基于STM32的分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀

趙 科 楊照中 鞠艷杰

(1.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)人民解放軍63981部隊(duì))

基于STM32的分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀

趙 科1，2楊照中3鞠艷杰1

(1.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)人民解放軍63981部隊(duì))

采用STM32主控器采集并處理數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)制作分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀，由相關(guān)傳感器檢測(cè)溫濕度、煙霧濃度和氣體濃度。分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀設(shè)有CAN接口和無(wú)線接口，可實(shí)現(xiàn)多監(jiān)測(cè)儀組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控。該監(jiān)測(cè)儀具有精度高、響應(yīng)快及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并能通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀 STM32主控器 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸 電路

化工企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，普遍存在有毒有害和易燃?xì)怏w，另外化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也需要合適的溫濕度，因此對(duì)化工企業(yè)環(huán)境的一些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制顯得尤為重要[1]?；て髽I(yè)工作現(xiàn)場(chǎng)面積較大，而傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多由人工操控，并且監(jiān)測(cè)范圍僅限于幾個(gè)點(diǎn)和工作面，監(jiān)測(cè)頻率也較低，難以保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，難以對(duì)環(huán)境要素進(jìn)行全時(shí)段和全方位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究取得了一定成果，但存在只具備個(gè)別的監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)參數(shù)單一、數(shù)據(jù)采集傳輸速度慢及智能化程度低等缺陷[3]?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制克服了傳統(tǒng)的多點(diǎn)直通式布線控制的一些缺點(diǎn)，使布線具有簡(jiǎn)潔、維修方便、排錯(cuò)容易及便于管理等優(yōu)點(diǎn)[4]。對(duì)于有毒有害、危險(xiǎn)或不宜布線的工作現(xiàn)場(chǎng)，可以通過(guò)無(wú)線模塊對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行采集、記錄和控制，以保證生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠、產(chǎn)品質(zhì)量也能有效提高[5]。溫濕度對(duì)各種傳感器的精度也有較大影響，通過(guò)采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度對(duì)其他傳感器進(jìn)行補(bǔ)償和線性化處理，來(lái)提高監(jiān)測(cè)儀的精度[6]。因此，需要設(shè)計(jì)智能化多點(diǎn)多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。

分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)集中管理和分布監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)多類型參數(shù)的采集組網(wǎng)和多點(diǎn)組網(wǎng)，而且能夠遠(yuǎn)程接收監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)大量的多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行管理的功能，并且能夠?qū)Ρ镜乇O(jiān)測(cè)儀進(jìn)行調(diào)試和配置。在需要更換監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)時(shí)，只需更換或增減監(jiān)測(cè)儀的相應(yīng)傳感器，監(jiān)測(cè)儀就能自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行配置，工作人員僅需進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)零和參數(shù)設(shè)定，不需要更改硬件電路和嵌入式軟件，從而最大程度地節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間[7，8]。

1 總體方案

分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀采用高性能的STM32主控器，多種傳感器，無(wú)線通信和CAN總線，存儲(chǔ)和顯示，以及輸出電路構(gòu)成系統(tǒng)的硬件電路(圖1)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)采集，多點(diǎn)采集，便于組網(wǎng)，方便分布式控制。利用溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度，并對(duì)其他傳感器進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償，采集煙霧濃度和一些氣體濃度并進(jìn)行調(diào)理，送至STM32控制器的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)模塊化編程采用靈活的控制算法控制輸出。通過(guò)狀態(tài)指示電路和報(bào)警電路輸出控制器的工況和報(bào)警情況；以太網(wǎng)和RS232串口可以對(duì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、程序調(diào)試或作為功能擴(kuò)展接口。通過(guò)CAN總線和無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主機(jī)和從機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)多地多參數(shù)的從機(jī)分布控制和主機(jī)集中控制相結(jié)合。

圖1 分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀組成框圖

采用STM32作為監(jiān)測(cè)儀的主控器，充分發(fā)揮其內(nèi)核優(yōu)勢(shì)，并方便后期功能擴(kuò)展和相近傳感器通用驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行速度快，并具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2 硬件部分

2.1 最小系統(tǒng)

主控制器采用CortexTM-M3內(nèi)核架構(gòu)的低功耗高性能32位STM32F207ZGT6器件，內(nèi)置SPI、CAN、ETH、FSMC、I2C、USB及RS232等通信接口，內(nèi)置512KByte只讀存儲(chǔ)器和64KByte靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，含有多個(gè)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，含多個(gè)可配置復(fù)用的I/O端口，完全滿足設(shè)計(jì)要求以及后期的擴(kuò)展和傳感器互換要求。

主控制器的典型工作電壓3.3V，電源模塊提供穩(wěn)定的5.0V直流電壓，并采用線性模塊轉(zhuǎn)換為3.3V供電，電源電路配置有多個(gè)保護(hù)器件，使電源供電穩(wěn)定安全?？刂破鞑捎?.000MHz晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘，32.768kHz晶振提供RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘。為防止程序“跑飛”或系統(tǒng)掉電等意外情況，主控器外加了可手動(dòng)復(fù)位和STWD100“看門(mén)狗”自動(dòng)復(fù)位電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 信號(hào)采集電路

2.2.1 溫濕度信號(hào)采集電路

采用響應(yīng)快、功耗低且可靠性高的SHT75傳感器進(jìn)行溫濕度信號(hào)采集，該傳感器采用二線串口與主控制器進(jìn)行通信，接口電路簡(jiǎn)單可靠，DATA雙向串行數(shù)據(jù)端接10kΩ上拉電阻，在SCK串行通信時(shí)鐘上升沿時(shí)采集雙向串行數(shù)據(jù)DATA信號(hào)，在SCK時(shí)鐘下降沿之后DATA信號(hào)可以改變狀態(tài)。傳感器信號(hào)傳輸過(guò)程為：傳輸啟動(dòng)、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)測(cè)量和休眠。SHT75集成了溫濕度敏感元件、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理電路、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器、循環(huán)冗余校驗(yàn)及串行接口等電路，方便利用STM32的I2C通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SHT75的工作電壓3.3V，平均工作電流28μA，濕度測(cè)量精度±1.8%RH，溫度測(cè)量精度達(dá)±0.3℃，溫度測(cè)量范圍-40.0～123.8℃、分辨率可達(dá)14位，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求[9]。

2.2.2 氣體信號(hào)采集電路

待測(cè)氣體濃度正比于其電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流，故可通過(guò)測(cè)量電流確定氣體濃度。選用高精度、低溫漂且高增益的運(yùn)放AD8574設(shè)計(jì)多級(jí)前置信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)I/V變換并放大輸出電壓信號(hào)，送至主控器的A/D轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)氣體的信號(hào)采集。為提高信噪比，各級(jí)放大電路均使用電容濾除高頻干擾。傳感器采用穩(wěn)定的3.3V供電，并根據(jù)溫濕度傳感器采集的環(huán)境溫濕度信號(hào)，采用最小二乘法對(duì)氣體濃度進(jìn)行線性化處理補(bǔ)償來(lái)提高氣體傳感器采集信號(hào)的精度[10]。

2.2.3 煙霧信號(hào)采集電路

通過(guò)主控器控制紅外發(fā)光管發(fā)光，而煙霧粒子對(duì)光線進(jìn)行吸收和散射，故可以將煙霧信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為接收到的光線強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)光/電變化。選用低噪聲超高速型放大器ADA4817-1實(shí)現(xiàn)I/V變換，最終將煙霧的變化反映到輸出電壓的變化。由于光電接收電路響應(yīng)的光電流較小，需要多級(jí)放大電路，并設(shè)計(jì)前置各級(jí)高通濾波，濾掉各級(jí)直流成分，末級(jí)采用約為1.6Hz的平滑濾波器，完善檢波輸出電路的電壓信號(hào)，最后送至主控器片內(nèi)A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[11]。

2.3 通信接口電路

STM32內(nèi)置以太網(wǎng)模塊支持IEEE802.3協(xié)議的MII和RMII接口，與DP83848IVV以太網(wǎng)收發(fā)器接口簡(jiǎn)單，配置方便。收發(fā)器DP83848IVV的輸出端通過(guò)HX1198NL網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸、雜波抑制、阻抗匹配及高電壓隔離等，提高信息的安全性。

STM32控制器USART接口與ADM3251收發(fā)器接口電路簡(jiǎn)單，內(nèi)置隔離電源，同時(shí)對(duì)收發(fā)進(jìn)行了共模和差模保護(hù)，提高接口抗干擾性能。使用超級(jí)終端可以對(duì)程序進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)試下載。

無(wú)線模塊NRF24L01通過(guò)SPI接口與STM32控制器通信，配置方便，傳輸速度最高可達(dá)18MHz，接口電路如圖2所示。該無(wú)線模塊采用2.4G的ISM頻段，GFSK調(diào)制，內(nèi)置CRC檢錯(cuò)機(jī)制，可控制點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，可進(jìn)行自動(dòng)應(yīng)答設(shè)置，確保數(shù)據(jù)傳輸可靠。

圖2 SPI接口電路

SJA1000控制器內(nèi)置于STM32主控器，與CAN收發(fā)器ADM3053接口電路簡(jiǎn)單，并有很高的抗干擾能力，完全滿足惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)下的信息可靠傳輸。SJA1000控制器的TX端和RX端與ADM3053收發(fā)器電氣隔離，并提供隔離電源，提高了CAN節(jié)點(diǎn)的EMC性能，接有120Ω終端電阻，防止信號(hào)反射。

2.4 人機(jī)接口電路

人機(jī)接口電路包括狀態(tài)指示電路、鍵盤(pán)輸入電路、報(bào)警電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路及存儲(chǔ)電路等。

通過(guò)LED燈指示監(jiān)測(cè)儀工況，可以指示電源、無(wú)線通信、串口收發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)行正常與否及信號(hào)超限等。通過(guò)SN74ABT245BPW總線收發(fā)器提高驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)控制器GPIO驅(qū)動(dòng)LED指示燈。

采用薄膜開(kāi)關(guān)鍵盤(pán)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。主控制器通過(guò)GPIO識(shí)別各按鍵碼并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

報(bào)警電路用于監(jiān)測(cè)儀錯(cuò)誤報(bào)警、氣體濃度和溫濕度超上下限報(bào)警及自動(dòng)解除報(bào)警等功能。

驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)STM32控制器輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警設(shè)備，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膽?yīng)急處理，如打開(kāi)排風(fēng)扇或啟動(dòng)給氧設(shè)備。

顯示電路選用TFT-LCD屏，ILI9325顯示屏色彩控制器，自帶觸摸功能控制器TH2046，使用16位并行數(shù)據(jù)接口。通過(guò)STM32的FSMC接口與顯示屏接線端相連，F(xiàn)SMC接口可靈活配置，顯示監(jiān)測(cè)儀當(dāng)前信息，如氣體濃度、煙霧濃度、溫濕度及采集時(shí)間等信息，方便一屏多顯。

由于監(jiān)測(cè)儀所用傳感器較多，采集數(shù)據(jù)較多，程序量較大，需要進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。通過(guò)STM32的FSMC接口進(jìn)行外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展，方便嵌入式系統(tǒng)移植、存放啟動(dòng)代碼等[12，13]，F(xiàn)SMC接口電路如圖3所示。通過(guò)I2C總線擴(kuò)展了E2PROM存儲(chǔ)器對(duì)一些設(shè)備地址進(jìn)行記錄。

圖3 FSMC接口電路

3 軟件部分

在Keil μVision4環(huán)境下利用STM32的固件庫(kù)對(duì)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)程序進(jìn)行模塊化編程，系統(tǒng)程序(圖4)主要包括系統(tǒng)初始化，多參數(shù)信號(hào)采集、處理、報(bào)警，驅(qū)動(dòng)輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及顯示、各通信接口驅(qū)動(dòng)等程序[14,15]。

圖4 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)主程序首先對(duì)主控器各外設(shè)初始化，包括GPIO端口配置，初始化時(shí)鐘，以及USART、I2C、ETH、SPI、ADC初始化等，之后進(jìn)行監(jiān)測(cè)儀工作參數(shù)設(shè)置校驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)各傳感器進(jìn)行多參數(shù)數(shù)據(jù)采集，然后處理采集信息并存儲(chǔ)顯示，作出報(bào)警判斷并輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。使能CAN接口和無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，同時(shí)接收遠(yuǎn)程上位機(jī)的調(diào)試、參數(shù)配置等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

由于篇幅所限，只列出通過(guò)STM32的FSMC初始化外部SRAM的步驟。

首先，使能FSMC時(shí)鐘，并配置FSMC相關(guān)的IO及其時(shí)鐘使能，程序代碼如下：

RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_FSMC,ENABLE);//使能FSMC時(shí)鐘

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=0xFF33;//PORTD復(fù)用推挽輸出，其他端口復(fù)用程序類同，略

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//復(fù)用推挽輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);

readWriteTiming.FSMC_AddressSetupTime=0x00;//地址建立時(shí)間為1個(gè)HCLK

readWriteTiming.FSMC_AddressHoldTime=0x00;//地址保持時(shí)間模式A

readWriteTiming.FSMC_DataSetupTime=0x03;//數(shù)據(jù)保持時(shí)間為3個(gè)HCLK

然后，設(shè)置FSMC的BANK1區(qū)域3。此部分包括設(shè)置區(qū)域3的存儲(chǔ)器的工作模式、位寬及讀寫(xiě)時(shí)序等，程序代碼如下：

readWriteTiming.FSMC_AccessMode=FSMC_AccessMode_A;//模式A

FSMC_NSInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth=FSMC_MemoryDataWidth_16b;//存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)16bit

FSMC_NSInitStructure.FSMC_WriteOperation=FSMC_WriteOperation_Enable;//存儲(chǔ)器寫(xiě)使能

FSMC_NSInitStructure.FSMC_ExtendedMode=FSMC_ExtendedMode_Disable;//讀寫(xiě)使用相同時(shí)序

FSMC_NORSRAMInit(&FSMC_NSInitStructure);//初始化FSMC配置

最后，使能BANK1區(qū)域3，程序代碼如下：

FSMC_NORSRAMCmd(FSMC_Bank1_NORSRAM3,ENABLE);//使能BANK3

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于STM32的分布式多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀能夠準(zhǔn)確采集多種信號(hào)參數(shù)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊或CAN總線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地與監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。該監(jiān)測(cè)儀具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、互換性好和遠(yuǎn)程通信的特點(diǎn)，可以構(gòu)成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的多參數(shù)多區(qū)域監(jiān)測(cè)，具有較好的通用性。采用上位機(jī)集中管理控制的基于CAN總線接口和無(wú)線接口的分布式多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)儀將具有廣泛的應(yīng)用前景。

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ZHAO Ke1,2, YANG Zhao-zhong3, JU Yan-jie1
(1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,DalianJiaotongUniversity;2.ArtificialIntelligenceKeyLaboratoryofSichuanProvince; 3.No. 63981TroopofPLA)

Taking STM32 controller as the data acquisition and processing center, a distributed multi-parameter monitor was designed, in which, the sensor employed can detect temperature and humidity and gas concentration and smoke concentration; and the monitor has CAN and wireless communication interface to constitute a multi-sensor network and to transfer and control data remotely. The result shows that, this monitor has high precision, fast response and good stability and it can achieve CAN and wireless data transmission.

multi-parameter monitor, STM32 controller, data wireless transmission, circuit

TH862

A

1000-3932(2017)02-0161-05

2016-04-20，

2016-11-10)

DesignofDistributedMulti-parameterMonitorBasedonSTM32

人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2015RYJ06)。

趙科(1978-)，講師，從事智能網(wǎng)絡(luò)控制的研究，zhaoke@djtu.edu.cn。