基于STM32的電力設備運輸狀態環境綜合記錄儀設計

蘇展 劉鴻芳 于金山 盧修春

摘 要：本文提出以STM32處理器為核心的電力設備運輸狀態環境綜合記錄儀方案，利用加速度傳感器、溫濕度傳感器、高速數據采集及大容量儲存器件，對運輸過程中的振動、沖擊、跌落等狀態進行實時監測與記錄，通過附帶的軟件對數據進行分析，并對運輸方式與包裝性能進行評估。通過試驗表明，該設備可以準確記錄包裝物在運輸過程中的狀態信息。

關鍵詞：STM32;記錄儀;加速度傳感器;USB;大容量數據存儲

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）01-0127-05

Design of Integrated Environmental Recorder for Power

Equipment Transportation Based on STM32

SU Zhan1 LIU Hongfang1 YU Jinshan1 LU Xiuchun2

（1. State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300000;

2. Linyi Technician Institute，Linyi Shandong 276000）

Abstract： In this paper， a scheme of comprehensive environmental recorder for power equipment transportation status based on STM32 processor was proposed. Acceleration sensors， temperature and humidity sensors， high-speed data acquisition and large-capacity storage devices were used to monitor and record the vibration， impact and drop in the transportation process in real time. The data were analyzed by the attached software， and the transport mode and packaging performance were evaluated. Experiments showed that the equipment could accurately record the status information of packaging during transportation.

Keywords： STM32;recorder;acceleration sensor;USB;large capacity data storage

變壓器等電力設備在運輸和裝卸過程中會產生各種沖撞沖擊和震動，任何超過規定的沖撞沖擊都會對設備造成損傷[1]。電力運輸狀態環境綜合記錄儀[2，3]主要用于電力運輸過程中的狀態監測與記錄，利用加速度傳感器、溫濕度傳感器，對運輸過程中的振動、沖擊、跌落等狀態進行實時監測與記錄，并通過相關軟件對數據進行分析，可達到優化運輸方式、路線、包裝、儲存和搬運條件等目的，減少在物流過程中設備的損壞。

本文提出以ARM Cortex?-M3 STM32處理器為核心的電力運輸狀態環境綜合記錄儀，包括嵌入式記錄儀與運輸狀態環境綜合分析軟件兩部分，融合了高性能的ARM處理器、高性能加速度傳感器[4]、高精度數據采集[5]、大容量數據存儲[6]、USB數據傳輸等技術[7-9]，實現了設備在運輸過程中的狀態信息采集、存儲及分析，保證了電力設備的安全運輸。

1 硬件系統設計

電力運輸狀態環境綜合記錄儀主要由中央處理器模塊、加速度傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、數據采集模塊、NandFlash存儲模塊、實時時鐘模塊及電源模塊構成。系統結構如圖1所示。

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感器模塊][ADXL001模塊][AD? ? 模塊][電源模塊][USB模塊][實時時鐘模塊][中央處理器STM32模塊]

圖1 硬件系統結構

1.1 主要功能模塊設計

中央處理器模塊負責整個系統的數據采集管理、數據分析處理及數據存儲管理等工作，是整個系統的核心。中央處理器采用高性能的ARM? Cortex?-M3處理器STM32F103ZE。高性能、低功耗的中央處理器保證了系統數據處理的運算速度，集成的USB接口在提供安全可靠的數據傳輸的同時，降低了系統的復雜度。

由于記錄儀需要記錄大量的振動波形數據，因此需要一個大容量的數據存儲器。本設計選用NandFlash數據存儲器為三星K9F1G08U0B，具較高的單元密度，可以達到高存儲密度，且寫入和擦除速度較快。

加速度傳感器模塊提供包裝物的振動信息，采用三個ADXL001，分別記錄X、Y、Z方向的振動信息。ADXL001振動與沖擊傳感器是ADI公司開發的單芯片、高性能且能夠適應工業應用的苛刻環境的傳感器。根據實際需要選擇滿量程動態范圍是±250g的型號，具有0.2%滿量程范圍的出色非線性度。

溫濕度傳感器模塊采用SHT11，是一款數字溫濕度傳感器芯片，具有高度集成、接口簡單、傳輸可靠性高、測量精確度高等特點。

實時時鐘模塊采用DS1307，具有56字節非失性RAM的全BCD碼時鐘日歷實時時鐘芯片，地址和數據通過兩線雙向的串行總線的傳輸，芯片可以提供秒、分、小時等信息，每一個月的天數能自動調整，并且有閏年補償功能。

1.2 高精度數據采集模塊設計

由于加速度傳感器量程范圍大，而記錄要求精度較高，因此，為了完成高精度數據采集，本系統設計了基于ADS8341的數據采集模塊，并采用多種方式提高AD的采樣精度。ADS8341是TI公司推出的一款4通道低功耗且具有串行接口的16位高速逐次逼近式A/D轉換器。具體設計如圖2所示。

為了提高采集精度，還采取了以下幾種方式。

①使用外部高精準參考電壓，采用LM4040A30專用基準電壓芯片。

②電路設計中，注意模擬電源和數字電源，以及模擬地和數字地要分開，減少耦合噪聲路徑。

③電路板布線時，需要注意不要讓信號輸入引腳運行在靠近數字信號通路的地方，這樣能使耦合到ADC輸入端的數字信號開關噪聲大大降低。

④硬件濾波，濾除干擾信號，信號輸入前級接濾波電路。

2 軟件系統設計

嵌入式軟件以FATFS文件系統為核心，所有的數據都將以文件方式進行存儲，方便數據的存儲與傳輸。USB數據傳輸模塊建立記錄儀與PC之間的USB連接后，采用U盤模式將記錄儀的數據傳輸至PC指定的文件夾下。記錄儀有多重工作模式，對于每種工作模式，系統工作參數又有不同，采用配置文件的模式配置記錄儀的工作模式，可以方便靈活地進行配置。軟件由FATFS文件系統、USB數據傳輸、AD數據采集、數據處理及存儲、按鍵掃描、溫濕度信息采集模塊等多個軟件模塊構成。

2.1 嵌入式軟件主流程

記錄儀嵌入式軟件的流程如圖3所示。系統上電后掃描按鍵，設置自身的工作狀態。當按待機時，系統將調整工作頻率，把工作頻率設置到最小，同時將系統設置到待機模式，降低功耗。在此種工作模式下，將定時掃描鍵盤，準備切換到工作狀態。當按USB通信時，系統將進行USB通信的初始化，連接記錄儀與PC電腦。當初始化完畢時，系統進入U盤模式，隨時等待數據的傳輸。當按下運行時，系統首先讀取配置文件信息，配置運行的工作模式。配置定時器間隔，配置AD采集的速度，配置傳感器的閾值等。

2.2 滾動更新算法

為了有效保證閾值觸發模式下，事件發生前后數據的完整性和準確性，能完整地反映事件發生前后加速度的變化趨勢，避免丟失數據、數據模糊等現象的發生，采用“堆棧滾動更新算法”進行數據存儲，軟件流程如圖4所示。

“堆棧滾動更新算法”是指在STM32的RAM區開辟三個存儲區X、Y、Z域作為緩存區（buffer），分別標記為A1、A2和A3，以此來實時保存傳感器采集到的數據。程序開始運行后，當傳感器采集到第一個數據后，便將這個數據存到標號為A1的X存儲區域內。當標號為A1的這個緩存區存滿時，程序就接著依次把采到數據存入A2和A3的緩存區中。三個緩存區都存滿后，程序將自動更新X、Y、Z三個存儲區域的標號，即X的標號變為A3，Y的標號變為A1，Z變為A2，程序也將繼續把數據存在標號為A3的緩存區中，并以此類推。

當沖擊發生時，采集數據超閾值，需要保存事件發生前的數據塊、事件發生時的數據塊以及事件發生后的一個數據塊，共同組成一個完整波形數據。這樣，沖擊的主要波形會體現在整個存儲波形的中間附近，便于數據分析。

2.3 運輸狀態環境綜合分析軟件

運輸狀態環境綜合監控分析軟件主要有設置功能和數據分析功能。

設置功能主要包括：①搜索設備、生成設備列表;②讀取設備原有配置信息;③設置閾值觸發的采樣頻率、采樣大小、采樣空間及觸發閾值;④設置時間觸發的采樣頻率、采樣大小、采樣空間分配及采樣間隔;⑤加速度及溫濕度傳感器參數校正;⑥設置記錄模式及通道選擇;⑦添加路線信息及貨物圖片信息。設置界面如圖5所示。

數據分析功能主要包括：①搜索設備;②選擇工作模式;③根據工作模式顯示波形數據及溫濕度、時間信息。顯示界面如圖6所示。

3 系統實現與測試

基于本文設計的記錄儀，分別在振動實驗臺和沖擊實驗臺上進行了測試。在振動實驗臺上進行定時模式的數據采集，利用記錄儀數據分析軟件，可以觀察到如圖7所示的振動波形。從圖7可以看出，在周期性運動的振動實驗臺上，得到了一組近似于正弦波的曲線，該組曲線反映了記錄儀的加速度信息。在沖擊實驗平臺上進行閾值觸發采集模式數據采集實驗，利用記錄儀數據分析軟件，可以觀察到如圖8所示的振動波形。從圖8可以看到，在沖擊實驗平臺上，記錄儀可以較好地捕捉到整個沖擊過程，并完整記錄沖擊的波形。

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圖5 運輸狀態環境綜合分析軟件設置界面

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圖6 運輸狀態環境綜合分析軟件顯示界面

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圖7 振動臺測試結果

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圖8 沖擊測試結果

4 結語

本文提出以STM32 ARM Cortex?-M3處理器為核心的電力設備運輸狀態環境綜合記錄儀方案設計。試驗表明，該設備可以準確記錄包裝物在運輸過程中的狀態信息;利用PC上位機記錄儀數據分析軟件，可以較好地進行狀態信息的分析與處理。

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