STM32大氣波導數據采集和傳輸系統設計與實現

張 瑜， 朱雙龍， 任 朔， 王方方

(河南師范大學電子與電氣工程學院，河南 新鄉 453000)

0 引 言

低空探測和通信已成為現代戰爭的主要方式之一。由于受到地球凸起曲率的影響，低空無線電波傳播距離一般只能達到幾十公里。為了擴大無線電系統的作用范圍，利用大氣波導效應實現無線電超視距通信或探測是目前較為有效的方法之一[1]。這種方法也是目前岸基和艦船無線電系統實現超視距作用的主要方法。

岸基、艦船上的無線電系統主要的環境是近海面大氣，大概率產生的大氣波導是蒸發波導。為了實現低空無線電系統的超視距作用，關鍵是要得到蒸發波導的特征參數。測量蒸發波導的方法主要分為3類[2-4]：第一類是利用蒸發波導預測模型得到反映蒸發波導信息的折射率剖面，進而得到其特征參數。目前這類方法的主要模型有PJ模型、偽折射率模型和海氣通量模型等[5]。由于這些模型都是依靠經驗公式得到的，存在較大的誤差，其預測精度都不高，不能精確獲得蒸發波導特征參數。第二類是采用直接測量系統。這類測量設備主要有兩種，一種是利用氣象測量儀器測量不同高度處的大氣溫、壓、濕參數，再通過相關公式得到折射率剖面，主要有高精度氣象儀和GPS探空儀。由于這種設備受傳感器精度和相關計算公式誤差的影響，獲得大氣波導特征參數的精度也不高。另一種是利用高精度的微波折射率儀直接測量大氣折射率，這種方法得到的折射率剖面是目前精度最高的。第三類是基于雷達海雜波的反演算法[6]。這類方法由于反演算法目前還不成熟，且算法本身的缺陷也制約了反演精度，同時也會受到海雜波中其他干擾信號的影響，因此精度較低。相比較而言，直接測量方法是獲得高精度蒸發波導特征參數較為實用的方法。

直接測量大氣折射率剖面常采用測量設備隨高度升高的方式，這就需要將測量數據進行采集與傳輸到地面處理設備中。鑒于目前常用的采集和傳輸速率較低[7-8]，傳統的數據傳輸方式為有線傳輸。有線傳輸在實驗或者使用過程中，由于線纜的雜亂無章會帶來一些使用的麻煩。同時現代無線數傳技術也在飛速發展，目前主要有藍牙無線數傳、WLAN無線數傳、ZigBee無線數傳和串口無線數傳等等。但是自身也都存在著不足之處，藍牙無線數傳存在傳輸距離短，傳輸速率低等問題，WLAN無線數傳和ZigBee無線數傳在傳輸距離和速率上滿足要求，但存在安全系數不高，成本較貴和功耗較高等問題。串口無線數傳是一種常見的無線數傳方式，能滿足本系統對傳輸距離和傳輸速率的要求，且成本和功耗較低，可長時間連續工作，操作簡單等，是最為符合本系統的無線數傳方式。

為了獲得高精度的詳細大氣波導參數，研制了基于STM32的高速蒸發波導數據采集和傳輸系統。不僅能夠滿足數據采集速率和數據處理速度的要求，也通過采用無線數傳系統，解決了傳統有線傳輸線雜亂無章的問題。另外，為了防止采集數據因其他故障而丟失數據，增加了實時數據存儲單元，方便備份，隨時存取。

1 高速數傳系統的總體設計

測量大氣波導的主要傳感器為微波折射率儀、氣象傳感器和高度傳感器。微波折射率儀輸出參數為大氣的折射率，氣象傳感器輸出參數為大氣的溫度、氣壓和濕度，高度傳感器輸出參數為測試設備的離地高度。由于這些傳感器輸出都是數字信號，因此不需要進行A/D轉換。

高速數傳系統主要由各類傳感器、RS485轉換模塊、STM32F103模塊、實時存儲模塊、無線傳輸模塊、上位機、電源等硬件和對數據進行整理編輯、通信等軟件組成，如圖1所示。

圖1 高速數傳系統組成

高速數傳系統在工作時，首先將微波折射率儀、氣象傳感器和高度傳感器采集到的數據通過RS485模塊信號進行格式轉換，然后再傳輸到STM32F103模塊中。在STM32F103模塊中不僅對數據進行處理和編輯，按照約定的數據幀格式進行排列，以滿足無線傳輸對數據格式的需要，而且也將編輯后的數據在實時存儲模塊中進行存儲，同時，也通過RS485模塊將數據傳輸到無線傳輸模塊進行數據無線傳輸。無線接收模塊接收到數據后傳輸到上位機，上位機數據進行處理，最后得到相關的蒸發波導特征參數。

2 高速數據采集系統構成和數據編輯設計

2.1 高速數據采集系統構成

高速數據采集系統的主控核心是STM32F103單片機，在這里所使用的單片機是32位的控制器[9-11]，相比之前的4位和8位單片機，具有高性能、高速率、實時性強和低功耗等優點，可滿足系統的采集精度和數據處理編輯速度。

折射率儀傳感器是自主研發的一款能精密測得大氣折射率的儀器，使用該傳感器可以得到目前最為精準的大氣折射率參數。

折射率儀傳感器可直接輸出大氣的折射率。高度傳感器采用激光測距傳感器，其測量參數為測試設備當前位置的離地高度H。

氣象傳感器測量到的溫、壓、濕等氣象參數可由下式計算出折射率N：

式中：N——折射率；

P——大氣壓強，hPa；

T——大氣溫度，K；

e——大氣濕度(水氣壓)，hPa，可由相對濕度計算出來[12]。

根據高度傳感器得到的高度H和折射率N值可得到修正折射率M剖面：

式中：M——修正折射率；

N——折射率；

H——測量高度，m；

R——地球半徑，一般取6 371 km。

3個傳感器采集的數據信息通過RS485模塊直接傳輸到STM32F103單片機控制系統進行處理。系統軟件程序采用模塊化編程思想，利用 Keil uVision5 開發環境，使用C語言編寫實現。系統主程序分為數據采集模塊、存儲模塊和控制輸出模塊。

在Keil uVision5中進行程序設計如下，在系統上電后，首先進行各個模塊的初始化，為了使數據穩定，在等待30 s后進行數據采集和傳輸。隨后判斷是否接收到上位機轉換指令，若無指令，則開始進行大氣波導測量系統的正常數據的采集和傳輸，傳輸頻率以默認的10/s進行工作；若接收到指令，則進入折射率儀實時監控子程序，進行折射率儀傳感器的單獨測量模式。在此單獨測試模式中，可以選擇實時采集的發送的頻率，共設有1/s、4/s、10/s、100/s 4個頻率可供自主選擇，頻率選擇指令將從上位機發送到主控中心，主控中心進行采集和發送頻率的切換，開始進行以自主選的擇頻率進行折射率儀傳感器的實時監控，流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

2.2 數據編輯設計

傳感器采集的數據信息傳輸到STM32F103單片機時，由于傳感器傳輸的數據不能被單片機直接識別處理，因此需要數據格式的轉換。在傳感器和單片機之間需要接入RS485轉換電路[13]，傳感器傳輸的數據信息通過該轉換電路到達單片機。RS485轉換電路如圖3所示。

圖3 RS485轉換電路圖

RS485轉換電路將把傳感器發出的RS485電平轉換為單片機可以進行識別和操作的TTL電平，通過單片機對數據進行編輯后再將單片機發出的TTL電平轉換為可以在線纜中高速通信的RS485電平。

電路采用TD5（3）21S485H轉換模塊，將連接外設的傳感器所傳輸的數據信息通過傳輸線纜和傳感器接口航空頭連接到P4P和P4N上，通過此電路完成數據信息從外設傳感器到RS485數據接口上，在TD5（3）21S485H數據接口上有引腳3、4分別為TX和RX，將這兩個引腳接到主控單片機的串口，以上兩個過程同時進行，就完成了數據信號從傳感器到主控模塊單片機的傳輸。

數據信息到達單片機后，單片機對各類傳感器的數據信息進行綜合處理，對數據格式進行編輯，按照一定的格式發送到上位機或存儲到本地實時存儲模塊中。各類數據信息編輯的格式如下：

1)串口參數：9 600，8，1。

2)上電默認標準模式：每秒傳輸10幀常規數據，幀頭0x4E，校驗位0xFB，幀格式詳見表1。

表1 幀結構

3)常規數據幀采用HEX格式直接連續發送，幀長固定12B，無效數據用FF填充，氣象和高度傳感器以最新讀取數據為準，幀結構如表1所示。

數據信息在單片機整理編輯完成后，串口發送輸出，再經過RS485轉換模塊到無線數傳模塊發送到上位機。

3 數據傳輸單元與存儲單元設計

3.1 數傳單元的設計

傳統的數據采集和通信過程中，采用的都是有線傳輸，有線傳輸的優點是可靠性高。但是在一些特定的條件下，無法進行有線傳輸（如在高空進行信號的采集，傳輸線太長且重而無法使用等）時，無線傳輸優點就很明顯[14]。無線傳輸克服了有線傳輸的缺點，隨著無線通信技術的發展，采用無線傳輸也可以保證通信的可靠性。

在大氣波導高速數據采集和數傳系統中，采取的信號傳輸方式是無線傳輸，采用的無線傳輸結構是對稱結構，收發一體，自動選擇的，因此無需區分發射端和接收端，方便實用。在實際測量中，只需要在接收端（任意一段）連接上位機，發送端（另外一端）連接數據采集系統，二者進行采集系統與上位機之間的信號傳輸，上位機通過無線傳輸發送指令，控制系統的工作狀態。圖4給出了無線傳輸原理圖。由數據采集器將采集到的數據通過串口接傳輸線連接到無線模塊1進行發射，在接收端是由無線模塊2接收，再通過傳輸線連接上位機串口進行數據處理。

圖4 無線數傳示意圖

本設計使用的是AS30-TTL-100無線傳輸模塊，AS30-TTL-100是一款433 MHz、100 mW，具有高穩定性，工業級的無線數傳模塊。采用Silicon Labs的Sl438設計開發，TTL電平輸出。模塊共有4種工作狀態，并可以在運行時自由切換，在省電工作狀態下，消耗電量極低，非常適合超低功耗使用。引腳連接圖如圖5所示。

AS30-TTL-100無線傳輸模塊在使用過程中，發送端與串口相連接，連接方式見圖5，發送模塊必須工作在喚醒工作狀態下，默認波特率為9 600 B/s，可調節。使用之前，首先進行兩端的配對連接，配對連接完成后，再進行數據傳輸。發送數據后，具有相同地址和相同信道的模塊均可接受，發送與接受數據完全相同，所發即所收。在發送時，也可指定模塊接收，與指定模塊具有相同地址和相同信道的模塊均可接受，允許多模塊接收。當在無工作狀態時，發射模塊處于省電工作狀態下，需要喚醒碼喚醒，發送端在“監聽”過程中受到喚醒碼，等待2 s，進入喚醒工作狀態，開始工作。此時發送端處于喚醒工作狀態，接收端處于省電狀態，當開始發送數據前，發射模塊可以在空中點醒接收模塊，此時發送端和接收端都處于工作狀態，收發數據。若無喚醒碼，則發送端和接收端則一直處于省電狀態，低功耗運行，直至收到喚醒碼。

圖5 引腳連接圖

在接收端可以通過串口連接到上位機端，在上位機可以通過串口助手進行數據解析或者參數設置。在大氣波導測量系統中，連接到上位機后，通過大氣波導參數分析軟件進行數據解析和處理，得到大氣波導參數。經過試驗證明，此無線數據傳輸通信系統十分符合大氣波導測量系統的需求，傳輸數據方便快捷，傳輸距離可達幾百米。

3.2 存儲單元的設計

本設計存儲模塊采用的是Flash存儲器[15]，保證數據存儲，實施掉電保護。設計采用AT24C02的128MbitFlash存儲器，在實際測量過程中，可以通過軟件界面操控存儲數據的格式，格式一是所有數據全部存儲，這樣存儲可以避免數據的丟失，但是存儲數據量大，所占空間大；格式二是合并存儲，并不是每組數據都進行存儲，而是在單片機內部將每4組或者每10組數據計算平均值，形成一組數據進行存儲，這樣可以最大地減少存儲字節數量，延長存儲器每次存儲的時長，在存儲器存儲容量不夠時，可時及時取出和清空。

4 實驗測試與分析

在軟硬件設計完成后，對本設備的各類指標進行了設計，在能保證系統性能的情況下，盡可能小型化。主要對以下幾方面進行設計，詳細指標如表2所示。

表2 詳細指標

為了驗證系統的采集速率和處理速率能否滿足要求，在日照市的海邊進行了實驗。高速數傳系統實驗流程如下：

1)系統上電等待30 s后，開始自動傳輸，上電默認每秒采集10次，實驗測試所得原始數據如圖6所示。

圖6 原始數據16進制碼

2)根據此16進制碼，由固定的傳輸協議可得到具體的溫、壓、濕、高度、折射率值等信息。在上位機端把16進制轉換為具體參數數據，再利用上位機軟件進行數據分析得到蒸發波導的具體參數信息。

實驗所得的修正折射率M隨高度H變化如圖7所示，得到的波導層分布如圖8所示。

圖7 折射率隨高度變化信息

圖8 獲得的波導層信息

在圖8中可得到蒸發波導參數信息（包括頂高、底高、厚度、強度）。針對獲得的波導參數可在其他軟件上進行電磁波在波導層內的超視距傳播情形，再根據不同的天線高度和發射仰角得到不同的傳播路徑，最終實現無線電系統實現超視距傳播功能。

通過實驗，將所得數據與傳統蒸發波導測量系統的數據相比較，結果如圖9所示。

圖9 一般數據采集系統和高速數據采集系統的測量結果比對

經過對比可以看出來，在高速數據采集和傳輸系統中，不僅得到了10 m以下的波導層，還在24～27 m之間存在較小的波導層。而一般的采集和傳輸系統只能得到10 m以下的波導層，此波導層的詳細參數與高速數據采集和傳輸系統得到的波導層參數幾乎一致，但是得不到24～27 m處的波導層。也就是說，一般的采集和傳輸系統只能獲得蒸發波導強度較大時波導特征信息，而高速數據采集和傳輸系統由于采集的數據較多，速率快，可以得到強度小得多的波導層，因此無論蒸發波導強度的大或小，都能獲得其特征信息。

5 結束語

基于STM32的高速蒸發波導數據采集系統是一種新型的數據采集和傳輸系統。使用的STM32F103單片機具有性能高、處理速度快、實時性強的優點，因此采集精度和采集頻率也大為提高，采集頻率可達到100/s，采用統一電源供電，大大提高了效率，同時也盡可能地降低了功耗。采用串口無線數據傳輸，避免了復雜的外部環境下傳統傳輸線的局限性。因此該系統非常適合長時間、高精度、高頻率、低成本的蒸發波導數據采集和通信工作。

本系統不僅僅適用于蒸發波導高速數傳系統，還適用于其他的數據采集和傳輸系統，在其他的數據采集和傳輸系統中只需要對傳感器和軟件進行稍加改動即可。