0 引言

    在地質災害監(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)被廣泛應用，監(jiān)測人員關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)場定時采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測方法已不能滿足當前地質災害監(jiān)測技術要求，本文利用ARM微控制器STM32F103和低噪聲雙通道模數(shù)轉換芯片ADS1256共同構建低功耗多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)不間斷實時采集，通過串口與GPRS模塊或北斗衛(wèi)星模塊實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸，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)總體設計

    多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由ARM微控制器STM32F103、A/D轉換電路、電源電路、數(shù)據(jù)存儲電路、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)調具體的數(shù)據(jù)采集、存儲與傳輸。A/D轉換電路可采集泥位、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，后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時在線查看及歷史查詢，數(shù)據(jù)存儲電路可將采集數(shù)據(jù)實時保存到SD卡中，方便以后數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

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72 MHz，內置高達512 KB的閃存和64 KB的SRAM，具備豐富的外設資源，主要包括ADC、RTC、I2C及SPI等接口?？商峁┧?、停機和待機三種省電模式，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)運行的效率與實時性。

2.2 A/D轉換電路

    A/D轉換電路選用TI公司推出的針對工業(yè)應用的模數(shù)轉換器ADS1256，其24位Δ-ΣADC適用于科學儀器、工藝控制等工業(yè)應用領域，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，其內部集成有輸入多路復用器、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)調實現(xiàn)各部分電源供給，實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。5 V電源由TPS54229E轉化提供，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)的多電源總線調節(jié)設計^[4]，3.3 V電源采用功耗非常低的降壓模塊LTC3631轉化提供。

2.4 數(shù)據(jù)存儲電路

    數(shù)據(jù)存儲電路主要由內部Flash和外部MicroSD卡兩部分組成^[5]。內部Flash用于系統(tǒng)內部傳感器的數(shù)據(jù)存儲，MicroSD卡用于采集野外現(xiàn)場監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)存儲。微控制器STM32F103采用SDIO模式驅動MicroSD卡工作，微控制器控制CLK作為MicroSD卡的時鐘信號線，在每個時鐘內可傳輸一位命令或數(shù)據(jù)；CMD是命令信號線，用于傳輸微控制器發(fā)出的命令或命令響應；監(jiān)測數(shù)據(jù)通過DATA0~DATA3四根數(shù)據(jù)線進行傳輸。此外，系統(tǒng)擴展EEPROM存儲器，采用Microchip公司的24LC512，用于存儲系統(tǒng)的ID、采集時間、采集頻率、工作模式、數(shù)據(jù)傳輸目標地址等相關參數(shù)，EEPROM內部存儲的信息為系統(tǒng)的定時與實時在線兩種工作模式提供標準參考。

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)傳輸時優(yōu)先選擇，無法滿足GPRS信號時選擇北斗衛(wèi)星傳輸模式。GPRS傳輸模塊選用華為GTM900C模塊，通過GPRS網(wǎng)絡以TCP/IP數(shù)據(jù)包方式將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心。北斗衛(wèi)星傳輸模塊選用國智恒集團的BGT-500模塊，可實現(xiàn)RDSS的雙向定位和短報文通信功能，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文方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心。

3 系統(tǒng)軟件設計

    系統(tǒng)軟件設計主要包括微控制器軟件設計、數(shù)據(jù)采集軟件設計、數(shù)據(jù)存儲軟件設計、數(shù)據(jù)傳輸軟件設計及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件設計。

3.1 微控制器軟件設計

    在微控制器的協(xié)調下完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、存儲與傳輸。微控制器軟件設計主要涉及系統(tǒng)工作狀態(tài)初始化、A/D轉換初始化、SDIO和MicroSD卡初始化及串口初始化。初始化完成后，微控制器進入到低功耗工作模式，相關數(shù)據(jù)采集通道自動進行相應的數(shù)據(jù)采集模式，當各個通道采集到數(shù)據(jù)后會發(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轉換軟件設計

    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)場信號的帶寬、被測信號精度、采集功耗，A/D數(shù)據(jù)采集在設置時要將ADS1256設置為可調模式，數(shù)據(jù)的輸出在模式選擇后與芯片時鐘頻率CLK有關，數(shù)據(jù)采集通過SPI通信協(xié)議，數(shù)據(jù)轉換后用TDM模式輸出，軟件流程圖如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)存儲軟件設計

    微控制器通過SDIO模式完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲，主要包括MicroSD卡的初始化、卡識別、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)的卡進行歸類，同時對操作電壓進行范圍驗證以保證CID和CSD數(shù)據(jù)能正常讀寫；STM32F103以時鐘頻率開始MicroSD卡的識別流程，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進行尋址，一旦RCA被接收，代表卡已進入待機狀態(tài)；接下來STM32F103發(fā)送SEND_CSD來獲取卡的CSD（Card Specific Data）寄存器內容，包括塊長度、卡存儲容量、最大時鐘速率等；然后進入讀寫狀態(tài)，通過調用SD_ReadDisk()函數(shù)與SD_WriteDisk()函數(shù)實現(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)傳輸軟件設計

    微控制器啟動數(shù)據(jù)傳輸程序后，對系統(tǒng)進行工作方式初始化，通過EEPROM讀取相關通信配置，比如設定服務器IP地址、端口號、設備號、工作時間等；然后由微處理器發(fā)出指令檢測現(xiàn)場傳輸信號，首先查詢GPRS模塊網(wǎng)絡是否注冊成功；成功后即可建立與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務器的連接，并進行數(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)絡信號自動切換到北斗衛(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（服務器）軟件作為TCP服務器端和北斗服務器端，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)送應答數(shù)據(jù)。主要任務是完成對通信數(shù)據(jù)的接收、分析、處理和存儲。首先服務器端啟動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)進行分析、處理，然后將數(shù)據(jù)存儲到數(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，給4個數(shù)據(jù)采集通道輸入模擬野外監(jiān)測傳感器的電壓信號，將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與采集通道的輸入電壓進行對比分析，測試結果如表1所示。

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

5 結語

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

參考文獻

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