基于STM32的多路傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

過怡，張振，張棋

（蘇州市職業(yè)大學計算機工程學院，江蘇蘇州，215000）

0 引言

目前，物流、裝配等勞動密集型行業(yè)中，企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、降低成本，AGV 智能車的使用是大量企業(yè)進行改革和優(yōu)化的一個方向。AGV（Automated Guided Vehicle）智能車是由汽車和智能技術(shù)演變而來，是一種在計算機監(jiān)控下，根據(jù)具體規(guī)劃和作業(yè)要求完成取貨、送貨、充電等任務(wù)的無人駕駛自動化車輛，其效率高、靈活性好，在國內(nèi)的物流、裝配及制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

為了提高AGV智能車的控制靈敏性，往往會在智能車身上安裝種類眾多的傳感器模塊，通過傳感器獲得工作環(huán)境的各種狀態(tài)，軟件系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)控制車輛進行相應(yīng)的操作，從而使車輛具有智能化的特點。系統(tǒng)中使用的智能車安裝了：火焰?zhèn)鞲衅?、可燃氣體傳感器、雨滴傳感器、光敏傳感器。由于傳感器數(shù)量眾多，必須采用多通道的方式采集數(shù)據(jù)，STM32F10X系列微控制器至少有2個AD轉(zhuǎn)換器，有18個通道，可測量16個外部信號源和2個內(nèi)部中斷信號源，每個通道能以單次、連續(xù)、掃描、間斷模式進行轉(zhuǎn)換[3]。為了提高AGV智能車的多任務(wù)并行運行的效率，系統(tǒng)采用DMA的方式進行外部傳感器數(shù)據(jù)的采集和保存，即在數(shù)據(jù)采集期間不需要MCU的參與，大大提高了MCU的并行處理能力，同時智能車新增傳感器，對MCU的效率也沒有影響。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)使用STM32F10微控制器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器ADC1采集AGV智能車上的多路傳感器，以掃描并且連續(xù)轉(zhuǎn)換模式通過微控制器內(nèi)部DMA模塊將數(shù)據(jù)存儲到存儲器中。系統(tǒng)控制模塊軟件通過讀取存儲器中數(shù)據(jù)控制智能車行進。

2 各傳感器模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用的AGV智能車配置了各類傳感器用于感知工作環(huán)境的溫度、濕度、光照度、可燃氣體濃度等狀態(tài)。

■2.1 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

系統(tǒng)采用遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鱽砀兄ぷ鳝h(huán)境中是否出現(xiàn)著火狀況，火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y的波長760納米～1100納米范圍內(nèi)的紅外光源，探測角度為60度，該傳感器對波長880納米左右的紅外光感知靈敏度最強，傳感器中的遠紅外火焰探頭將環(huán)境中的紅外光強弱變化轉(zhuǎn)換位電流變化傳輸給STM32微控制器片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，當環(huán)境中著火點產(chǎn)生的紅外越強，AD數(shù)值越小，反之越大。AD轉(zhuǎn)換器數(shù)值范圍在0—255直接?；鹧?zhèn)鞲衅鞯腁D輸出值引腳A0連接到STM32F1X控制器ADC1的通道0（PA0引腳）。

圖2 火焰?zhèn)鞲衅髟韴D

■2.2 可燃氣體傳感器模塊

可燃氣體傳感器采用煒盛電子科技公司的MQ-5可燃氣體傳感器，該傳感器使用的氣敏材料為二氧化錫(SnO2)，該材料檢測到所處環(huán)境中存在可燃氣體時，二氧化錫電阻值會隨可燃氣體的濃度增加而變小，電阻越小表面導(dǎo)電率就越大，產(chǎn)生的模擬信號就越大?？扇細怏w傳感器模塊電路將電導(dǎo)率變化輸出模擬電壓信號發(fā)送給STM32微控制器片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，MQ-5氣體傳感器對丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度高，對甲烷和丙烷可較好的兼顧。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[4]?？扇細怏w傳感器的AD輸出值引腳A1連接到STM32F1X控制器ADC1的通道1（PA1引腳）。

圖3 可燃氣體傳感器原理圖

■2.3 雨滴傳感器

AGV智能車的頂端安裝了雨滴傳感器模塊，用于檢測工作環(huán)境是否淋雨。該模塊檢測到雨滴時，傳感器的電阻值降低、導(dǎo)電率升高，模塊中的電流隨之增大，輸出的模擬電壓值增大，輸出模擬電壓信號發(fā)送給STM32微控制器片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器。傳感器的工作環(huán)境溫度范圍：-20℃～+50℃，濕度范圍：RH<95%，大氣壓范圍：86kPa～106kPa。雨滴傳感器的AD輸出值引腳A2連接到STM32F1X控制器ADC1的通道2（PA2引腳）。

■2.4 光敏傳感器

AGV智能車工作環(huán)境的光照度狀況通過車身安裝的光敏傳感器獲得，光敏傳感器的種類很多，系統(tǒng)中采用了結(jié)構(gòu)簡單便于安裝的光敏電阻。光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻器，它的電阻值會隨入射光照射的強弱而改變。光敏電阻即光敏二極管，它的主體結(jié)構(gòu)是一個具有光敏特征的 PN 結(jié)，和二極管類似，具有單向?qū)щ娦?，工作時需加上反向電壓。PN結(jié)無光照時，有很小的飽和反向漏電流，此時光敏二極管截止。當受到入射光照時，電阻變小，飽和反向漏電流增大，形成光電流，該電流隨入射光照強度的變化而變化。因此可以利用光照強弱來改變電路中的電流。通過電路設(shè)計將光電流變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，輸出模擬電壓變化信號發(fā)送給STM32微控制器片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器。從而通過 ADC 讀取電壓值，判斷外部光線的強弱[5]。光敏傳感器的AD輸出值引腳A3連接到STM32F1X控制器ADC1的通道3（PA3引腳）。

3 MCU采集模塊設(shè)計

系統(tǒng)使用STM32F10X微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1的通道0-通道3分別采集火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄒ_PA0）、可燃氣體傳感器（引腳PA1）、雨滴傳感器（引腳PA2）、光敏傳感器（引腳PA3）發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。為了提高MCU并行效率，實現(xiàn)多任務(wù)處理能力，ADC1連續(xù)采集4路模擬信號，采用DMA的處理方式傳輸?shù)酱鎯ζ?。系統(tǒng)將ADC1配置為掃描并且連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，ADC1的時鐘配置為12MHz。在每次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，采用DMA的方式循環(huán)將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ髦?。為了提高采集?shù)據(jù)的精度，ADC1采用連續(xù)采集16次求平均值的方式確定采集結(jié)果。系統(tǒng)其他模塊通過訪問存儲器獲得環(huán)境數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32F10X微控制器的數(shù)模轉(zhuǎn)換包括：單次轉(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換、掃描等模式，本系統(tǒng)需要依次采集多個通道的AD轉(zhuǎn)換值，因此通過連續(xù)轉(zhuǎn)換模式采用DMA進行數(shù)據(jù)傳輸，操作流程如下

(1)初始化GPIO模塊、DMA模塊、ADC模塊。

初始化GPIO：使能GPIO 時鐘，設(shè)置ADC通道復(fù)用GPIO引腳；

初始化DMA：使能DMA時鐘，DMA通道1中斷初始化，使能DMA通道1中斷；

初始化ADC：設(shè)置 ADC時鐘分頻系數(shù)、分辨率、模式、掃描方式、對齊方式等信息，配置通道。

對上述三個模塊的初始化參數(shù)的設(shè)置都通過調(diào)用STM32F10X庫函數(shù)進行設(shè)置。

將用作AD輸入端口的GPIO口引腳PA0-PA3設(shè)置為模擬輸入引腳。

將ADC工作模式設(shè)為獨立模式、模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在掃描模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、ADC數(shù)據(jù)右對齊、順序進行規(guī)則轉(zhuǎn)換的通道的數(shù)目為4、四個通道的采樣時間為239.5周期。

將DMA外設(shè)基地址設(shè)置為ADC1基地址、存儲環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)組地址設(shè)置為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康牡刂贰MA緩存的大小為存儲數(shù)據(jù)的數(shù)組大小、外設(shè)地址寄存器設(shè)置不變、內(nèi)存地址寄存器設(shè)置為遞增、數(shù)據(jù)寬度設(shè)置為16位、DMA通道1設(shè)置為高優(yōu)先級。

(2)啟動AD轉(zhuǎn)換器。開啟 DMA 的 AD 采集，多通道的輪詢采集。

在設(shè)置完了以上信息后，使用HAL庫函數(shù)HAL_ADC_Start_DMA啟動 ADC采樣。一旦啟動采樣，ADC轉(zhuǎn)換所有的通道一次且自動重新開始執(zhí)行相同的掃描轉(zhuǎn)換。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時都會產(chǎn)生一個DMA 請求，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)組中。參考代碼如下：

(3)等待轉(zhuǎn)換完成，讀取ADC值。

從定義的緩存（數(shù)組）去中讀出DMA傳輸?shù)牟蓸咏Y(jié)果進行處理。

5 結(jié)束語

AGV智能車通過各種傳感器獲得環(huán)境數(shù)據(jù)，從而控制車輛完成各種操作，系統(tǒng)為了提高并行性效率，采用DMA的方式進行傳感器采集的數(shù)據(jù)的傳輸，大大提高了主控任務(wù)的性能。并且便于后期智能車增加新的傳感器，ADC1最多采集16路外部AD信號，目前只使用了4路信號，有很大的擴展空間。