王德法 凡立超 吳虹 沈紅峰

摘? 要：文章從硬件設(shè)計(jì)方面來(lái)介紹如何實(shí)現(xiàn)基于STM32 VE芯片進(jìn)行的水環(huán)境運(yùn)行監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，給出了水環(huán)境監(jiān)控處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：硬件設(shè)計(jì);低功耗;水位監(jiān)測(cè);微控制;電力數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：U458.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）26-0080-03

Abstract： From the aspect of hardware design， this paper introduces how to realize the design and application of water environment operation monitoring based on STM32 VE chip， and provides the hardware design scheme of water environment monitoring and processing system.

Keywords： hardware design; low power consumption; water level monitoring; micro control; power data acquisition

1 概述

根據(jù)電力具有大量無(wú)人值守電力隧道用戶的遠(yuǎn)程綜合監(jiān)控需求，展開深入調(diào)研，憑借不斷創(chuàng)新的理念以及豐富的監(jiān)控業(yè)務(wù)整合經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)前端無(wú)人或少人值守系統(tǒng)的綜合監(jiān)控、集中管理，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)對(duì)前端的環(huán)境、周界防范等進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理，大幅度提高了對(duì)前端監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、有效性，降低了人員及管理成本。因此根據(jù)市場(chǎng)需求和公司發(fā)展需要，決定推行電纜隧道水環(huán)境的研制計(jì)劃，提高公司電纜隧道水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)開發(fā)能力，推動(dòng)該產(chǎn)品的大力發(fā)展。

2 水環(huán)境監(jiān)測(cè)運(yùn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用基礎(chǔ)與依據(jù)

水環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)就是將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能處理識(shí)別的模擬量信號(hào)，MCU對(duì)這個(gè)模擬量信號(hào)進(jìn)行處理分析并與設(shè)定閾值進(jìn)行綜合對(duì)比，根據(jù)分析結(jié)果去控制交流接觸器，交流接觸器再控制一個(gè)水泵，并通過(guò)反饋原理實(shí)施監(jiān)控水位積水情況達(dá)到水位自動(dòng)控制的目的。水泵有各種各樣的工作方式，所以交流接觸器也有多種設(shè)計(jì)方案，這些電氣元件按照設(shè)計(jì)方案連接起來(lái)就是電氣控制箱。現(xiàn)有多種成熟的設(shè)計(jì)方案，如GKY1X單臺(tái)泵系統(tǒng)、GKY2X雙臺(tái)泵系統(tǒng)等等，在網(wǎng)上可以查到各種各樣的設(shè)計(jì)原理圖。水泵電氣控制箱是很常用的控制設(shè)備，工作可靠、使用壽命長(zhǎng)。影響水位自動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素是液位傳感器，就是將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)這一部分?，F(xiàn)在主要有電極式、UQK/GSK干簧管式、光電式、壓力式、GKY和超聲波式等幾種方式。這些方式檢測(cè)原理不同，因而水位自動(dòng)控制的原理也不同。我們采用投入式CYW11水位計(jì)來(lái)做水位監(jiān)測(cè)傳感器并采用STM32 VE芯片作為數(shù)據(jù)處理芯片并通過(guò)4G通訊裝置將相關(guān)水位信息傳輸至相關(guān)工作人員。

3 工作模式

3.1 微處理器選擇

微處理器采用意法公司的STM32FVET6芯片該系列單片機(jī)在保持最佳超低功耗特性的同時(shí)，還提供了更優(yōu)越的性能（最高頻率可達(dá)72 MHz）、更大容量的內(nèi)置存儲(chǔ)器（高達(dá)512 MB Flash存儲(chǔ)器和256 KB SRAM）、此芯片具有較好的低功耗性能，保證功耗性能的同時(shí)又具有多種外部接口支持多路ttl、spi、usb等。提供整個(gè)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展性。

3.2 低功耗模式

低功耗運(yùn)行共有睡眠模式、低功耗睡眠模式、待機(jī)模式、關(guān)斷模式等多種模式。

3.2.1 睡眠模式（sleep）

CPU停止工作，所有外設(shè)（peripheral）仍可以工作，使用中斷（interrupt）或者事件（event）進(jìn)行CPU喚醒。

3.2.2 低功耗睡眠模式（Low-power sleep）

只有CPU時(shí)鐘被停止，當(dāng)中斷（interrupt）或者事件（event）喚醒CPU之后進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式（Low-powerrun）。

3.2.3 待機(jī)模式（Standby）

待機(jī)模式下將會(huì)使用BOR（brown-outreset）獲取一個(gè)最低的功耗。內(nèi)核電壓（VCORE）控制的始終將停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)入待機(jī)模式后SRAM1和集訓(xùn)期內(nèi)容將會(huì)丟失，SRAM2的內(nèi)容將保留。設(shè)備退出待機(jī)模式可以利用外部復(fù)位（NRST pin）、獨(dú)立看門狗（IWDG）、喚醒引腳事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。喚醒之后時(shí)鐘切換到8MHz的MSI。

3.2.4 關(guān)斷模式（Shutdown）

關(guān)斷模式下會(huì)獲取一個(gè)最低的功耗，內(nèi)核電壓（VCORE）控制的始終將停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持運(yùn)行狀態(tài)。BOR（brown-out reset）不能使用。SRAM1、SRAM2和寄存器除了備份都會(huì)丟失。設(shè)備退出關(guān)斷模式可以利用外部復(fù)位（NRST pin）、喚醒引腳事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。喚醒之后時(shí)鐘切換到4MHz的MSI，喚醒時(shí)間只要5μs。

3.3 應(yīng)用實(shí)例-基于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的新型電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.3.1 本系統(tǒng)主要由模擬量與開關(guān)量采集模塊、通訊模塊以及上位機(jī)人機(jī)交互模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先水位信號(hào)電壓、電流等模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;開關(guān)量信號(hào)則通過(guò)I/O口輸入，主芯片通過(guò)中斷或查詢方式進(jìn)行讀取。電力數(shù)據(jù)經(jīng)采集處理后，由通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送通知至相關(guān)工作人員。

基于STM32芯片的新型電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集裝置充分利用了STM32豐富的片上資源，大大節(jié)約了硬件投資，利用STM32具有快速采樣的高性能ADC、先進(jìn)的電源及時(shí)鐘管理、雙看門狗等功能，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性，精度顯著提高，同時(shí)功耗大為降低。

3.3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用定時(shí)器觸發(fā)的同步注入模式，能夠?qū)Χ嗦沸盘?hào)進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)同步采樣并且具有多個(gè)USART串行通信接口，內(nèi)置分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器，發(fā)送與接收共用可編程波特率，最高達(dá)4.5Mbit/s，數(shù)據(jù)字的長(zhǎng)度、停止位均可設(shè)置。此外，靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器FSMC能夠通過(guò)同步或異步存儲(chǔ)器與16位PC卡接口相連，便外部功能。

（1）模擬量采集部分采用高速處理外部電路配合主芯片同步采集處理12位ADC為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，各通道的轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。通道采樣時(shí)間可編程，總轉(zhuǎn)化時(shí)間可縮減到1μs，此外，多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸，ADC處理部分如圖3。

（2）系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)I/O口為開關(guān)量輸入端口，并且通用的I/O可以配置到16個(gè)外部中斷線上。開關(guān)量輸入電路如圖4所示。開關(guān)量信號(hào)由IN端口輸入，電容C與電阻R構(gòu)成一階低通濾波器濾除高頻噪聲，減小信號(hào)的毛刺，采用光耦合器TLP521實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量與STM32間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力。如圖4。

（3）從低功耗設(shè)計(jì)理論依據(jù)的分析可以得出，電源電壓對(duì)系統(tǒng)的功耗影響最大， 而系統(tǒng)在高、低功耗狀態(tài)下使用不同的電源， 故系統(tǒng)中電源模塊的設(shè)計(jì)非常重要。因此電源系統(tǒng)采用了低功耗電源轉(zhuǎn)換芯片，對(duì)整體電路進(jìn)行供電，此外穩(wěn)定的電源、低紋波也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定低功耗運(yùn)行的關(guān)鍵之一。并且電源部還設(shè)計(jì)有后備電源保障設(shè)備在異常情況的掉電時(shí)的應(yīng)急處理，如圖5。

3.4 產(chǎn)品功能特點(diǎn)

3.4.1 報(bào)警閾值可配置化。控制器有兩路4-20ma或0-5v的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸入通道，與現(xiàn)在水位傳感器連接，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境積水情況，所報(bào)警的閾值量程可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行軟件配置，增強(qiáng)可變性。

3.4.2 傳感器量程可選1m、5m等多種量程，并支持IP68保護(hù)等級(jí)，精敏度達(dá)1cm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用了水位監(jiān)測(cè)、無(wú)線通訊低功耗技術(shù)，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間<1ms，能夠快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)水位情況。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)對(duì)前端的環(huán)境、周界防范等進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理，大幅度提高了對(duì)前端監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、有效性，降低了人員及管理成本。相信通過(guò)不斷完善和發(fā)展， 該系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)今后的發(fā)展， 在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮更大作用。

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