一种潜标实时采集嵌入式系统的研发

田炳丽　胡坤　王肖闯

摘要：实时潜标目前是研究的热点之一。基于低功耗要求，提出采用ARM STM32F103、Max3221和LT8610芯片来完成硬件的CPU、串口和电源芯片的选型;用上位机唤醒下位机的方式，完成ADCP数据的传输。该潜标实时采集嵌入式系统应用到实际的海洋潜标中，获得了较好的效果。

关键词：实时潜标;STM32F103;Max3221;LT8610

0 引言

海洋潜标是观测海洋参数最重要的平台之一，其中观测的主要参数是流速流向，使用的传感器是多普勒流速仪ADCP。大多数潜标系统是自容系统，非实时系统，也就是说潜标布放后，传感器自动采集数据保留在存储卡中，需要等回收后再人工把数据从传感器存储卡中下载下来。这类潜标系统无法把数据实时传输回来，数据失去了时效性，无法为预测预报服务。因此，提出一种潜标实时系统，可以实时采集数据，然后通过表面浮标，把数据发送到岸站。本文设计了一种潜标实时采集的嵌入式系统，并用ARM STM32F103芯片實现[1-3]。

1 系统原理

潜标实时系统主要包括海表面浮标子系统和水下的潜标子系统，其中浮标子系统包括上位机、通信模块、浮标体等，潜标子系统包括下位机、ADCP、潜标浮球等。

ADCP每小时采集一次海流剖面数据，并且通过串口把数据发送给下位机。下位机收到一定数量的ADCP数据后，保存在存储卡中，等待上位机要数据。上位机每3 h通过串口向下位机要数据，要到数据后，通过通信模块把数据从浮标端发送给岸站中心，供客户使用。实时潜标具体如图1所示。

2 硬件设计及选型

考虑到水下潜标系统目前设计是电池供电，且ADCP数据量较大，因此低功耗和数据存储是需要考虑的重点。

2.1    CPU选型

适用于本项目的CPU系统，需要具有足够大的RAM存储区，可以作为读取的ADCP数据的缓存;要有方便实用的SD卡接口方案，可以快速上手并能保证可靠性;要有串行口唤醒和时钟唤醒功能，具有多种低功耗工作模式。经综合比对，CPU选择STM32F103，STM32F系列由意法半导体（ST）公司出品，属于32位ARM微控制器，它的内核是Cortex-M3。

芯片集成CAN、ADC、SPI、I2C、USB、定时器、UART等多种功能，具有MCS51、AVR、PIC等系列单片机无法比拟的优势。

2.2    RS-232电平变换电路选型

根据系统性能指标要求，除有CPU外，还需扩展两个标准RS-232作为输入输出接口，由于系统需要支持串口唤醒功能，232电平转换芯片需要总是处于侦听状态，其侦听状态功耗在系统中显得非常重要，因而232电平转换芯片的选型十分重要。经与市面上常见的多种232电平转换芯片对比，最终选择Max3221芯片作为232电平转换芯片。

Max3221是Maxim公司研制的RS-232收发器，具有自动关闭特征并实现1 μA维持工作电流。为了达到节能的目的，当Max3221输入端没有接收有效信号电平时，芯片电源和驱动器自动关闭。Max3221芯片由一个高效、双电荷泵的电源供电，实现单路3～5.5 V电源的RS-232性能。Max3221在3.3 V工作时只需外接0.1 μF电容，而且在3～5.5 V输入电压范围内均可工作，可应用于RS-232串行接口的单路3.3 V和5.0 V混合系统、单路5.0 V系统、3.3 V系统。其管脚图如图2所示，管脚功能如表1所示。

2.3    电源管理芯片的选型

为使电路的功耗指标达到要求并尽可能降低，对系统的电源管理电路的静态功耗也提出了较高要求。经过仔细对比多种常见的电源管理芯片，结合实际设计选择了LT8610。

LT8610在无负载备用情况下，突发模式（Burst Mode）工作可保持静态电流低于2.5 μA，同时其同步整流可提供高达96%的效率。

LT8610的16引线耐热增强型MSOP封装和高开关频率允许使用很小的外部电感器和电容器，从而能构成占板面积紧凑的高热效率解决方案。LT8610采用内部上管和下管高效率电源开关，在单芯片中集成了必要的升压二极管、振荡器、控制和逻辑电路。低纹波突发模式工作在低输出电流时保持了高效率，同时保持输出纹波低于10 mVpp。LT8610还有其他特点，包括过热保护、输出软启动/跟踪、电源良好标记、内部补偿功能。图3所示为LT8610典型的应用电路。

3 软件设计

标记：浮标CPU为上控A0，潜标CPU为下控A2。

3.1    上控与下控通信过程

上控与下控的通信过程如表2所示。

3.2    命令及数据包格式

下控接收到的命令如表3所示。

下控向上控发送的命令如表4所示。

以D2 33 33 33 31 38 30 33 31 35 38 37 36 30…为例，数据包如表5所示。

系统通信及程序运行流程如图4所示。

4 结语

基于ARM STM32F103芯片设计了一款低功耗的潜标实时采集系统，实现了对ADCP的实时采集，下位机通过串口把ADCP数据上传到上位机，上位机通过通信系统把ADCP的数据发送给岸站。此系统经过海试，效果良好。

[参考文献]

[1] 毛祖松.海洋潜标技术的应用与发展[J].海洋测绘，2001，21（4）：57-58.

[2] 赵忠生，袁志伟，黄磊，等.深海潜标ADCP的实时数据传输[J].海洋科学，2012，36（8）：94-97.

[3] 海重.新型实时传输潜标系统[J].军民两用技术与产品，2006（1）：17.

收稿日期：2021-01-28

作者简介：田炳丽（1976—），女，山东高密人，硕士，讲师，主要从事自动化控制、数字信号处理方面的研究工作。