基于STM 32F103装备数据采集系统的设计

张蕉蕉，曹 森，郭坚毅，苏国华

（1.解放军理工大学，工程兵工程学院机械装备试验研究中心，江苏 南京210007；2.解放军南京军区73602 部队，江苏 南京210007；3.解放军北京军区66114 部队，北京 102407）

现役装备的相关信息输出，以指针式仪表为主，部分先进装备仅具有简单的电子监控和三级报警功能，信息化程度滞后于当前国内外先进的民用装备水平[1~2]；随着现行装备越来越复杂，需要管理的信息随之增加，对数据采集要求也越来越高；部队装备管理自动化水平处于较低状态，日常管理工作大量依赖人工作业，依据传统手动登记、逐个排查的方式，进行装备数据的收集、记录[3]；管理工作效率不高，无法及时获知装备的动用状况、技术状况以及状态等信息，同时，势必会耗费大量的人力、物力和财力，而且效率低下。

为改进这种现状，本文以ARM 微处理器为核心，以压制去污作业车为研究对象，研制装备数据自动采集设备，实现装备数据的自动采集，并能通过无线传输将采集的数据自动上传PC 机，开发数据处理系统，将采集的数据进行分析处理，实现装备的信息化管理。

1 采集系统分析

压制去污作业车，主要由承载底盘、在线混合系统、动力输送系统、均匀布洒系统、循环供料系统、主控系统等部分组成。为保障装备的良好性能，提高装备的作业能力，实现对装备的科学管控、智能预警、故障分析预测、以及为装备定期维护提供数据依据，需采集该装备的参数很多，主要包括：

（1）装备动用信息的采集；

（2）发电机的工作性能，即发电机的工作小时、电压和电流；

（3）喷洒工艺过程监控，即液压罐和清洗罐的液位；

（4）在线混合器的使用次数；

（5）均匀布洒器的使用次数；

（6）螺杆泵的流量和压力；

（7）控制系统的使用时间；

（8）电动球阀的使用次数以及车速传感器的使用次数。

根据所使用的传感器输出信号和其他各类数据采集的方法，将本系统需要采集的信号分类，如表1所列。

表1 信号分类表

根据采集信号的分类，设计系统的信号采集器框架图如图1 所示。

图1 数据采集系统框图

2 系统总体设计

系统设计包括硬件设计和软件设计两部分，均采用模块化设计方法。

硬件主要包括CPU 模块、A/D 转换模块、采样数据存储模块、无线通信模块、电源模块、预警模块和键盘模块。

CPU 模块是32 位微处理器STM32F103 处理器。

A/D 转换模块由片内集成了高性能A/D 转换器的专用微处理器及外围电路组成，根据主控制器的指令，完成对相应数据的采集。

数据存储模块由 FM25CL04 存储器和AT26DF321 存储器组成，用于实时保存采集到的数据信息。

无线通信模块由CC2500 以及收发天线组成。

电源模块由专用电源管理芯片组成。

预警模块由预警电路和语音模块组成。

键盘模块由3×8 触摸式键盘及键盘管理芯片组成，完成用户指令的录入功能负责整个系统的电源管理。

系统总体结构框图如图2 所示。

图2 系统总体结构框图

软件主要针对数据采集进行设计，主要包括模拟信号采集模块、开关量采集模块和累计工作时间采集模块这3 部分的软件程序设计。

3 系统硬件设计

3.1 STM 32F103 单片机介绍

STM32 包括两个完整的系列[4]：STM32F101 是基本型系列，工作在36 MHz；STM32F103 是增强型系列，工作在72 MHz，带有片内RAM和丰富的外设。

STM32F103 的主要构成包括[5~6]：

（1）嵌入Flash 和SDRAM 的ARM Cortex-M3 32比特RISC 内核。

（2）嵌入式的Flash 存储器。32 字节的存储器可以有效地存储程序和数据。

（3）内部和外部中断控制器。

（4）DMA。灵活的7 路DMA，可以处理存储器之间和存储器与外围之间的转换，每一路通过软件触发来用于硬件的DMA 请求。

（5）具有日历功能的RTC 时钟。

（6）串行线和JATG 调试接口（SWJ-DP）。

（7）看门狗定时器。

结合系统设计，需要综合考虑选用此款芯片作为本系统的核心芯片。

3.2 电源模块设计

本系统需要使用直流电源电压有24 V、12 V、5 V、3.3 V。比如CAT809S、AT26DF321、FM25CL04 等芯片，需要3.3 V 电源电压；压力、流量、电流、电压信号调理电路需要12 V 电源电压；发动机、电控系统工作时间的测量，调理电路需要24 V 和3.3 V 电源电压；螺杆泵工作时间的测量，调理电路需要5 V 和3.3 V 的电源电压。

采用电压转换芯片AP1509，可将24 V 电压转换为12 V，或5 V 电压。经过REG1117-3.3 芯片，可将5 V 电压转换成3.3 V 电压，如图3 所示为采集器部分电源原理图。

图3 电源电路原理图

3.3 储存模块设计

本采集器所设计的存储模块，选用了FM25CL04存储器和AT26DF321 存储器。两者的读取和擦除方式和速度不同；再者，就是两者的价格差异比较大；综合考虑将两者组合使用，可以实现高效、高性能、高性价比的存储功能。

电路图如图4 中WP 为写保护，SCK、SI 和SO分别为串行时钟、串行数据输入、串行数据输出。

图4 数据采集铁电存储电路图

FLASH 存储电路图如图5 所示。

图5 数据采集FLASH 存储电路图

3.4 A/D 转换模块设计

本系统由于需要采集的模拟量较多，综合考虑应用MAX1270 芯片。MAX1270 芯片是MAX 公司生产的8 通道的12 位串行A/D 转换芯片[7~8]，可以采用内部或外部电压参考，具有4个软件可编程的输入范围。模拟输入通道共有8个，最大的采样率可以高达110 kbps，采样时钟内部或外部可选。本例中仅用到了MAX1270 的部分功能，设计的具体电路如图6 所示。

图6 MAX1270 设计原理图

3.5 模拟量信号调理电路

本系统中压力、流量、电流、电压传感器输出的电流信号，进行模数转换前要进行电流/电压变换，保证信号的满载电压值在模数转换允许的范围之内。按照本系统所选的A/D 转换器MAX1270 的输入要求，通过使用信号调节电路如图7 所示，将输入的信号变换为0～5 V 的电压信号，同时完成低通抗混叠滤波，选择通道和信号的隔离。

图7 压力信号调理电路

3.6 开关量信号调理电路

本系统需测量的发动机工作小时、A 泵、电控系统、B 泵工作时间等，为开关信号，其都有电机或车载蓄电池供电。因此，对它们的检测，可以通过检测发电机或蓄电池开关次数，或工作时间来进行转换。图8 为发电机（G）、混合器电动机(M1)、均匀布洒器电动机(M2)工作时间测量接线示意图。

图8 开关量采集输入接线示意图

以测试发电机工作时间为例，按照本系统所选的A/D 转换器MAX1270 的输入要求，需要将外部输入信号转换为处理器能够接收的逻辑信号。具体电路实现如图9 所示。

图9 发电机工作时间测量调理电路

用两条电线（G_L、G_N）将发电机内部电路电源正负极接到外围，利用电阻、整流桥和电容，将240 V的交流高电压转换成一定的直流低电压，再接入光耦，进行光电隔离后，接入到单片机电路中。当电机开关闭合，电机开始工作，经过如下电路的转换，光耦输出端，也就是与单片机相连的MORTOR_T 端口，就接收到一个高电平信号，单片机利用内部定时器开始计时；一直到电机开关断开，电机停止工作，该端口出现低电平，则单片机定时器停止计时。单片机计时前后的时间差，即为电机本次工作的时间。

4 软件设计

软件程序主要包括4个模块设计，即数据采集模块、通信模块、控制模块和信息处理终端的设计。

数据采集模块进行数据采集时，首先要获得所要的配置信息，根据配置信息对所需采集的模拟信号、开关量信号以及工作时间信号等进行采集、存储传输给双向端口RAM。数据采集模块流程图见图10 所示。

图10 数据采集模块流程图

程序初始化时，先对STM32F103 的端口进行配置，因内部有交叉开关，通过交叉开关对端口与内部的模块进行配置；各接收串口初始化为接受中断允许，使串口通过中断来实现数据采集。STM32F103 进行数据采集时，须确定采集的模拟通道数及所采集的通道号，这些配置数据由ARM 提前写入双端口的最后8个字节中。

4.1 模拟信号采集模块的软件程序设计

在读取STM32F103 处理器读取AD 信号过程中，要求200 ms 的间隔读取AD 的值，并读取多次取其平均值，以保证数据的准确。模拟信号的采集程序流程图如图11 所示。

图11 模拟采集模块软件设计流程图

4.2 开关量采集模块的软件程序设计

开关量采集模块在系统复位或上电后，先对STM32F103 进行初始化，将通讯模块设置好。采集模块在初始化T0、T1 之前，先要读取上次掉电或复位前的计数数值，在系统掉电或复位前，系统将采集到的计数值存储在STM32F103 内，以免采集的数据丢失。

T0、T1 计数器的计数值，都存放在STM32F103的内存中。计数过程只要有STM32F103 中断，则停止计数。先处理中断后，再开始计数。开关量采集模块软件设计流程图如图12 所示。

图12 开关量采集模块软件设计流程图

4.3 累加工作时间采集模块软件程序设计

累加工作时间的基本原理如下（以发动机工作时间采集为例）：

当发动机通电后，发动机电压信号经光电耦合，产生高电频，发动机被视为进入工作状态，该时刻的时间记为起始时间；当发动机断电时，产生低电频，发动机被视为停止工作，该时刻的时间记为结束时间。读取FLASH 中存储的以前的累计工作时间，然后加本次的工作时间得出车辆的累加工作时间。程序框图如图13 所示。

图13 累计工作时间采集模块软件设计

5 结束语

STM32F103 芯片具有突出的处理器性能、优异的适应性和很低的功耗，同时其内置A/D 转换器，具有丰富的通信接口。基于STM32F103 的去污喷洒作业车装备数据采集系统设计，利用传感器实现数据的自动采集，给部队内部数据采集带来方便的同时，降低了成本和功耗，提高了数据采集的准确度和精度。同时大大加强了工作的灵活性和响应速度，提高部队装备管理自动化水平，较好地解决了装备信息采集的问题。

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