

4 試驗數據分析及現場應用

4.1 試驗數據分析

選取2017年11月20日～30日的潮位數據，選取2017年12月1日～10日的ADCP流速數據。

4.2 現場應用說明

基于本次研發的采集終端設備，于2017年3月在曹妃甸某碼頭安裝3套ADCP洋流監測系統和1套船舶靠離泊監測系統，如圖8所示，經近10個月的現場應用，設備工作穩定，達到了預期的設計指標。

圖8 現場應用Fig.8 Field application

5 結語

文中通過軟硬件協同設計，研制了基于GD32F103的多參數碼頭安全監控終端，實現了碼頭現場潮位、氣象、ADCP流速、船舶靠離泊多參數的協同觀測，同時依據可變參數的靠離泊監測系統設計，解決了傳統監測參數單一、前端設備長期連續工作易出故障等問題，提高了系統的可靠性，進而提高了碼頭生產的安全保障水平[6]。

[1]柏杰.輔助靠系泊系統集成設計[J].中國水運，2011，11（9）：61-62.

[2]姚曜，王清哲，王宇，等.離靠泊作業參數誤差因素分析[J].艦船電子工程，2016，36（4）：49-53.

[3]閆曉飛，劉澤西，李穎，等.基于激光三維視覺的船舶靠泊動態監測技術[J].激光與紅外，2016，46（12）：1452-1458

[4]劉忠超，殷華文，郭抒穎.基于MSP430單片機的智能儀表設計[J].自動化與儀表，2015，30（2）：20-24.

[5]傅洪深.碼頭安全監控系統在港口工程中的應用[J].水運工程，2008（7）：85-90.

[6]李寶玉，張鵬飛.針對靠泊輔助系統中幾種探測技術的分析[J].中國水運，2015，15（8）：11-12.