基于STM32的多通道无线同步桨力采集系统的设计

程亮亮，张忠祥，陈家宝，刘 扬

(1.合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601；2.中国科学院 合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031)

基于STM32的多通道无线同步桨力采集系统的设计

程亮亮1，张忠祥1，陈家宝1，刘 扬2

(1.合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601；2.中国科学院 合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031)

本文设计了一种基于STM32的多通道无线桨力采集系统。系统由4桨端节点和一数据采集盒组成，可同步采集8通道桨力。桨端节点基于STM32F103C8T6设计，以200Hz采样率采集桨拉力和扭力，并通过nRF24L01+无线发送；数据采集盒基于STM32F103ZET6设计，将收到的桨力数据发送到上位机，上位机绘制桨力数据曲线。测试结果表明，系统功耗低、同步性好、误码率低，这一方法可用于无线多通道工业数据采集系统，具有非常好的实用性。

STM32；桨力；多通道无线通信；同步；误码率

数字体育是数字技术与传统体育相结合的产物，是IT、通信、互联网技术手段与体育锻炼、竞技健身、互动娱乐的完美结合。发达国家普遍利用数字体育提升运动员的各项素质，通过传感器采集运动员的生理信号并传输到计算机进行自动分析，进而给运动员提出训练建议，使其达到最佳运动水平。在多人赛艇项目中，目前国内使用的是有线方式，即桨端的传感器与采集盒之间通过有线连接，给运动员造成很大干扰，针对这一问题，项目组与中科院合肥智能所合作开发了多通道桨力无线同步传输系统。

1 系统总体方案设计

系统由四桨端电路和一数据采集盒组成。每桨端含桨拉力和扭力传感器，可无线采集8通道传感器数据。为了使各桨端采集的数据具有同步性，采集盒以40 ms为周期广播同步信号，各桨端在收到广播后以200 Hz的采样频率同步采集数据，发送到采集盒，最后通过PC的上位机软件显示[1-2]。

桨端基于STM32F103C8T6设计，结构如图1所示。

图1 桨端结构图

STM32F103系列是意法半导体出厂的Cortex-M3内核的ARM控制器[3]，其最高主频为72 MHz，具有睡眠、停机和待机三种模式。系统固定在皮划艇的桨柄上，传感器采集的信号经信号调理电路处理后由STM32F103C8T6片内AD转换器转换，并无线发送到数据采集盒。电路偏置电压可由采集盒端PC软件调整，从而将传感器信号放大到AD转换器所需的0～3.3 V电压区间内，为减小体积，电源由3.6 V纽扣电池供电，采用超低功耗LDO电源管理芯片稳定为3.3 V电压，无线模块收发数据瞬间电流较大，易对模拟电路产生干扰，并使AD采样精确度降低，故将模拟电源和数字电源隔离，模拟地和数字地通过0欧姆磁珠连接，降低了它们之间的干扰。

数据采集盒结构图如图2所示，基于高性能STM32F103ZET6设计，以40 ms周期性广播同步信号，并依次接收各桨端发来的数据，由USB连接线上传到PC，由PC上的软件绘制8通道波形。采集盒对体积和功耗要求不高，使用USB接口供电，由LDO芯片AMS1117稳定为3.3 V，因目前PC机大多无RS232接口，故采用CP2102芯片将LVTTL电平的UART信号转为USB信号[4]，与上位机通信。

图2 数据采集盒结构图

2 系统硬件组成

系统硬件主要由桨端电路和数据采集盒端构成。桨端电路放置在皮划艇桨柄上，要求体积小，功耗低，采用纽扣电池供电；采集盒位于教练船上，对体积大小等无特殊要求。

桨端电路主要由电源部分、信号调理电路、数控电位器电路、STM32F103C8T6最小系统和NRF24L01+模块接口组成。

如图3所示，信号调理电路由两级运放电路构成。第1级是AD623构成的差动放大器电路，将位于桨柄传感器采集的差分信号转为单端信号；第2级是低功耗运放OP496构成的2阶低通滤波电路，完成偏置、放大、滤波功能。两运放均采用3.3 V单电源供电，IN+、IN-是桨力传感器输出的差分信号，通过AD623转为单端信号。为降低误差，保持最佳线性度，根据传感器输出信号幅值，将第1级运放放大10倍，此时AD623输出范围0～150 mV；第2级放大20倍,截止频率为200 Hz，OP496输出范围为0～3 V，符合AD采集范围。桨拉力和扭力传感器安装在桨上后需要调零，电路增加数控电位器进行调零，电位器输出值可通过上位机软件调整。

采集盒电路相对比较简单，包含无线模块接口电路和CP2102构成的UART转USB电路。

3 系统软件设计

软件设计部分包含桨端软件、采集盒软件和上位机软件等3个部分，其中桨端节点和采集盒软件基于ARM开发环境Realview MDK[6]开发；上位机软件基于Visual Basic 6.0软件开发，用于显示波形。

3.1 桨端软件设计

桨端程序主要由主程序、外部中断构成。

主程序软件流程图如图4所示。系统首先需要完成初始化，主要包含RCC时钟、GPIO、SPI、EXTI、NVIC、AD和定时器初始化，将无线模块设为接收模式，4桨端收到采集盒的同步广播信号后打开定时器，在定时器完成数据采集，随后发送上一周期32字节数据包(桨拉力和扭力分别采样8次，共32字节)。考虑到4发送端同时发送会导致数据包空中冲撞丢包，故4桨端错开发送，nRF24L01+从接收模式切换到发送模式需要时间，数据发送成功后再将无线模块置为接收模式[7](在收到的广播信号中若有设置偏置电压标志位，则设置偏置)。

外部中断软件流程如图5所示。当无线模块收到数据后，IRQ管脚由高变低，触发B0中断，确认是桨端发来的数据后保存到缓冲并设置接收标志等待主程序接收，最后清除接收FIFO和寄存器状态STATUS，等待下一周期数据[8]。

图4 桨端主程序 图5 桨端外部中断 图6 采集盒串口中断流程图

3.2 采集盒软件设计

采集盒端软件主要包含定时器、无线接收和串口中断服务程序。定时器中断程序以40 ms为周期广播同步信号；无线接收中断程序用来接收各桨端发来的信号；串口中断程序与上位机软件双向通信，接收上位机命令、调偏置电压、发送桨力数据到上位机等，如图6所示。

3.3 上位机软件设计

上位机与采集盒通信，用于控制系统的启动与停止。设置各无线桨端的偏移，接收下位机发来的数据并绘制波形等。串口通信程序基于MSComm控件开发，它提供了事件驱动和查询两种方式。事件方式响应速度快，适合对数据实时性有较高要求的场合；而查询方式相对前者响应慢。本系统选择事件驱动方式。由于系统需要显示8通道波形，数据量大，设置串口参数为“921600,N,8,1”。桨力曲线使用PictureBox控件的Line方法绘制[9]。

4 实验结果与分析

示波器波形显示系统同步误差为100 ns，表明系统同步效果非常好，另外多点有线采集系统存在AD转换先后顺序导致的误差，而无线无此误差。图7是示波器采集的各桨端节点无线模块IRQ中断管脚的信号(从上至下依次为1，2，3，4节点)，由图可知各节点收到广播信号后错开时间发送数据，大大降低了误码率。

桨端实物图如图8所示，含传感器和电路板，由纽扣电池供电。图9是信息采集端上位机软件界面。为了测试8通道桨力信号的精度、同步性、误码率，使用多通道信号发生器同步生产三角波和正弦波信号(最后两波形是位于节点4的桨拉力和扭力传感器值)，以便对比效果。从实验结果可以看出，系统具有很好的同步性，毛刺小，稳定性非常好。

5 总结

基于STM32微控制器设计的桨力信号的测量与显示系统，采用软硬件结合的方式，实现了8通道桨力信号无线同步采集，系统同步性好，误码率低。桨端体积小、功耗低，采用可充电纽扣电池供电。系统运行稳定，具有很大的实用价值，稍作更改可用于其他任何多通道无线数据采集场所。

[1] Z.Sahinoglu,S.Gezici.Ranging in the IEEE 802.15.4a standard[C]. Wireless and Microwave Technology Conference, 2006: 1-5.

[2] 张朝龙，江巨浪.基于MSP430的无线采集系统设计[J].安庆师范学院学报(自然科学版)，2009，15(2)：29-31.

[3] 王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理及实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008:318-338.

[4] 曹圆圆.基于STM32的温度测量系统[J]. 自动化与仪器仪表，2010(3)：16-18.

[5] 马忠梅，李奇，徐琰，等.ARM Cortex-M3微控制器教程[M]. 北京：北京航空航天出版社, 2010:155-157.

[6] 季力. 基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J]. 自动化与仪器仪表，2010(3)：137-139.

[7] 邱岩，赵冲冲.戴桂兰. 无线传感器网络节点定位技术研究[J]. 计算机科学, 2008, 35(5): 47-50.

[8] 意法半导体.STM32中文参考手册[S].10版.意法半导体(中国)投资公司，2010:1-6.

[9] 闵联营，董华松.Visual Basic程序设计[M]. 北京：北京大学出版社，2006:50-56.

Multi-Channel Oar Force Wireless Synchronous Data Acquisition System Based on STM32

CHENG Liang-liang1,ZHANG Zhong-xiang1,CHEN Jia-bao1,LIU Yang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China; 2.Hefei Institutes of Physical Science Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

This paper introduced a low-power-consumption and high-performance multi-channel wireless oar force acquisition system, and explained it′s operational principle and design of hardware and software. This system consists of 4 node on oar and 1 data collector and acquires 8-channel oar forces synchronously. Based on low-power controller STM32L151, node on oar acquires pulling and torque force with sample rate of 200Hz,then send it using nRF24L01+ module wirelessly; the collector receives data and send it to PC software to draw curves of oar force.The final test results show that the system has low power consumption and good synchronization and low code error ratio.The method can be used for multi-channel industrial data acquisition system , and has very good availability.

stm32, oar force, multi-channel wireless communication, synchronization, code error ratio, low power

2015-04-20

国家体育总局国家队科技服务项目(2015HT058)和合肥师范学院校级科研项目(科研基地一般项目)(2013jd04)。

程亮亮，男，安徽池州人，硕士，合肥师范学院电子信息工程学院教师，研究方向为物联网。

时间：2016-1-5 13:01 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160105.1301.017.html

TP273

A

1007-4260(2015)04-0069-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.04.017