賈鵬輝，陳 輝，周平義

(安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

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基于STM32F103VCT6的振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

賈鵬輝，陳 輝，周平義

(安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

針對(duì)隧道、礦山、橋梁、水庫大壩等工程中傳統(tǒng)振弦式傳感器采集系統(tǒng)精度不高、相互之間通信困難、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以STM32F103VCT6為核心控制芯片的振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)將振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源管理集于一體，并可以連接不同傳感器。數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)提供GPRS、RS485等多種通信接口，利用無線通信模塊可以方便地實(shí)現(xiàn)多臺(tái)測量儀器之間自動(dòng)組建無線網(wǎng)絡(luò)并建立動(dòng)態(tài)路由，實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

振弦式傳感器；STM32F103VCT6；GPRS；數(shù)據(jù)采集；無線網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，各種礦山、橋梁、隧道、水庫大壩等工程建設(shè)規(guī)模越來越大，對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用也越來越重要。為了避免礦山、橋梁、隧道、大壩等安全事故的發(fā)生，國家不斷加大這方面的安全監(jiān)測，并投入了大量的人力和財(cái)力[1-2]。由于現(xiàn)有的安全監(jiān)測系統(tǒng)在測量精度、成本、功耗、系統(tǒng)應(yīng)變、穩(wěn)定性等方面存在明顯不足，因此需要研制高精度、高可靠性的智能型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。鑒于此，本系統(tǒng)采用基于ARM核的STM32F103VCT6作為單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)的核心控制器，將振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源管理集于一體，通過應(yīng)答、自報(bào)或應(yīng)答與自報(bào)相結(jié)合的模式將采集數(shù)據(jù)傳至礦山、橋梁、大壩等端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測多點(diǎn)安全參數(shù)[3]。并且系統(tǒng)可以根據(jù)需要，連接不同類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測量模塊之間可以通過有線或無線方式通信組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大壩滲壓、礦山邊坡裂縫、橋梁錨索應(yīng)力、地下水位等的有效監(jiān)測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際采集系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸以及電源管理等部分組成。由于系統(tǒng)在高性能、低成本、低功耗以及滿足多種數(shù)據(jù)傳輸方式等方面的要求，系統(tǒng)核心控制部件采用基于ARM Cortex M3(32位的RISC內(nèi)核)的STM32F103VCT6為核心芯片。該芯片具有高性能、低成本、低功耗以及片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，片內(nèi)具有內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，包括256 KB閃存和48 KB的SRAM、3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器、2個(gè)看門狗定時(shí)器、12通道DMA控制器等。此外，還包含多個(gè)先進(jìn)的通信接口：1個(gè)CAN 、3個(gè)USART、1個(gè)USB、2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO。該控制芯片工作頻率為72 MHz，供電電壓為2.0～3.6 V，可工作于省電模式[4-5]。采用該芯片能夠滿足系統(tǒng)對(duì)高性價(jià)比和高精度的需求，能夠大大提高整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。由STM32F103VCT6為核心控制器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

1.2.1 振弦式傳感器工作原理

振弦式傳感器是目前應(yīng)用廣泛的一種非電量電測傳感器，振弦式傳感器輸出振弦的自振頻率信號(hào)，能獲得很高的測量精度，且具有抗干擾能力強(qiáng)、受電參數(shù)和溫度影響小、耐振動(dòng)和壽命長等特點(diǎn)。振弦式傳感器一般分為單線圈振弦式傳感器和雙線圈振弦式傳感器，單線圈振弦傳感器激振和接收共用一組線圈，具有結(jié)構(gòu)簡單和數(shù)據(jù)采集精度高的特點(diǎn)，其工作原理如圖2所示。

圖2 單線圈振弦式傳感器工作原理圖

圖2中，當(dāng)有激發(fā)脈沖P時(shí)，激振放大電路給線圈通一個(gè)激發(fā)電壓，線圈產(chǎn)生磁力吸引磁性弦；當(dāng)撤去激發(fā)電壓時(shí)，線圈放開磁性弦，磁性弦自由振動(dòng)并在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，然后由后續(xù)的微弱電動(dòng)勢頻率拾取電路對(duì)微弱電動(dòng)勢放大并進(jìn)行信號(hào)處理得到頻率信號(hào)，這個(gè)頻率即為磁性弦的固有頻率[6]。由于振弦的自振頻率與張緊力的大小有關(guān)，因而振弦振動(dòng)頻率的變化量即可表征受力的大小。因此，通過微處理器系統(tǒng)測對(duì)測得的振弦自振頻率的數(shù)據(jù)處理，便可得到待測的物理量，如壓力或應(yīng)變力等。

1.2.2 振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

由于單線圈振弦傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單和精度高等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用單線圈振弦式傳感器作為數(shù)據(jù)采集元件。振弦傳感器數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

圖3 振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集電路

圖3中標(biāo)號(hào)“Red”和“Black”端接入傳感器輸出信號(hào)，激振時(shí)“inspirit”端產(chǎn)生激勵(lì)方波經(jīng)過電容C502(10 μF鉭電容)通過三極管TR502周期性導(dǎo)通，+9 V電壓經(jīng)過限流電阻R520通過三極管TR503周期性導(dǎo)通，通過“Red”引腳輸出與“inspirit”引腳具有相同周期的激勵(lì)信號(hào)，這樣使得傳感器中的線圈L產(chǎn)生交變的磁場，鋼弦在交變的磁場中開始振蕩。當(dāng)激勵(lì)完之后關(guān)閉“inspirit”引腳輸出，啟動(dòng)P_CLK引腳作為脈沖捕獲，開始拾振。振弦式傳感器頻率范圍一般為400 Hz～5 kHz，圖3中的拾振電路前端采用LF353或TLE2062構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，電阻R521、電容C513、電阻R522和電容C514組成阻容網(wǎng)絡(luò)，可以濾除8 kHz以上的干擾信號(hào)。由于振弦式傳感器返回信號(hào)非常微弱，所以還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，最后采用LM393構(gòu)成一個(gè)過零比較器，并進(jìn)行調(diào)理從“P_CLK”引腳輸入到STM32F103VCT6中。此數(shù)據(jù)采集電路可以連接不同傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如振弦式滲壓傳感器、拉線式位移傳感器、錨索應(yīng)力傳感器、液位傳感器等。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求采用有線或無線方式進(jìn)行傳輸，有線方式采用RS485或CAN總線通信，無線傳輸方式采用GPRS或Zigbee模塊通信。根據(jù)用戶的需要，可以選擇CAN總線和Zigbee模塊通信。在系統(tǒng)通信接口電路設(shè)計(jì)中提供了RS485通信接口和GPRS模塊通信接口。系統(tǒng)中RS485通信接口采用MAX3485芯片，MAX3485是用于RS485與RS422通信的低功耗收發(fā)器。MAX3485具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器，驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗；接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出。使用MAX3485可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信，而且可以實(shí)現(xiàn)最高10 Mbit/s的傳輸速率。GPRS通信模塊采用MC52i，MC52i是內(nèi)部自帶協(xié)議棧、2波(900 MHz/1 800 MHz)的GPRS模塊。該模塊是工業(yè)級(jí)別的模塊，目前廣泛運(yùn)用于智能公交、無線數(shù)傳(DTU)、遠(yuǎn)程無線抄表等系統(tǒng)中。而且可在-40 ℃和+80 ℃的環(huán)境下正常工作，功耗低，可靠性高，性價(jià)比高。由于模塊采用低功耗設(shè)計(jì)，通信電源受到了程序的控制，在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)程序自動(dòng)打開電源，然后對(duì)通信模塊進(jìn)行初始化，如果聯(lián)網(wǎng)超時(shí)數(shù)據(jù)將會(huì)緩存在模塊內(nèi)，等到下次通信時(shí)程序自動(dòng)再次上傳數(shù)據(jù)。

1.4 電源管理電路

系統(tǒng)的電源管理電路模塊主要由3部分電源組成，第一部分是給以STM32F103VCT6為核心芯片的控制器供電，采用的是靜態(tài)電流僅5 μA的HT7530芯片。第二部分是給控制器外圍電路和通訊部分供電，由于GPRS模塊對(duì)電源有一定的要求(小于400 mV的波動(dòng))，采用了一個(gè)升壓降壓器芯片LTC3113(當(dāng)電壓高時(shí)就降壓，低時(shí)就升壓)，輸出電壓穩(wěn)定在4 V，輸出電流大于2 A，可以提高GPRS通訊的可靠性。為了進(jìn)一步降低功耗，在電源輸入端加了一個(gè)負(fù)載開關(guān)MIC94062，在休眠時(shí)可以直接切斷整個(gè)GPRS模塊電源。第三部分主要給外部傳感器的供電。由于振弦傳感器供電電源在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中要求較高和最為復(fù)雜，這里只給出傳感器供電電源電路的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 傳感器電源電路原理

圖4中，振弦傳感器電源管理電路主要由電壓調(diào)節(jié)器EL7516/ISL97516、負(fù)載開關(guān)MIC94062BC6和外圍電路組成。ISL97516是一種高頻率、高效率的電壓調(diào)節(jié)器，運(yùn)行在恒頻脈寬調(diào)制模式，可以提供1 A的電流，輸出高達(dá)25 V電壓，完全可以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓12 V的要求。在振弦傳感器激勵(lì)時(shí)需要±9～±15 V激勵(lì)電壓，本模塊采用ISL97516將鋰電池電壓升至+12 V，同時(shí)ISL97516可以輸出-12 V。在圖4中，ISL97516的VDD引腳電源輸出端加一個(gè)負(fù)載開關(guān)MIC94062，在不測量時(shí)可以方便地關(guān)閉外部測量電源，在休眠時(shí)可以直接切斷整個(gè)GPRS模塊電源。L201為輸出功率電感，為了使電源波紋更小，L203、C206和L202、C208組成LC電源濾波網(wǎng)。由此可以看出此電源管理電路可以有效地降低系統(tǒng)的功耗。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程主要包括上電初始化、數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了低功耗的需求，系統(tǒng)每次上電工作5 min后，若無任何操作，核心模塊自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，處于休眠的模塊由定時(shí)器或外部中斷喚醒。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集利用STM32F103VCT6的定時(shí)器TIM2產(chǎn)生PWM激勵(lì)方波。不同的振弦式傳感器有不同的初始激勵(lì)頻率，設(shè)置PWM激勵(lì)頻率接近于振弦式傳感器的初始激勵(lì)頻率，這樣有助于更快地使振弦式傳感器達(dá)到共振狀態(tài)。系統(tǒng)中PWM初始激勵(lì)時(shí)間設(shè)置為100 ms，激勵(lì)完后立刻啟動(dòng)定時(shí)器TIM3捕獲脈沖，捕獲時(shí)間100 ms。根據(jù)捕獲的脈沖測算出頻率，然后再用該頻率替換初始頻率，重新進(jìn)行第二次激勵(lì)，再測算出頻率，這樣反復(fù)迭代，直到傳感器共振為止。此時(shí)測出的頻率即為測量頻率。為了計(jì)算方便，一般采用返回頻率模式進(jìn)行計(jì)算。

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際采用的通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。圖6中RS485數(shù)據(jù)傳輸方式較為簡單，只需將RS485收發(fā)芯片設(shè)置為發(fā)送，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)采用GPRS通訊方式時(shí)，需要先給GPRS模塊上電，延時(shí)等待電壓穩(wěn)定之后，使用AT指令控制MC52i芯片。首先，利用“AT”指令檢查GPRS模塊是否插好，再用“AT^SCID”指令檢查SIM卡是否插好。如果都已插好，再設(shè)置用戶名、密碼、終端IP地址和端口號(hào)，最后保存并開啟GPRS網(wǎng)絡(luò)，等待MC52i連上服務(wù)器之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一次數(shù)據(jù)采集完成之后，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，5 min后若無任何操作或新的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，系統(tǒng)將終斷通訊鏈路，關(guān)閉電源，模塊進(jìn)入深度休眠模式，等待下一次的數(shù)據(jù)采集。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套基于STM32F103VCT6的振弦式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于大壩滲壓、礦山邊坡裂縫、橋梁錨索應(yīng)力等安全狀況監(jiān)測。系統(tǒng)具有完善的通訊接口和良好可擴(kuò)展性，采集的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程有線或無線傳輸，測量模塊通信組網(wǎng)方式靈活，適合現(xiàn)場惡劣的環(huán)境。實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有高性價(jià)比、低功耗、測量精度高等特點(diǎn)，滿足現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和安全狀況監(jiān)測的要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 姜印平,顧營迎,尹俊杰,等．基于振弦式傳感器的鋼構(gòu)建筑監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用．傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(12)：2101-2105．

[2] 瞿衛(wèi)華,魏永強(qiáng)．基于振弦式傳感器的大壩滲壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)．傳感器與微系統(tǒng)．2012,31(3)：106-107．

[3] 莫琳,何華光,謝開仲．基于振弦式傳感器的橋梁實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)．廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,37(6)：1249-1250．

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[5] 喻金錢,喻斌．STM32F系列ARM Cortex M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社,2011．

[6] 王化祥,張淑英．傳感器原理及應(yīng)用．天津：津大學(xué)出版社,2007．

Design of Vibrating-Wire-Sensor Data Acquisition System Based on STM32F103VCT6

JIA Peng-Hui,CHEN Hui,ZHOU Ping-yi

(School of Computer Science& Engineering,Anhui University of Science & Technology,Huainan 232001,China)

Traditional vibrating-wire-sensor acquisition systems are usually used in tunnels,mines,bridges,dams and other projects,but they always have difficulty in communicating with each other,and they all have poor accuracy and real-time capability.In order to solve these problems，a vibrating -wire -sensor data acquisition system based on STM32F103 was designed．The system integrated functions such as data acquisition,data storage,power management,and it can be connected to various types of sensors．Data acquisition measurement system provided various communication interfaces such as GPRS and RS485.The wireless communication module can establish wireless networks easily between multiple measuring instruments and create dynamic routing,which can realize data collection and transmission in harsh environments.

vibrating-wire-sensor；STM32F103VCT6；GPRS；data acquisition；wireless network

安徽省高校校級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KJ2012A077)

2013-11-21 收修改稿日期：2014-10-12

TP274

A

1002-1841(2015)02-0067-04

賈鵬輝(1986—)，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)和電子儀器儀表等方面的研究。E-mail：756102988@qq.com