一種潛標實時采集嵌入式系統的研發

2021-10-15 14:51:22田炳麗胡坤王肖闖

機電信息 2021年25期

田炳麗　胡坤　王肖闖

摘要：實時潛標目前是研究的熱點之一。基于低功耗要求，提出采用ARM STM32F103、Max3221和LT8610芯片來完成硬件的CPU、串口和電源芯片的選型;用上位機喚醒下位機的方式，完成ADCP數據的傳輸。該潛標實時采集嵌入式系統應用到實際的海洋潛標中，獲得了較好的效果。

關鍵詞：實時潛標;STM32F103;Max3221;LT8610

0 引言

海洋潛標是觀測海洋參數最重要的平臺之一，其中觀測的主要參數是流速流向，使用的傳感器是多普勒流速儀ADCP。大多數潛標系統是自容系統，非實時系統，也就是說潛標布放后，傳感器自動采集數據保留在存儲卡中，需要等回收后再人工把數據從傳感器存儲卡中下載下來。這類潛標系統無法把數據實時傳輸回來，數據失去了時效性，無法為預測預報服務。因此，提出一種潛標實時系統，可以實時采集數據，然后通過表面浮標，把數據發送到岸站。本文設計了一種潛標實時采集的嵌入式系統，并用ARM STM32F103芯片實現[1-3]。

1 系統原理

潛標實時系統主要包括海表面浮標子系統和水下的潛標子系統，其中浮標子系統包括上位機、通信模塊、浮標體等，潛標子系統包括下位機、ADCP、潛標浮球等。

ADCP每小時采集一次海流剖面數據，并且通過串口把數據發送給下位機。下位機收到一定數量的ADCP數據后，保存在存儲卡中，等待上位機要數據。上位機每3 h通過串口向下位機要數據，要到數據后，通過通信模塊把數據從浮標端發送給岸站中心，供客戶使用。實時潛標具體如圖1所示。

2 硬件設計及選型

考慮到水下潛標系統目前設計是電池供電，且ADCP數據量較大，因此低功耗和數據存儲是需要考慮的重點。

2.1 ? ?CPU選型

適用于本項目的CPU系統，需要具有足夠大的RAM存儲區，可以作為讀取的ADCP數據的緩存;要有方便實用的SD卡接口方案，可以快速上手并能保證可靠性;要有串行口喚醒和時鐘喚醒功能，具有多種低功耗工作模式。經綜合比對，CPU選擇STM32F103，STM32F系列由意法半導體（ST）公司出品，屬于32位ARM微控制器，它的內核是Cortex-M3。

芯片集成CAN、ADC、SPI、I2C、USB、定時器、UART等多種功能，具有MCS51、AVR、PIC等系列單片機無法比擬的優勢。

2.2 ? ?RS-232電平變換電路選型

根據系統性能指標要求，除有CPU外，還需擴展兩個標準RS-232作為輸入輸出接口，由于系統需要支持串口喚醒功能，232電平轉換芯片需要總是處于偵聽狀態，其偵聽狀態功耗在系統中顯得非常重要，因而232電平轉換芯片的選型十分重要。經與市面上常見的多種232電平轉換芯片對比，最終選擇Max3221芯片作為232電平轉換芯片。

Max3221是Maxim公司研制的RS-232收發器，具有自動關閉特征并實現1 μA維持工作電流。為了達到節能的目的，當Max3221輸入端沒有接收有效信號電平時，芯片電源和驅動器自動關閉。Max3221芯片由一個高效、雙電荷泵的電源供電，實現單路3～5.5 V電源的RS-232性能。Max3221在3.3 V工作時只需外接0.1 μF電容，而且在3～5.5 V輸入電壓范圍內均可工作，可應用于RS-232串行接口的單路3.3 V和5.0 V混合系統、單路5.0 V系統、3.3 V系統。其管腳圖如圖2所示，管腳功能如表1所示。

2.3 ? ?電源管理芯片的選型

為使電路的功耗指標達到要求并盡可能降低，對系統的電源管理電路的靜態功耗也提出了較高要求。經過仔細對比多種常見的電源管理芯片，結合實際設計選擇了LT8610。

LT8610在無負載備用情況下，突發模式（Burst Mode）工作可保持靜態電流低于2.5 μA，同時其同步整流可提供高達96%的效率。

LT8610的16引線耐熱增強型MSOP封裝和高開關頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，從而能構成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。LT8610采用內部上管和下管高效率電源開關，在單芯片中集成了必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發模式工作在低輸出電流時保持了高效率，同時保持輸出紋波低于10 mVpp。LT8610還有其他特點，包括過熱保護、輸出軟啟動/跟蹤、電源良好標記、內部補償功能。圖3所示為LT8610典型的應用電路。

3 軟件設計

標記：浮標CPU為上控A0，潛標CPU為下控A2。

3.1 ? ?上控與下控通信過程

上控與下控的通信過程如表2所示。

3.2 ? ?命令及數據包格式

下控接收到的命令如表3所示。

下控向上控發送的命令如表4所示。

以D2 33 33 33 31 38 30 33 31 35 38 37 36 30…為例，數據包如表5所示。

系統通信及程序運行流程如圖4所示。

4 結語

基于ARM STM32F103芯片設計了一款低功耗的潛標實時采集系統，實現了對ADCP的實時采集，下位機通過串口把ADCP數據上傳到上位機，上位機通過通信系統把ADCP的數據發送給岸站。此系統經過海試，效果良好。

[參考文獻]