基于STM32F7的多通道通用數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計與試驗

徐鵬飛，馬國林，蘭光澤，員玉良

(青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

多通道數(shù)據(jù)采集通常采用較為成熟的數(shù)據(jù)采集卡[1-2]來實現(xiàn)。然而，數(shù)據(jù)采集卡價格高昂，中小型企業(yè)難以承受。而且，該方法需要上位機的聯(lián)機支持，靈活性較差，捷帶不便，不適用于復雜的實際工程環(huán)境。因此，目前已經(jīng)開始采用單片機作為主控器[3-4]，配合外部模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，ADC)進行數(shù)據(jù)采集。其中，外部ADC器件的接口有并口方式[5]和串口方式[6]。并口方式可提高數(shù)據(jù)的讀取效率，但需要占用較多的處理器接口。串口方式可節(jié)省處理器的接口資源，但數(shù)據(jù)讀取的耗時較長。常見串口方式有串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)、集成電路總線(inter-integrated circuit，I2C)、通用異步收發(fā)器接口(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)等。

本文設(shè)計了一種基于STM32F7的多通道通用數(shù)據(jù)采集器，充分利用STM32F7微處理器的資源，采用片內(nèi)ADC及多種協(xié)議接口，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過直接存儲器訪問(direct memory access,DMA)[7-9]數(shù)據(jù)流方式存儲至外設(shè)靜態(tài)隨機存取存儲器(static random access memory,SRAM)，有效解決了接口資源占用與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取效率之間的矛盾。DMA控制器可在外設(shè)寄存器與存儲器之間，以及在存儲器與存儲器之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸過程中無需處理器操作控制，能在實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)耐瑫r節(jié)省片內(nèi)資源，提升了處理器的執(zhí)行效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

多通道通用數(shù)據(jù)采集器最大的特點是實時性與普適性，可同時實時采集、傳輸、顯示不同協(xié)議下的通道數(shù)據(jù)。多通道通用數(shù)據(jù)采集器由微處理器、SD卡存儲模塊、顯示模塊、4G通信模塊和云端服務(wù)器等部分構(gòu)成。多通道通用數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多通道通用數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)圖

微處理器采用STM32F767ZIT6芯片。微處理器首先采集ADC通道、CAN、SPI、I2C等通信協(xié)議數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過DMA傳輸緩存至SRAM，進行編碼后利用文件分配表(file allocation table,FAT)文件系統(tǒng)存入SD卡，并定時將SD卡的數(shù)據(jù)通過4G模塊發(fā)送到云端服務(wù)器。云端服務(wù)器對接收到的編碼信息進行解析顯示，同時將解析完的各通道數(shù)據(jù)導出為文本文檔。微處理器通過USART1連接4G通信模塊，通過USART2連接顯示模塊，與SD卡通信采用安全數(shù)字輸入輸出(secure digital input and output,SDIO)協(xié)議。

2 采集器硬件設(shè)計

2.1 微處理器

微處理器STM32F767ZIT6主頻可達216 MHz，片內(nèi)集成多路ADC、I2C、通用同步異步收發(fā)器(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter,USART)等常見外設(shè)，內(nèi)置兩個DMA控制器。豐富的內(nèi)部資源可充分滿足系統(tǒng)設(shè)計需要。DMA支持外設(shè)到存儲器模式和存儲器到外設(shè)模式。采集通道數(shù)據(jù)選擇外設(shè)到存儲器模式。存儲數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)選擇存儲器到外設(shè)模式。DMA原理如圖2所示。

圖2 DMA原理圖

2.2 4G通信模塊

4G通信采用穩(wěn)恒科技的WH_LTE_7S4模塊[10]。該模塊屬于二次開發(fā)模塊，內(nèi)部集成了4G通信芯片，支持高速接入移動、聯(lián)通、電信4G。本設(shè)計中，將工作模式設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)透傳模式，微處理器與4G模塊之間采用串口通信。模塊支持兩路Socket連接，只有發(fā)送數(shù)據(jù)時才會和服務(wù)器建立連接。如果在一定時間內(nèi)停止數(shù)據(jù)傳輸，則會因超時而斷開連接。

2.3 存儲模塊設(shè)計

存儲模塊電路如圖3所示。

圖3 存儲模塊電路

為了防止因網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定而引起數(shù)據(jù)丟失或錯亂，系統(tǒng)定時向SD卡中寫入數(shù)據(jù)，并實時將SD卡中的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，對采集到的數(shù)據(jù)進行雙重保護。本設(shè)計選取容量為8 GB的SD卡。該卡采用SDIO4 bit接口模式讀寫，文件讀取速度最高可達20 Mbit/s。

圖3中，SDI0_D0、SDIO_D1、SDIO_D2、SDIO_D3是四位并行雙向數(shù)據(jù)線，SDIO_CK為SD卡的時鐘線，SDIO_CMD為指令線。微處理器向SD卡儲存數(shù)據(jù):通過指令線向SD卡發(fā)送一個指令,SD卡隨即返回一個應(yīng)答信號; 下一個時鐘周期開始由數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束；微處理器發(fā)送一個結(jié)束指令，即完成一次操作。

2.4 電源電路

采集器提供三種電壓源，分別為+3.3 V、+5 V和+12 V。通過AC-DC將220 V交流電轉(zhuǎn)換為+12 V直流電，給4G通信模塊、風速傳感器和光照度傳感器供電。同時，+12 V電壓通過LM2596S-ADI調(diào)節(jié)至+5 V，給莖稈直徑傳感器、土壤濕度傳感器和SD存儲模塊供電。+5 V電壓通過AMS1117調(diào)節(jié)至+3.3 V，給微處理器和溫濕度模塊供電。同時，采用不間斷電源模塊，可實現(xiàn)市電和鋰電池應(yīng)急切換，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。

3 采集器的軟件設(shè)計

采集器主程序使用STM32CubeMX工具和Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境進行程序開發(fā)調(diào)試。初始化子程序包括片內(nèi)ADC、DMA、4G通信模塊和SD卡的初始化。

上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，判斷是否到達數(shù)據(jù)的采集時間。如果沒有，則直接進入睡眠狀態(tài)；反之，則啟動各數(shù)據(jù)通道，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并讀取采樣時刻。數(shù)據(jù)采集完畢后，關(guān)閉采集通道，使其進入空閑狀態(tài)，直至下次采集時再打開通道。啟動DMA將數(shù)據(jù)發(fā)送至外部SRAM緩沖區(qū)，并通過FAT文件系統(tǒng)存入SD卡。如果檢測到網(wǎng)絡(luò)已連接，則還需將SD卡中的數(shù)據(jù)通過4G通信模塊發(fā)送給遠程服務(wù)器。

主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 試驗分析

4.1 試驗設(shè)計

2020年11月在青島城陽區(qū)(120°39′64′E，36°31′95′N)進行試驗。試驗對象為隨機選取的兩株茄子樣本，播種時間為2020年7月初。對兩株茄子樣本分別安裝一套溫室作物水分無創(chuàng)檢測系統(tǒng)。

試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場示意圖

采集器所用傳感器配置如下：溫濕度傳感器采用單總線協(xié)議；大氣壓強傳感器采用I2C協(xié)議；光照度傳感器為RS-485輸出；風速、莖稈直徑微變[11]、土壤濕度傳感器為模擬0～5 V輸出。

傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器參數(shù)

4.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)11月8～18日在試驗現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)繪制微環(huán)境因子變化曲線，如圖6所示。由圖6可知：溫室內(nèi)的光合有效輻射量與飽和水汽壓差每天都會發(fā)生周期性變化。

圖6 微環(huán)境因子變化曲線

茄子樣本主要參數(shù)變化曲線如圖7所示。

圖7 茄子樣本主要參數(shù)變化曲線

11月10日上午10點對樣本進行了澆灌，澆水量為1 L。由圖7(a)可以看出，土壤相對濕度明顯變高。

澆水前，天氣狀況良好，土壤相對濕度小于20%。此時，茄子樣本已經(jīng)不能從土壤中獲得足夠的水分來維持正常的蒸騰作用，出現(xiàn)了一定的干旱現(xiàn)象，造成莖稈出現(xiàn)大幅收縮。澆水后，莖稈得到了有效的水分補充。莖稈直徑變化基本穩(wěn)定，并略有增長。

由圖7(b)可知，每天早上8點，光合有效輻射量開始增大，樣本莖稈開始收縮。至中午前后，光合有效輻射量達到最大值，莖稈直徑達到最小值。之后，莖稈逐漸膨脹變粗，一直持續(xù)到次日凌晨，達到最大值。如此反復，茄子樣本的莖稈直徑每日呈周期性變化，同時茄子樣本的莖稈直徑每天還有小幅度增長。11月8～17日，莖稈直徑大約增長了1.5 mm。

11月13日，茄子樣本的莖稈直徑與光合有效輻射量變化曲線如圖8所示。

圖8 11月13日茄子樣本的莖稈直徑與光合有效輻射量變化曲線

由圖8可知，光合有效輻射量在上午10點和下午1點前后出現(xiàn)波動。其原因是溫室結(jié)構(gòu)支柱遮擋了太陽。

通過連續(xù)長時間的測量驗證，多通道通用數(shù)據(jù)采集器能夠高速、準確地測量出作物莖桿直徑、溫度、濕度、光照度和土壤濕度等信息，具有較高的可靠性與普適性。

5 結(jié)論

本文基于STM32F7的多通道通用數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)了多通道、多協(xié)議的高速數(shù)據(jù)采集。將其應(yīng)用于溫室作物無創(chuàng)水分檢測系統(tǒng)中，可實現(xiàn)對作物莖桿直徑、溫度、濕度、光照度和土壤濕度等信息進行遠程監(jiān)控。試驗結(jié)果表明，該采集器具有性能高、功耗小等優(yōu)點，在保證高速采集多路數(shù)據(jù)的同時，極大地降低了硬件成本。該采集器運行穩(wěn)定、可靠，實用性強，具有較高的推廣應(yīng)用價值。