基于ARM的流量計數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設計

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基于ARM的流量計數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設計

◆臧紫薇 劉宏展通訊作者

（華南師范大學 廣東 510006）

4-20mA是當前工業(yè)儀器的標準信號之一。針對工業(yè)流量計的接口電流無法實現(xiàn)無線采集的問題，本文設計了一種基于ARM處理器的無線數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由主控芯片STM32，信號調(diào)理電路，A/D模塊，無線通信模塊，無線Web服務器組成。在嵌入式單片機內(nèi)搭建的Web 服務器可以實現(xiàn)對輸出電流值的采集的同時，將采集到的數(shù)據(jù)通過服務器無線傳輸。

電流采集；STM32；LwIP協(xié)議；Web服務器

0 引言

針對工廠的能效測試，需要對多種能效測試儀器的共同使用得以實現(xiàn)。現(xiàn)場安裝的能效測試儀器根據(jù)其自身的數(shù)據(jù)傳輸條件可以分為三類。其中一類儀器自身具備信號發(fā)射與接收功能，可以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的傳輸；二類儀器雖帶有數(shù)據(jù)串口，但受接口條件所限，無法自行實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)傳輸；三類儀器不具備數(shù)據(jù)串口。在工業(yè)儀表上，除RS232接口外，通常將測量流速、氣壓、氣體濃度等的儀表測量得到的物理量變送為標準4-20mA模擬電流輸出。

德國FLUXUS F601超聲波流量計是通過超聲波信號對于工業(yè)管道中的氣、液體流速進行精密測量的儀器。該儀器具有標準化的電流輸出接口，可以將所測得的流量值線性轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號。目前來講，由于該儀器僅自帶串口及模擬量輸出接口，并不具備無線收發(fā)功能，對其的數(shù)據(jù)采集仍然只能依賴于串口數(shù)據(jù)采集或人工讀表，這大大限制了數(shù)據(jù)采集的靈活性并增加了工作人員的工作負擔。因此，本文介紹了一種針對上述儀器模擬量接口的基于ARM的流量計數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設計。

1 系統(tǒng)工作原理

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的主控模塊選擇的是基于ARM內(nèi)核的STM32芯片。流量計讀取的流速值被輸出顯示為與其線性對應的標準4-20m直流電流信號。該信號經(jīng)過電流環(huán)接收器芯片RCV420進行放大和處理后成為0-5V的電壓信號。該電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片變成可被STM32單片機讀取并處理的數(shù)字信號。STM32RGTb通過SPI通訊方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并通過SDIO方式驅(qū)動WIFI芯片，實時處理并存儲得到的電流值信息。在單片機內(nèi)搭建形成一個基于STM32微處理器的Web服務器，帶有WIFI功能的計算機作為子設備連接WIFI，并可直接獲取單片機的采集數(shù)據(jù)。

2 主要電路模塊

2.1 主控芯片

系統(tǒng)的主控模塊選擇美國ST公司生產(chǎn)的基于ARM內(nèi)核的STM32F103RGTb芯片。該芯片是一個基于M3核的32位處理器，具有1MB的Flash容量，9KB的SRAM容量。其外設資源豐富，支持SDIO、SPI、UART及I2C等外設接口。因此它可以高度滿足本設計的需求。

2.2 電流調(diào)理電路

為了將4-20mA的小信號輸出電流轉(zhuǎn)換為單片機可讀的電壓信號，本設計中選用了集成的高精度電流環(huán)接收芯片RCV420。該芯片是美國BURR-BROWN公司生產(chǎn)的一款針對小電流信號采集的接收轉(zhuǎn)換芯片，它內(nèi)部有精密的內(nèi)電阻網(wǎng)絡、運算放大器及10V基準電壓[1]，可以用于將4-20mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0-5V的輸出電壓，且理論誤差僅有0.1%。應用RCV420芯片時不需添加其他外圍電路，因此它大大降低了維護成本。

該芯片的應用電路圖如圖2。

16，4引腳分別為該芯片的正、負電源引腳。需要在其引腳旁各并接一個1μF的退交連電容，可濾除其直流電源中的其他成分，減小電源帶來的波紋干擾。

圖2 RCV芯片的應用電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)電流環(huán)接受芯片轉(zhuǎn)換后的電壓值為0-5V，無法直接被單片機采集，故選用一個外置的AD轉(zhuǎn)換模塊。本設計中選用MAX187作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。MAX187芯片是一款12位的逐次逼近A/D 轉(zhuǎn)化器，為單+5V電源供電，可將外部參考電壓設置為+5V。MAX144與SPI，Micro Wire等多種串口標準兼容[2]。其外圍電路連接簡單，如圖3所示。

圖3 ADC芯片與其外圍接線

2.4 WIFI模塊

本設計中選用的WIFI芯片的是Marvell公司生產(chǎn)的marvellw8801。該芯片是一款低功耗，高性能，體積小的無線SoC芯片。它符合IEEE802.11e的標準，并且它的兼容性很高，能夠向下兼容多種通信協(xié)議。它可通對等（Ad hoc）或集中控制（Infrastructure）的工作模式與無線設備快速聯(lián)通。本W(wǎng)IFI芯片與單片機通過SDIO口進行通訊。由于芯片內(nèi)部具有單次可編程內(nèi)存OTP(One-time Programmable)可以減少對外部EEPROM的需求。圖4為WIFI芯片的接線圖。

圖4 WIFI模塊

3 基于STM32的Web服務器

一個Web服務器是一個由因特網(wǎng)、微處理器，以及相應的軟硬件組合的套件，可以被用來監(jiān)測和控制相關的系統(tǒng)[3]。服務器的硬件與協(xié)議的關系如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設計

3.1 Marvell 88W8801 WIFI模塊驅(qū)動

單片機通過SDIO方式驅(qū)動該WIFI模塊。SDIO設備的初始化在main.c內(nèi)通過調(diào)用SD_Init()函數(shù)實現(xiàn)，使得其處于就緒狀態(tài)。SDIO設備的初始化過程完成后，通過調(diào)用init_wifi()實現(xiàn)WIFI的初始化。

WIFI模塊內(nèi)部有一個微處理器，對其的驅(qū)動需要在其內(nèi)部寫入程序。Marvell的官網(wǎng)上可以下載到該程序的二進制固件。當固件下載完成后，可掃碼連接一個熱點或自己建立一個熱點，這是能夠?qū)崿F(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層上對數(shù)據(jù)幀的傳輸?shù)奈锢砘A。無線網(wǎng)卡與其他設備的通訊除需要鏈路層外，同時需要網(wǎng)絡協(xié)議棧的支持。

3.2 μC/ OS2-II操作系統(tǒng)與LwIP協(xié)議

μC/ OS2-II操作系統(tǒng)是可在Micrium官網(wǎng)下載的開源C語言操作系統(tǒng)，已經(jīng)被運用在很多的32位以下的MCU中，具有很好的穩(wěn)定性[3]。LwIP協(xié)議是由瑞士計算機科學院在TCP/IP協(xié)議的基礎上進行裁剪的輕量級通信協(xié)議。它是針對低配置CPU設計的，因此適合在嵌入式流量計采集系統(tǒng)之中進行應用。LwIP協(xié)議棧可以支持TCP、UDP、HTTP、IP等協(xié)議，支持多線程操作[4]，且在無操作系統(tǒng)或有操作系統(tǒng)下均可運行[5]。

LwIP協(xié)議在μC/ OS2-II系統(tǒng)上的移植的實質(zhì)就是調(diào)用μC/ OS的函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、任務同步、時間管理和內(nèi)存管理[5]。其移植的步驟如下：

( 1 ) 在初始系統(tǒng)源文件夾下新建os子文件夾，內(nèi)移植必備的os_core.c，os_cpu_a.asm，os_cup_c.c，app_cfg.c文件，并根據(jù)需求添加如下文件，如圖6。

圖6 添加文件

在文件夾中添加完成源文件后，在Keil4.12中打開Manage Components，在工程內(nèi)添加源文件，并依次按照對應的文件夾添加.h頭文件。

( 2 ) 分別按照ARM型號，和對函數(shù)的調(diào)用情況修改移植的源文件。

( 3 ) 利用μC/ OS2-II操作系統(tǒng)的函數(shù)完成LwIP功能的實現(xiàn)。

a. 建立并根據(jù)平臺類型等建立相關的頭文件Lwipopts.h，cc.h，perf.h，sys_arch.h;

b. 建立RTOS的抽象層文件sys_arch.c;

c. 根據(jù)網(wǎng)卡的驅(qū)動和LwIP的接口修改ethernetif.c等文件里的對應的static struct pbuf *low_level_input(struct netif *netif，void *p_buf，int size)，low_level_init(struct netif *netif)函數(shù);

d. 在μC/ OS2-II啟動后初始化LwIP。

3.3 HTML 網(wǎng)頁的實現(xiàn)

在嵌入式網(wǎng)頁服務器中，網(wǎng)頁是用戶與其進行交互的媒介，屬于LwIP的應用層[6]。用戶通過在瀏覽器的地址欄輸入服務器地址即可打開服務器網(wǎng)頁，并向網(wǎng)頁發(fā)送并接收來自網(wǎng)頁的信息。Web服務器與網(wǎng)頁有以下七個流程：

（1）建立TCP連接。由于HTTP是應用層協(xié)議，根據(jù)規(guī)則，需在TCP協(xié)議建立完成的基礎上實現(xiàn)高層協(xié)議的連接。

（2）瀏覽器向Web服務器發(fā)送請求命令。這個過程在建立TCP連接后即發(fā)生。

（3）瀏覽器發(fā)送請求頭信息。瀏覽器用一個空白行通知服務器應答結(jié)束。

（4）Web服務器產(chǎn)生應答。

（5）Web瀏覽器發(fā)送請求頭信息。

（6）Web服務器向瀏覽器發(fā)送數(shù)據(jù)。

（7）Web服務器關閉TCP連接。

4 總結(jié)

本文設計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臒o線電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用戶可將移動端連接至由單片機搭建的Web熱點，從而實現(xiàn)采集電流的實時顯示。不同于傳統(tǒng)的通過串口通信的電流采集模塊，本設計中對于無線網(wǎng)卡的應用使得系統(tǒng)擺脫了串口通信的限制，用戶可在信號范圍內(nèi)的任意位置對數(shù)據(jù)進行采集和讀取。本文中采用的ARM處理器不僅成本低，性能優(yōu)良，其內(nèi)存空間大，可以運行針對嵌入式處理器設計的μC/ OS2-II操作系統(tǒng)及LwIP協(xié)議棧，保證了傳網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。設計中選用的Marvell8801無線模塊，支持對等或集中控制的工作模式，為系統(tǒng)的應用環(huán)境提供了更多的選擇。

[1]龔京.電流環(huán)接收器 RCV420及其應用[J].國外電子元器件，2000(2).

[2]張岳濤，史翔.12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX187原理及應用[J].國外電子元器件，2007(3).

[3]Allafi，I. and T. Iqbal. Design and implementation of a low cost web server using ESP32 for real-time photovoltaic system monitoring. in 2017 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC).2017. IEEE.

[4]楊俊，呂建平，徐峰柳.基于μC/OS-Ⅱ和LwIP的嵌入式Web服務器實現(xiàn)[J].網(wǎng)絡安全技術與應用，2011.

[5]闕大順.LwIP 協(xié)議在 μC/OS2II系統(tǒng)上的移植和實現(xiàn)[J].艦船電子工程，2006(4).

[6]林.J.基于Cortex-M3的嵌入式WEB 服務器監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].太原理工大學，2013，201(3)：5.

國家自然科學基金，項目編號：61875057，61475049。