基于STM32的氣象采集系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

石林羚

摘要：為滿足當(dāng)前海洋氣象數(shù)據(jù)參數(shù)的多樣化，傳感器種類增多的需求，設(shè)計了一種基于STM32處理器的模塊化浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。介紹了基于主機單元、傳感器和北斗通訊系統(tǒng)的模塊化數(shù)據(jù)采集處理的硬件電路，給出了各模塊的軟件流程。實際測試表明，該系統(tǒng)具有實時性、智能組合和擴展、高可靠性和維護(hù)性等特點，可靠運用于浮標(biāo)系統(tǒng)的海洋氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測和傳輸。

關(guān)鍵詞：STM32;模塊化;氣象數(shù)據(jù);采集系統(tǒng)

0 引言

隨著我國“數(shù)字海洋”建設(shè)不斷深入推進(jìn)，海洋觀測已進(jìn)入到對海洋動力、大氣、環(huán)境、突發(fā)事件等實行全天候立體觀測階段，觀測參數(shù)已從傳統(tǒng)的風(fēng)、溫、濕、壓、波浪觀測擴展到鹽、流、水質(zhì)、碳?xì)?、幅射、光照度等，傳感器?shù)量類型繁多，接口包括模擬、脈沖、數(shù)字（232、485、422等）等。復(fù)雜化帶來了監(jiān)測傳感器的專業(yè)化和多樣化，傳統(tǒng)浮標(biāo)單一采集系統(tǒng)已不適應(yīng)傳感器多樣化的搭配組合，數(shù)據(jù)采集和處理的實時性已難以滿足要求。

基于以上要求，本文研究的主要內(nèi)容是基于CAN總線的模塊化浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。包括下位機軟件和硬件的設(shè)計，以及CAN總線通信的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件主要模塊設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件組成框圖

1.2 系統(tǒng)的硬件部分主要由主控模塊、采集模塊和U盤存儲模塊和電源模塊組成。硬件的組成框圖如圖1所示。

1.2.1電源供電模塊

電源模塊的電路設(shè)計考慮其輸入電壓范圍應(yīng)滿足DC12V～20V，輸出電壓一方面作為控制器工作電源，另一方面為配置的傳感器提供電源。從系統(tǒng)電源的負(fù)載來看，DC12的負(fù)載包括控制器、實時傳輸設(shè)備和大多數(shù)傳感器，每個浮標(biāo)的配置不同，總功耗不同，根據(jù)具體配置設(shè)計太陽能電池板的功率和蓄電池的容量。電源模塊的輸出負(fù)載根據(jù)目前配置過的負(fù)載，考慮一定的擴展容量，DC5V輸出電流2A; DC24V輸出電流為5A。

1.2.2主控模塊

主控模塊為設(shè)備控制中心，集數(shù)據(jù)處理、存儲、通訊于一體，主要功能是采集與之連接傳感器的數(shù)據(jù)，同時通過CAN總線與各采集模塊通訊，接收各采集模塊采集的傳感器的數(shù)據(jù)，將所接收的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，存儲在存儲設(shè)備中，并通過北斗終端按工作周期發(fā)送至岸站。

1.2.3數(shù)據(jù)采集處理模塊

模塊的MCU采用超低功耗STM32 L4系列 - ARM CORTEX-M4 ULTRA-LOW-POWER MCUs為核心控制器。

采集模塊的輸入電源為DC5V，電源電路將DC5V通過自恢復(fù)保險連接5V轉(zhuǎn)3.3V電路，DC3.3V為主控模塊的數(shù)字電路供電，輸出電流為0.5A;基準(zhǔn)電壓由3.3V轉(zhuǎn)2.5V電壓基準(zhǔn)電路實現(xiàn)，為A/D轉(zhuǎn)換提供基準(zhǔn)。

采集模塊對外設(shè)計了多路RS232電路、RS485通道。所有通道的電源為可控，電源為DC12V、DC24V、DC5V、DC3.3V可選，根據(jù)系統(tǒng)配置的傳感器可將電源設(shè)置為間斷上電或常通電。采集模塊將采集的數(shù)據(jù)處理后通過CAN總線向主控模塊傳輸。

2 系統(tǒng)軟件主要模塊設(shè)計

該系統(tǒng)軟件是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的，集嵌入式技術(shù)、CAN總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)于一體的STM32低功耗單片機進(jìn)行開發(fā);使用具有友好交互界面的Keil 編譯器進(jìn)行編譯。后續(xù)將開發(fā)基于操作系統(tǒng)的浮標(biāo)采集系統(tǒng)軟件。

該系統(tǒng)軟件通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)將氣象傳感器的數(shù)據(jù)與主采集系統(tǒng)通信，和具有高可靠性、實時性和靈活性的優(yōu)點進(jìn)行模塊化設(shè)計，具有可智能擴展A/D、RS232和RS485接口的各型傳感器。該軟件主要包括主控軟件和采集板軟件。

2.1 主軟件組成框圖如圖2。

主控軟件流程圖如圖3所示：

主控軟件主要將數(shù)據(jù)采集板接受到的氣象數(shù)據(jù)，按照預(yù)先定義的軟件協(xié)議進(jìn)行解析后，送實時數(shù)據(jù)顯示，將周期數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，形成周期存儲數(shù)據(jù)和周期傳輸數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)存儲模塊通過對SD卡的操作，將打包好的周期數(shù)據(jù)，存儲至U盤。該通過CAN總線通訊，將同步信號發(fā)送至采集板，使主控板和采集板之間同步傳輸。采集板通過同步信號，判斷是否開啟傳感器電源或傳輸數(shù)據(jù)至主控板。在數(shù)據(jù)傳輸方面，運用CAN總線傳輸技術(shù);CAN總線傳輸采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 采集板軟件組成框圖如圖4。

采集板軟件流程圖如圖5所示：

分別通過采集板的串口和AD口，按照時序接收到傳感器傳輸?shù)臍庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行解析。采集板將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送至主控板。主控板按照規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行U盤數(shù)據(jù)打包和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)打包。

3.測試結(jié)果

在PC機上顯示的測試結(jié)果如圖6所示。將采集的氣象、水文等數(shù)據(jù)通過CDMA網(wǎng)絡(luò)、北斗衛(wèi)星接收進(jìn)行處理、存儲及顯示。

4.結(jié)束語

本文提出了一種基于STM32的氣象采集系統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法，介紹了采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。模塊化設(shè)計和分層設(shè)計，保證軟件的實時性和可靠性。

本系統(tǒng)于2016年10月至12月，進(jìn)行了海上試運行試驗，對設(shè)備全部功能進(jìn)行全方位、長時間的測試。經(jīng)測試，其性能穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：（略）