摘要：以嵌入式ARM處理器STM32F103VC為核心，結(jié)合無線通信和溫度檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套多點(diǎn)溫度同步采集系統(tǒng)。系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的采集模式對多點(diǎn)溫度進(jìn)行同步采集，并將時(shí)間信息及溫度數(shù)據(jù)存入SD卡，用戶可將SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)本機(jī)回放，也可讀入上位機(jī)進(jìn)行分析、存儲等。系統(tǒng)功耗極低，采用電池供電，采集過程無需人工干預(yù)，也可適用于野外溫度數(shù)據(jù)的采集與存儲。給出了硬件組成與軟件編制方法。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)溫度檢測精確，同步精度高，稍作修改即可實(shí)現(xiàn)對其它信號的同步采集。
關(guān)鍵詞：ARM；M32F103 VC；同步采集；SD卡；FATFS
0 引言
目前在工業(yè)控制及野外勘測等領(lǐng)域經(jīng)常需要同步測量不同地點(diǎn)的溫度參數(shù)，并進(jìn)行長時(shí)間記錄，完成后將時(shí)間同步的溫度數(shù)據(jù)載入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。但實(shí)現(xiàn)精度較高的時(shí)間同步一般采用有線同步技術(shù)，這樣就非常不便于應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)一種便攜式的、基于無線同步技術(shù)的多點(diǎn)溫度同步采集與存儲系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文給出了基于STM32F103VC微控制器和無線同步技術(shù)相結(jié)合的溫度采集系統(tǒng)，能夠根據(jù)事先設(shè)定好的模式對溫度參數(shù)進(jìn)行采集，并將同步時(shí)間及溫度數(shù)據(jù)存入SD卡進(jìn)行長期存儲。系統(tǒng)采用電池供電，特別適合不便于取市電的應(yīng)用場合。
1 硬件組成及原理
置于不同位置的溫度采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上完全相同，只是不同系統(tǒng)有唯一的ID號，ID號可人為設(shè)置。同步采集溫度時(shí)有以下幾種啟動(dòng)模式：溫度低越限、溫度高越限、溫度變化率越限、定時(shí)采集。任一滿足啟動(dòng)條件的系統(tǒng)都會發(fā)出無線指令，通知其它系統(tǒng)同步啟動(dòng)溫度采集。系統(tǒng)由微控制器模塊、電源模塊、人機(jī)接口、無線通信模塊、SD卡組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面就重要部分進(jìn)行分別介紹。
1．1 微控制器模塊
本系統(tǒng)的主控制器采用STM32F103VC處理器，與電源電路、時(shí)鐘電路、存儲器系統(tǒng)及復(fù)位電路共同組成微控制系統(tǒng)。復(fù)位電路選用了系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片IMP811S，可提供高效的電源監(jiān)視功能，確保系統(tǒng)工作正常。
STM32F103VC采用ARM公司的高性能“Cortex—M3”內(nèi)核。運(yùn)行的頻率高達(dá)72 MHz，指令速度達(dá)1．25 DMipa／MHz。在此基礎(chǔ)上還擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價(jià)比的嵌入式解決方案。STM32F103VC系統(tǒng)外圍接口單元主要包括支持60個(gè)中斷源的中斷控制器，2個(gè)DMA控制器，80個(gè)通用I／O口，1個(gè)SD卡接口，3個(gè)可編程波特率的UART，16路12位A／D轉(zhuǎn)換器，SD卡接口，2個(gè)多主機(jī)I2C總線控制器，3個(gè)SPI接口等。
1．2 無線通信接口
本設(shè)計(jì)各采集系統(tǒng)之間的無線同步采集采用單片射頻收發(fā)芯片NRF24L01，該芯片是真正的GFSK單收發(fā)芯片，內(nèi)置鏈路層，支持自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能，帶有地址及CRC檢驗(yàn)功能，數(shù)據(jù)傳輸率最高達(dá)2 Mbps，采用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速率最高位8 Mbps。基于NRF24L01芯片的無線通信接口電路見圖2，該種方式下，若采用阻抗匹配的天線，無線傳輸距離可達(dá)150 m，完全滿足常規(guī)采集需求。
圖2中，NRF24L01的SPI總線直接與STM32F103VC的SPl0接口相連，TX／RX選擇端CE和片選CSN與STM32F103VC的GPIO相連即可，中斷口IRQ連接于STM32F103VC的外部中斷0，以提供中斷信號。
1．3 人機(jī)接口與信息存儲
為了便于模式設(shè)置和參數(shù)顯示，系統(tǒng)加入了矩陣鍵盤和LCD顯示器。矩陣鍵盤直接與STM32F103VC的GPIO相連，采用掃描方式進(jìn)行按鍵檢測。顯示器選用LM9033四級灰度LCD模塊，該模塊功耗極低，帶有電源控制，特別適用于電池供電的系統(tǒng)。LM9033可采用并口或SPI接口方式，這里直接將其連接于STM32F103VC的SPI1接口。為了能夠?qū)r(shí)間信息及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行長時(shí)間存儲，系統(tǒng)加入了SD卡存儲裝置。由于STM32 F103VC芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與STM32F103VC的SD卡接口直接相連即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。
1．4 溫度檢測電路
溫度檢測采用熱電阻傳感器PT1000，信號調(diào)理電路如圖3所示。圖3中，PTl000與電阻R1、R2和Rt1組成電橋，調(diào)節(jié)電阻Rt1即可調(diào)零。由于信號較弱，所以后端采用A1和A2進(jìn)行兩級放大，放大器選用零漂移、軌對軌輸出的集成運(yùn)放LTC2051，該芯片內(nèi)部集成兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)放，一片即可滿足本系統(tǒng)需求，采用單電源供電。通過調(diào)節(jié)電阻Rt2即可實(shí)現(xiàn)量程的調(diào)節(jié)。因?yàn)闇囟茸兓容^緩慢，所以采用R9和C1組成一階低通濾波電路，濾除由電源噪聲等引起的干擾，以提高測量精度。運(yùn)放的輸出直接與STM32F103VC的內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器相連。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在溫度同步采集系統(tǒng)中，STM32F103VC完成無線通信、溫度檢測、參數(shù)輸入與顯示、SD卡讀寫等功能。整個(gè)系統(tǒng)軟件部分包括主程序、人機(jī)接口程序、無線通信程序、SD卡讀寫程序、文件系統(tǒng)程序、溫度計(jì)算程序、實(shí)時(shí)時(shí)間讀取、自診斷等功能模塊。由于軟件較復(fù)雜，所以實(shí)際編程中嵌入了μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
2．1 μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)
μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)是真正源碼公開的，采用占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，支持多達(dá)56個(gè)用戶任務(wù)，穩(wěn)定性和可靠性高，而且移植方便，占用內(nèi)存小。μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)中各任務(wù)要分配不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級用數(shù)字表示，數(shù)字越小其優(yōu)先級越高。針對本系統(tǒng)中各任務(wù)的重要性，為各任務(wù)分配了表1所示的優(yōu)先級。
2．2 無線通信程序
無線通信程序主要完成基于NRF24L01的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，要嚴(yán)格遵守其發(fā)送及接收時(shí)序。由于溫度采集時(shí)每個(gè)系統(tǒng)都可能成為發(fā)出同步啟動(dòng)信號的主機(jī)，因此采集前NRF24L01都配置為接受模式。若某個(gè)系統(tǒng)檢測到已滿足啟動(dòng)條件，則自動(dòng)配置為發(fā)送模式，將同步啟動(dòng)信號發(fā)送給其它系統(tǒng)，于是同步采集開始。將NRF24L01配置為增強(qiáng)型ShockBurst模式并啟動(dòng)自動(dòng)應(yīng)答，這樣可以在接收方接收到信號后自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答以確認(rèn)通信的正確性，發(fā)送方未收到應(yīng)答則會自動(dòng)重發(fā)，無需增加控制器的工作量。
2．3 SD卡讀寫程序
本系統(tǒng)SD卡采用了FatFS文件系統(tǒng)以方便將SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)通過讀卡器導(dǎo)入到上位計(jì)算機(jī)。FatFS是一種通用的文件系統(tǒng)模塊，在小型嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)。FatFS文件系統(tǒng)使用非常方便，因?yàn)镕atFS模塊完全與磁盤I／O層分開，因此只需要改寫對應(yīng)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)底層物理磁盤的讀寫與獲取當(dāng)前時(shí)間即可。本設(shè)計(jì)中應(yīng)用到這幾個(gè)函數(shù)：disk_initialize用來初始化磁盤驅(qū)動(dòng)器，這里初始化SD卡；disk_read用來讀SD卡扇區(qū)；disk_write用來寫SD卡扇區(qū)；disk_ioctl用來控制與設(shè)備相關(guān)的特性；get_fattime用來獲取當(dāng)前時(shí)間，為文件加蓋時(shí)間戳。時(shí)間的獲取采用讀STM32內(nèi)部RTC的方式實(shí)現(xiàn)，為此，要在RTC的備用電池引腳接3V的紐扣電池，以實(shí)現(xiàn)掉電后的時(shí)間維持。
3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
實(shí)驗(yàn)表明，NRF24L01芯片在2 Mbit／s的傳輸速率下，若SPI總線速率控制為4 Mbit／s，則主機(jī)發(fā)送從機(jī)地址與一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)需要90μs左右的時(shí)間延遲，因此無線同步采集的時(shí)問誤差可控制在90μs。若主機(jī)發(fā)送完同步信號后延遲90μs再啟動(dòng)采樣，則同步采集的時(shí)間誤差可控制在10μs內(nèi)，可滿足絕大部分同步采集的需要。經(jīng)測試，只加板載天線時(shí)無線傳輸距離在空曠地可達(dá)50 m，若使用專用天線，則無線傳輸距離可達(dá)150 m，適用于多種測量領(lǐng)域。
4 結(jié)束語
本文所設(shè)計(jì)的溫度同步采集系統(tǒng)具有成本低、精度高及可靠性高、通信距離遠(yuǎn)、存儲容量大等優(yōu)點(diǎn)，調(diào)節(jié)電位器即可實(shí)現(xiàn)溫度量程的調(diào)節(jié)，既適用常溫范圍測量，又適用于工業(yè)溫度范圍測量。同步采集后的數(shù)據(jù)很容易在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析、處理及打印等。將溫度調(diào)理電路做少量修改即可實(shí)現(xiàn)對壓力、濕度等其它物理量的同步采集，因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。