基于STM32的电力设备运输状态环境综合记录仪设计

苏展 刘鸿芳 于金山 卢修春

摘 要：本文提出以STM32处理器为核心的电力设备运输状态环境综合记录仪方案，利用加速度传感器、温湿度传感器、高速数据采集及大容量储存器件，对运输过程中的振动、冲击、跌落等状态进行实时监测与记录，通过附带的软件对数据进行分析，并对运输方式与包装性能进行评估。通过试验表明，该设备可以准确记录包装物在运输过程中的状态信息。

关键词：STM32;记录仪;加速度传感器;USB;大容量数据存储

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）01-0127-05

Design of Integrated Environmental Recorder for Power

Equipment Transportation Based on STM32

SU Zhan1 LIU Hongfang1 YU Jinshan1 LU Xiuchun2

（1. State Grid Tianjin Electric Power Company Electric Power Research Institute，Tianjin 300000;

2. Linyi Technician Institute，Linyi Shandong 276000）

Abstract： In this paper， a scheme of comprehensive environmental recorder for power equipment transportation status based on STM32 processor was proposed. Acceleration sensors， temperature and humidity sensors， high-speed data acquisition and large-capacity storage devices were used to monitor and record the vibration， impact and drop in the transportation process in real time. The data were analyzed by the attached software， and the transport mode and packaging performance were evaluated. Experiments showed that the equipment could accurately record the status information of packaging during transportation.

Keywords： STM32;recorder;acceleration sensor;USB;large capacity data storage

变压器等电力设备在运输和装卸过程中会产生各种冲撞冲击和震动，任何超过规定的冲撞冲击都会对设备造成损伤[1]。电力运输状态环境综合记录仪[2，3]主要用于电力运输过程中的状态监测与记录，利用加速度传感器、温湿度传感器，对运输过程中的振动、冲击、跌落等状态进行实时监测与记录，并通过相关软件对数据进行分析，可达到优化运输方式、路線、包装、储存和搬运条件等目的，减少在物流过程中设备的损坏。

本文提出以ARM Cortex™-M3 STM32处理器为核心的电力运输状态环境综合记录仪，包括嵌入式记录仪与运输状态环境综合分析软件两部分，融合了高性能的ARM处理器、高性能加速度传感器[4]、高精度数据采集[5]、大容量数据存储[6]、USB数据传输等技术[7-9]，实现了设备在运输过程中的状态信息采集、存储及分析，保证了电力设备的安全运输。

1 硬件系统设计

电力运输状态环境综合记录仪主要由中央处理器模块、加速度传感器模块、温湿度传感器模块、数据采集模块、NandFlash存储模块、实时时钟模块及电源模块构成。系统结构如图1所示。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼F1_[S3C）O`Q[4H%0]KVVYQN.png>[NandFlash存储模块][温湿度传

感器模块][ADXL001模块][AD    模块][电源模块][USB模块][实时时钟模块][中央处理器STM32模块]

图1 硬件系统结构

1.1 主要功能模块设计

中央处理器模块负责整个系统的数据采集管理、数据分析处理及数据存储管理等工作，是整个系统的核心。中央处理器采用高性能的ARM® Cortex™-M3处理器STM32F103ZE。高性能、低功耗的中央处理器保证了系统数据处理的运算速度，集成的USB接口在提供安全可靠的数据传输的同时，降低了系统的复杂度。

由于记录仪需要记录大量的振动波形数据，因此需要一个大容量的数据存储器。本设计选用NandFlash数据存储器为三星K9F1G08U0B，具较高的单元密度，可以达到高存储密度，且写入和擦除速度较快。

加速度传感器模块提供包装物的振动信息，采用三个ADXL001，分别记录X、Y、Z方向的振动信息。ADXL001振动与冲击传感器是ADI公司开发的单芯片、高性能且能够适应工业应用的苛刻环境的传感器。根据实际需要选择满量程动态范围是±250g的型号，具有0.2%满量程范围的出色非线性度。

温湿度传感器模块采用SHT11，是一款数字温湿度传感器芯片，具有高度集成、接口简单、传输可靠性高、测量精确度高等特点。

实时时钟模块采用DS1307，具有56字节非失性RAM的全BCD码时钟日历实时时钟芯片，地址和数据通过两线双向的串行总线的传输，芯片可以提供秒、分、小时等信息，每一个月的天数能自动调整，并且有闰年补偿功能。

1.2 高精度数据采集模块设计

由于加速度传感器量程范围大，而记录要求精度较高，因此，为了完成高精度数据采集，本系统设计了基于ADS8341的数据采集模块，并采用多种方式提高AD的采样精度。ADS8341是TI公司推出的一款4通道低功耗且具有串行接口的16位高速逐次逼近式A/D转换器。具体设计如图2所示。

为了提高采集精度，还采取了以下几种方式。

①使用外部高精准参考电压，采用LM4040A30专用基准电压芯片。

②电路设计中，注意模拟电源和数字电源，以及模拟地和数字地要分开，减少耦合噪声路径。

③电路板布线时，需要注意不要让信号输入引脚运行在靠近数字信号通路的地方，这样能使耦合到ADC输入端的数字信号开关噪声大大降低。

④硬件滤波，滤除干扰信号，信号输入前级接滤波电路。

2 软件系统设计

嵌入式软件以FATFS文件系统为核心，所有的数据都将以文件方式进行存储，方便数据的存储与传输。USB数据传输模块建立记录仪与PC之间的USB连接后，采用U盘模式将记录仪的数据传输至PC指定的文件夹下。记录仪有多重工作模式，对于每种工作模式，系统工作参数又有不同，采用配置文件的模式配置记录仪的工作模式，可以方便灵活地进行配置。软件由FATFS文件系统、USB数据传输、AD数据采集、数据处理及存储、按键扫描、温湿度信息采集模块等多个软件模块构成。

2.1 嵌入式软件主流程

记录仪嵌入式软件的流程如图3所示。系统上电后扫描按键，设置自身的工作状态。当按待机时，系统将调整工作频率，把工作频率设置到最小，同时将系统设置到待机模式，降低功耗。在此种工作模式下，将定时扫描键盘，准备切换到工作状态。当按USB通信时，系统将进行USB通信的初始化，连接记录仪与PC电脑。当初始化完毕时，系统进入U盘模式，随时等待数据的传输。当按下运行时，系统首先读取配置文件信息，配置运行的工作模式。配置定时器间隔，配置AD采集的速度，配置传感器的阈值等。

2.2 滚动更新算法

为了有效保证阈值触发模式下，事件发生前后数据的完整性和准确性，能完整地反映事件发生前后加速度的变化趋势，避免丢失数据、数据模糊等现象的发生，采用“堆栈滚动更新算法”进行数据存储，软件流程如图4所示。

“堆栈滚动更新算法”是指在STM32的RAM区开辟三个存储区X、Y、Z域作为缓存区（buffer），分别标记为A1、A2和A3，以此来实时保存传感器采集到的数据。程序开始运行后，当传感器采集到第一个数据后，便将这个数据存到标号为A1的X存储区域内。当标号为A1的这个缓存区存满时，程序就接着依次把采到数据存入A2和A3的缓存区中。三个缓存区都存满后，程序将自动更新X、Y、Z三个存储区域的标号，即X的标号变为A3，Y的标号变为A1，Z变为A2，程序也将继续把数据存在标号为A3的缓存区中，并以此类推。

当冲击发生时，采集数据超阈值，需要保存事件发生前的数据块、事件发生时的数据块以及事件发生后的一个数据块，共同组成一个完整波形数据。这样，冲击的主要波形会体现在整个存储波形的中间附近，便于数据分析。

2.3 运输状态环境综合分析软件

运输状态环境综合监控分析软件主要有设置功能和数据分析功能。

设置功能主要包括：①搜索设备、生成设备列表;②读取设备原有配置信息;③设置阈值触发的采样频率、采样大小、采样空间及触发阈值;④设置时间触发的采样频率、采样大小、采样空间分配及采样间隔;⑤加速度及温湿度传感器参数校正;⑥设置记录模式及通道选择;⑦添加路线信息及货物图片信息。设置界面如图5所示。

数据分析功能主要包括：①搜索设备;②选择工作模式;③根据工作模式显示波形数据及温湿度、时间信息。显示界面如图6所示。

3 系统实现与测试

基于本文设计的记录仪，分别在振动实验台和冲击实验台上进行了测试。在振动实验台上进行定时模式的数据采集，利用记录仪数据分析软件，可以观察到如图7所示的振动波形。从图7可以看出，在周期性运动的振动实验台上，得到了一组近似于正弦波的曲线，该组曲线反映了记录仪的加速度信息。在冲击实验平台上进行阈值触发采集模式数据采集实验，利用记录仪数据分析软件，可以观察到如图8所示的振动波形。从图8可以看到，在冲击实验平台上，记录仪可以较好地捕捉到整个冲击过程，并完整记录冲击的波形。

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image5_2.png>

图5 运输状态环境综合分析软件设置界面

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image6_2.png>

图6 运输状态环境综合分析软件显示界面

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image7.png>

圖7 振动台测试结果

<F：＼欢欢文件夹＼201904＼河南科技201901＼河南科技（创新驱动）2019年第01期_103595＼Image＼image8.png>

图8 冲击测试结果

4 结语

本文提出以STM32 ARM Cortex?-M3处理器为核心的电力设备运输状态环境综合记录仪方案设计。试验表明，该设备可以准确记录包装物在运输过程中的状态信息;利用PC上位机记录仪数据分析软件，可以较好地进行状态信息的分析与处理。

参考文献：

[1]贺志，周晟，向红.运输环境数据采集设备在家电物流中的应用[J].包装工程，2012（5）：138-142.

[2]Wei Y. Design and realization for Internet of Things Logistic Unified Information System API layer sound recording mode[C]// International Conference on Computer Science & Service System.IEEE，2011.

[3]Shen C，Zhao L M， Li Y. A summary of the research on financial records logistics management system[C]// IEEE International Conference on Industrial Engineering & Engineering Management. 2011.

[4] Vohnout S， Engelman M， Enikov E. Miniature MEMS-based data recorder for prognostics and health management （PHM）[J]. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine，2011（4）：18-26.

[5]You T，Li P J，Tong G J，et al. Development of Acoustic Emission High-Speed Data Acquisition System[J].Advanced Materials Research，2012（3）：5666-5671.

[6]Qiao L， Xu H. Realization of high speed mass storage Data Record Card with CF Card and SDRAM[C]// Instrumentation & Measurement Technology Conference.2010.

[7]Zhang Z， Xin F， Yin M， et al. Developing of data recorder of using USB flash disk as storage media[C]// International Conference on Mechanic Automation & Control Engineering.2011.

[8]Wei C， Lei C， Li X. A USB Interface High-speed Data Acquisition System[C]// International Conference on Mechanical & Electronics Engineering.2011.

[9]Jiang H， Ojaruega M， Becchetti F D， et al. A USB2 based portable data acquisition system for detector development and nuclear research[J]. Nuclear Inst & Methods in Physics Research A，1967（1）：483-486.