0 引言

    在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，需要監(jiān)測泥位、地聲、次聲、位移等多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，監(jiān)測人員關(guān)注的不再是采集系統(tǒng)的功能，而是其基本性能，如采集速度、采集精度、抗干擾能力^[1]。而且，以往人工到現(xiàn)場定時(shí)采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測方法已不能滿足當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)要求，本文利用ARM微控制器STM32F103和低噪聲雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1256共同構(gòu)建低功耗多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)不間斷實(shí)時(shí)采集，通過串口與GPRS模塊或北斗衛(wèi)星模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸，有效提高監(jiān)測參數(shù)精度，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性，降低系統(tǒng)功耗。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由ARM微控制器STM32F103、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)傳輸電路和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成^[2]。STM32F103作為多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，控制協(xié)調(diào)具體的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸。A/D轉(zhuǎn)換電路可采集泥位、地聲、次聲、位移等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，STM32F103將采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)簡單分析處理后通過數(shù)據(jù)傳輸電路傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)傳輸主要通過GPRS或北斗衛(wèi)星模塊上傳，后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線查看及歷史查詢，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路可將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到SD卡中，方便以后數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器簡介

    微控制器采用STM32系列的32位微控制器STM32F103R8。它采用ARM32位Cortex TM-M3的CPU，主頻可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高達(dá)512 KB的閃存和64 KB的SRAM，具備豐富的外設(shè)資源，主要包括ADC、RTC、I2C及SPI等接口?？商峁┧?、停機(jī)和待機(jī)三種省電模式，有效保證系統(tǒng)的低功耗性，而且Thumb-2指令集可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率與實(shí)時(shí)性。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

    A/D轉(zhuǎn)換電路選用TI公司推出的針對工業(yè)應(yīng)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256，其24位Δ-ΣADC適用于科學(xué)儀器、工藝控制等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，提供了最高23位的無噪聲精度、最高30 kS/s的數(shù)據(jù)速率、±0.001 0% 非線性特性，非常適合用于高速、高精度數(shù)據(jù)采集，其內(nèi)部集成有輸入多路復(fù)用器、輸入緩沖器、可編程增益放大器^[3]。

2.3 電源電路

    電源電路采用太陽能浮充鋰電池作為供電電源，鋰電池組基本參數(shù)為12 V/16 Ah，通過電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)提供12 V、5 V及3.3 V三路工作電源，微控制器通過程序管理協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)各部分電源供給，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。5 V電源由TPS54229E轉(zhuǎn)化提供，支持寬電壓輸入，集成高效率FET，電路PCB空間較小，適合多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多電源總線調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)^[4]，3.3 V電源采用功耗非常低的降壓模塊LTC3631轉(zhuǎn)化提供。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路主要由內(nèi)部Flash和外部MicroSD卡兩部分組成^[5]。內(nèi)部Flash用于系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，MicroSD卡用于采集野外現(xiàn)場監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。微控制器STM32F103采用SDIO模式驅(qū)動(dòng)MicroSD卡工作，微控制器控制CLK作為MicroSD卡的時(shí)鐘信號(hào)線，在每個(gè)時(shí)鐘內(nèi)可傳輸一位命令或數(shù)據(jù)；CMD是命令信號(hào)線，用于傳輸微控制器發(fā)出的命令或命令響應(yīng)；監(jiān)測數(shù)據(jù)通過DATA0~DATA3四根數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸。此外，系統(tǒng)擴(kuò)展EEPROM存儲(chǔ)器，采用Microchip公司的24LC512，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的ID、采集時(shí)間、采集頻率、工作模式、數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)地址等相關(guān)參數(shù)，EEPROM內(nèi)部存儲(chǔ)的信息為系統(tǒng)的定時(shí)與實(shí)時(shí)在線兩種工作模式提供標(biāo)準(zhǔn)參考。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸電路

    數(shù)據(jù)傳輸電路分為GPRS和北斗衛(wèi)星傳輸，系統(tǒng)通過RS232串口分別與GPRS和北斗衛(wèi)星傳輸模塊連接。GPRS傳輸作為常規(guī)的傳輸模式，傳輸模式簡單、可靠、穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)優(yōu)先選擇，無法滿足GPRS信號(hào)時(shí)選擇北斗衛(wèi)星傳輸模式。GPRS傳輸模塊選用華為GTM900C模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP數(shù)據(jù)包方式將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。北斗衛(wèi)星傳輸模塊選用國智恒集團(tuán)的BGT-500模塊，可實(shí)現(xiàn)RDSS的雙向定位和短報(bào)文通信功能，具有較高的集成度和更低的功耗，系統(tǒng)通過北斗通信模塊以短報(bào)文方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括微控制器軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)。

3.1 微控制器軟件設(shè)計(jì)

    在微控制器的協(xié)調(diào)下完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸。微控制器軟件設(shè)計(jì)主要涉及系統(tǒng)工作狀態(tài)初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、SDIO和MicroSD卡初始化及串口初始化。初始化完成后，微控制器進(jìn)入到低功耗工作模式，相關(guān)數(shù)據(jù)采集通道自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模式，當(dāng)各個(gè)通道采集到數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)出采集完成中斷來喚醒微控制器，中斷子程序流程圖如圖2所示^[6]。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集程序由微控制器與ADS1256共同完成，數(shù)據(jù)采集包括A/D數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集，A/D數(shù)據(jù)采集包括被測現(xiàn)場信號(hào)的帶寬、被測信號(hào)精度、采集功耗，A/D數(shù)據(jù)采集在設(shè)置時(shí)要將ADS1256設(shè)置為可調(diào)模式，數(shù)據(jù)的輸出在模式選擇后與芯片時(shí)鐘頻率CLK有關(guān)，數(shù)據(jù)采集通過SPI通信協(xié)議，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后用TDM模式輸出，軟件流程圖如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)

    微控制器通過SDIO模式完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，主要包括MicroSD卡的初始化、卡識(shí)別、采集數(shù)據(jù)的讀寫^[7]。上電初始化后，微控制器通過庫函數(shù)SDIO_Init（）配置SD卡時(shí)鐘，發(fā)送命令檢測是否有SD卡存在并對接入系統(tǒng)的卡進(jìn)行歸類，同時(shí)對操作電壓進(jìn)行范圍驗(yàn)證以保證CID和CSD數(shù)據(jù)能正常讀寫；STM32F103以時(shí)鐘頻率開始MicroSD卡的識(shí)別流程，發(fā)送ALL_SEND_CID獲取MicroSD的CID(unique card identification)，發(fā)送SEND_RELATIVE_ADDR獲取RCA（Relative Card Address），RCA用于對MicroSD進(jìn)行尋址，一旦RCA被接收，代表卡已進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；接下來STM32F103發(fā)送SEND_CSD來獲取卡的CSD（Card Specific Data）寄存器內(nèi)容，包括塊長度、卡存儲(chǔ)容量、最大時(shí)鐘速率等；然后進(jìn)入讀寫狀態(tài)，通過調(diào)用SD_ReadDisk()函數(shù)與SD_WriteDisk()函數(shù)實(shí)現(xiàn)微控制器與MicroSD卡之間的數(shù)據(jù)讀寫操作。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

    微控制器啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸程序后，對系統(tǒng)進(jìn)行工作方式初始化，通過EEPROM讀取相關(guān)通信配置，比如設(shè)定服務(wù)器IP地址、端口號(hào)、設(shè)備號(hào)、工作時(shí)間等；然后由微處理器發(fā)出指令檢測現(xiàn)場傳輸信號(hào)，首先查詢GPRS模塊網(wǎng)絡(luò)是否注冊成功；成功后即可建立與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務(wù)器的連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理；根據(jù)需要發(fā)送一定格式的心跳信息。一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場無GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)自動(dòng)切換到北斗衛(wèi)星傳輸模式，現(xiàn)場北斗傳輸模塊上電后微處理器向北斗發(fā)送IC卡檢測命令，回復(fù)正確后向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心發(fā)送通信申請，收到命令后才發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖如圖4所示。

3.5 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心程序流程圖

    數(shù)據(jù)監(jiān)控中心（服務(wù)器）軟件作為TCP服務(wù)器端和北斗服務(wù)器端，具有公網(wǎng)固定IP地址且開放監(jiān)聽端口，分別接收來自GPRS客戶端的TCP數(shù)據(jù)包與北斗客戶端的數(shù)據(jù)，并向客戶端發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)。主要任務(wù)是完成對通信數(shù)據(jù)的接收、分析、處理和存儲(chǔ)。首先服務(wù)器端啟動(dòng)TCP/IP監(jiān)聽和打開串口，監(jiān)聽TCP端口和串口，將接收到數(shù)據(jù)包/數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，便于以后數(shù)據(jù)查詢與分析^[8]。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試與分析

    為驗(yàn)證測試多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能功能，搭建野外模擬數(shù)據(jù)測試平臺(tái)，給4個(gè)數(shù)據(jù)采集通道輸入模擬野外監(jiān)測傳感器的電壓信號(hào)，將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與采集通道的輸入電壓進(jìn)行對比分析，測試結(jié)果如表1所示。

    從兩組測試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)4個(gè)采集通道均可準(zhǔn)確對輸入電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采集數(shù)據(jù)可以精確到小數(shù)點(diǎn)后3位，系統(tǒng)采樣結(jié)果相對誤差較小，完全滿足對野外監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度要求。

5 結(jié)語

    本文以嵌入式微處理器STM32F103與ADS1256共同構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分發(fā)揮STM32F103的控制協(xié)調(diào)作用，可實(shí)時(shí)在線采集0~5 V電壓輸出型的不同傳感器信號(hào)，有效保證數(shù)據(jù)采集精度、實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)處理能力，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心與地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線通信，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢、分析及數(shù)據(jù)處理。軟硬件架構(gòu)的合理設(shè)計(jì)有效降低了系統(tǒng)的成本與功耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化與智能化采集，可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害野外現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中有較好的應(yīng)用前景。

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