基于STM32的新一代遙測終端機的設計與實現

邵燦輝，倪維東，伏懷文

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水電自動化有限公司，南京210032）

由于水文要素的測量大量用到了翻斗式雨量計、格雷碼浮子式水位計、通訊型雷達水位計、模擬量輸出壓力式水位計、氣泡式水位計等水文儀器，這就要求遙測終端機能夠適應各種傳感器測量的應用現場，并將所測量的水文數據通過GPRS 透傳、北斗短報文、短波電臺等無線手段上傳到水情監測中心站，這就對MCU 芯片的運算速度、外圍接口豐富程度、穩定性提出了相當高的要求。此次設計的遙測終端機選用了STM32F091 作為裝置的MCU 芯片，其擁有Cotex-M0 核，高達48 MHz 的運算速度，256 M 的FLASH，以及8 個硬件串口，完全滿足RTU的功能需求[1]。同時采用了16 位的采樣芯片ADS1115完成了多路4～20 mA 電流和0～20 V 電壓的實時測量，保證了其測量精度符合水文規范要求。由于物聯網技術大量應用于水文自動測報系統之中，可以通過手機遠距離來設置參數和數據讀取等功能就顯得十分必要，新一代的RTU 選用了低功耗藍牙模塊，可以滿足300 m 內的數據傳輸，減少了工程維護人員的工作量。新一代RTU 的測量口和通信口都設計了先進的防雷電路，大大減少了裝置由于雷擊而損壞的幾率，能夠使裝置持續穩定運行。本文還介紹了雙信道數據傳輸和SDI-12 總線讀取數據時的工作機制。

1 遙測終端機的硬件設計

如圖1 所示為新一代遙測終端機的硬件結構圖， 本裝置選用的主處理芯片為ST 公司最新的低功耗芯片STM32F091VCT6。由于其具有較多的IO口、硬件串口和低功耗特性，使其能更好地兼容更多類型的水文儀表[2-3]。本裝置與上位機進行無線通信時選用2 種方式，即通過RS232 口外接無線GPRS、北斗模塊，兩種方式互為冗余確保水情測報系統能更好收到偏遠地區的水文數據。

圖1 裝置硬件結構圖Fig.1 Hardware structure diagram of RTU

1.1 電源回路

新一代RTU 使用的MCU 工作電平為3.3 V，考慮用到了SDI-12 總線通信和繼電器開出功能，需要提供5 V 電平， 而太陽能充電鉛酸蓄電池輸出電平為9 V～17 V，需要DC/DC 或者LDO 芯片將12 V 電壓轉換成5 V 和3.3 V。由于RTU 靜態功耗要小于3 mA/12 V，所以要求電源芯片轉換效率高，輸入電壓范圍寬。如圖2 所示，選用了兩片MIC5236 芯片來實現工作電平的輸出，芯片U1輸出3.3 V，芯片U2輸出5 V。使用了一個場效應管Q1和雙向瞬態抑制管TVS1來防止電源接反，當電源反接時Q1和TVS1均不導通，對RTU 形成了雙重有效的保護。

圖2 電源轉換電路Fig.2 Power conversion circuit

1.2 SDI-12 總線電路

隨著水文領域智能傳感器的發展，采用SDI-12總線標準的傳感器將是主流，能夠接入SDI-12 總線的水文傳感器對RTU 顯得十分重要[4]。SDI-12 總線與RTU 之間由三根線連接，分別是12 V 電源線、5 V數據線、GND 線。如圖3 所示，與經典的SDI-12 通信電路相比此電路利用MCU 自帶的UART 口、SN74LVC1G240 反向芯片、MOS 管Q6組成。因為總線波特率是1200 Baud，傳統經典電路可以利用I/O進行模擬輸出和讀取， 但沒有具備中斷功能的UART 口響應速度快。利用SN74LVC1G240 對輸出TX 信號進行反向升壓，并且利用氣體放電管Q20對信號線進行防雷保護。利用U11芯片的DIR 管腳控制數據方向，當收到信號時，Q6導通，MCU 將通過中斷接收SDI-12 總線上數據。當讀取傳感器數據時，需要向傳感器提供12 V 電源，MUC 的普通I/O 口控制Q7的導通，進而控制Q14輸出12 V，Q14是負載能力高達3 A 的MOS 管， 并且利用F18可變電阻對RTU 進行一個限流保護。

圖3 SDI-12 總線通信Fig.3 SDI-12 bus communication circuit

1.3 AD 采樣電路

在水文要素采集的過程中，有相當一部分數據是通過電壓電流的形式被RTU 讀取的，所以RTU必須具備對4～20 mA 電流和0～20 V 電壓采樣的能力。常見的壓力式水位計經常放置于河道之中，受雷電影響比較嚴重，由于接入到RTU 之中，容易導致RTU 損壞。本RTU 創造性的利用繼電器隔離原理來防止雷電對RTU 的影響。如圖4 所示，由于RTU模擬量測量通道較多， 僅以測量電流信號量為例。當無需測量時， 外部信號接入繼電器的空觸點，沒有與RTU 內部電路相連，雷電并不會損壞裝置。當需要讀取電流信號時，MCU 通過普通I/O 口控制Q4讓繼電器的線圈導通，讓外部信號線接入到A/D 采樣電路之中，整個采樣過程不超過100 ms，被雷擊可能性大為降低，提高了RTU 和傳感器生存能力。

圖4 繼電器隔離電路Fig.4 Circuit of relay isolation

為了實現測量高精度和高分辨率，在該測量系統中選取性價比高的ADS1115，16 位高精度采樣芯片，通過IIC 異步串口與STM32F091 進行數據通信。ADS1115 芯片不僅具有很高采樣精度，還可以提供穩定的內部基準電壓源。由于ADS1115 芯片還具有內部的信號放大功能，在信號測量電路中省略了信號放大電路，避免了不必要的因信號放大而產生的信號諧波。如圖5 所示，R31和R43的電阻值分別為950 kΩ 和50 kΩ，R32為100 Ω 的高精度電阻。電流或電壓信號均可以接入此電路，當接入0～20 V電壓時，通過R31和R43來進行分壓。如接入4～20 mA電流信號時，則電流接近全部流過R32，R32兩端電壓就等于R31和R43的兩端電壓。通過此電路測量的數據精度全量程均在1‰以上，并且十分穩定。

圖5 A/D 采樣電路Fig.5 Circuit of A/D sampling

1.4 藍牙無線模塊電路

當裝置初始出廠調試和工程人員巡檢遙測站點時， 可以利用手機APP 藍牙連接功能與RTU 中的藍牙模塊進行程序下載和參數設置。RTU 自帶的藍牙無線模塊可以讀取現地水文數據并記錄存儲。本裝置使用的是低功耗藍牙模塊，具備無通信時休眠功能， 支持空中升級固件和配置遠程模塊信息。無需接線測量，方便了工程人員讀取數據，特別是當遙測站點在工程人員不容易到達的地方時，無線讀取數據顯得尤為重要[5]。如圖6 所示為藍牙無線模塊電路， 只需要通過串口與其通信數據即可，節省了底層硬件驅動的編寫。

圖6 藍牙無線模塊電路Fig.6 Bluetooth wireless module circuit

2 嵌入式軟件設計

水情遙測站點一般建設在人煙稀少之地，手機信號不理想。隨著我國手機移動網絡建設覆蓋面的擴大和資費的降低， 無線主通道主流選用的是GPRS 傳輸。而無線備用信道選用的是民用北斗短報文通信。

隨著北斗定位系統的建設完成，其定位信號已經覆蓋全球。民用北斗最小發送間隔為1 min，而無回復發送成功標志。由于北斗是直接與衛星進行通信的，其待機和發送功率比較大，在蓄電池供電的系統中，一般讓其作為備用信道，并且在不通信時給其斷電。如圖7 所示為以GPRS 為主信道北斗為備用信道的通信流程[6]。由于GPRS 通信間隔時間短，功耗不大，可以用作主信道，長供電，讓其隨時具備接受上位機指令的能力，當事件觸發RTU 發送數據時，首先是GPRS 發送，如果發送失敗延時一段時間后再發送一次，確保GPRS 發送的成功率。如果確實無回復信息，就啟動北斗，而北斗只需延長幾秒鐘等待北斗模塊發送流程完成，無需判斷上位機是否收到數據。

圖7 主備通信流程圖Fig.7 Flow chart of serial communication

3 結語

新一代遙測終端機不僅實現了傳統的水文數據讀取和存儲，并且由于其體積的減小、重量的減輕、藍牙無線功能的增加，降低了工程人員的維護工作負荷。其自身所帶的多串口和SDI-12 總線功能更加提高了裝置的兼容性，體現了裝置以好用為本的宗旨。該裝置充分利用了STM32 芯片強大的處理能力和豐富的片外資源，完成了數據的測量、通信、裝置的低功耗， 實現了電池待機時間長工作穩定。該裝置已經在金沙江上游水情自動測報系統中得到了成功的應用，其超低的功耗、高低溫適應性、長時間運行的穩定性得到了業主單位的認可。