"İyi Tasarım Kağıdı" STM32'ye dayalı çok kanallı veri toplama sistemi tasarımı
Özet: Jeolojik afet izleme alanındaki düşük güç tüketimi ve veri toplama sisteminin gerçek zamanlı gereksinimlerine cevaben, STM32F103 ve ADS1256 temelli çok kanallı bir veri toplama sistemi önerilmiştir, bu sistem çamur suyu seviyesinin, yer sesinin, infrasoundun, yer değiştirmenin vb. İzlenmesini gerçekleştirebilir. Çok parametreli gerçek zamanlı çevrimiçi veri toplama. Sistem, küçük boyut, düşük güç tüketimi ve güçlü gerçek zamanlı performans özelliklerine sahiptir. Sistem, afet noktası toplama zamanı, örnekleme verileri, çevresel sıcaklık ve sensör tipi ve diğer ilgili bilgilerin 24 saat gerçek zamanlı depolanmasını gerçekleştirebilir ve jeolojik felaketlerin uzun vadeli kesintisiz veri toplanması için uygun olan GPRS veya Beidou uydusu aracılığıyla verilerin kablosuz uzaktan iletimini gerçekleştirebilir. İletim ve analiz, jeolojik afetlerin gerçek zamanlı izleme düzeyini etkili bir şekilde iyileştirebilir.
Çince alıntı biçimi: Wang Chenhui, Wu Yue, Yang Kai.STM32'ye Dayalı Çok Kanallı Veri Toplama Sisteminin Tasarımı Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (1): 51-53, 57.
İngilizce alıntı biçimi: Wang Chenhui, Wu Yue, Yang Kai.STM32'ye dayalı çok kanallı veri toplama sisteminin tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (1): 51-53, 57.
0 Önsöz
Jeolojik afet izlemede çamur seviyesi, yer sesi, infrasound, yer değiştirme vb. Çeşitli izleme verilerinin izlenmesi gerekir. Veri toplama sistemi yaygın olarak kullanılır ve izleme personeli Dikkat Artık edinme sisteminin işlevi değil, edinme hızı, edinme doğruluğu ve parazit önleme yeteneği gibi temel performansıdır. Ayrıca, sahada manuel olarak veri toplamanın önceki izleme yöntemleri artık jeolojik felaket izlemenin mevcut teknik gereksinimlerini karşılayamaz.Bu makale, düşük güçlü bir çok kanallı veri toplama sistemi oluşturmak için ARM mikro denetleyici STM32F103 ve düşük gürültülü çift kanallı analogdan dijitale dönüştürme yongası ADS1256'yı kullanır. Çok kanallı veri kesintisiz gerçek zamanlı toplamayı gerçekleştirin, seri bağlantı noktası ve GPRS modülü veya Beidou uydu modülü aracılığıyla izleme verilerinin uzaktan kablosuz iletimini gerçekleştirin, izleme parametrelerinin doğruluğunu etkin bir şekilde iyileştirin, sistem kararlılığını ve güvenilirliğini artırın ve sistem güç tüketimini azaltın.
1 Sistemin genel tasarımı
Çok kanallı veri toplama sistemi temel olarak ARM mikro denetleyici STM32F103, A / D dönüştürme devresi, güç kaynağı devresi, veri depolama devresi, veri iletim devresi ve veri izleme merkezinden oluşur. Çok kanallı veri toplama sisteminin özü olan STM32F103, belirli veri toplama, depolama ve iletimini kontrol eder ve koordine eder. A / D dönüşüm devresi, çamur seviyesi, yer sesi, infrasound, yer değiştirme vb. Gibi alan verilerini toplayabilir. STM32F103, toplanan alan verilerini basitçe analiz eder ve işler ve veri aktarım devresi aracılığıyla uzak veri izleme merkezine iletir. Veri iletimi esas olarak GPRS veya Beidou uydusu üzerinden yapılır. Modül yükleme, arka plan veri izleme merkezi, gerçek zamanlı çevrimiçi görüntüleme ve saha verilerinin geçmiş sorgusunu gerçekleştirebilir ve veri depolama devresi, gelecekteki veri işlemeyi kolaylaştırmak için toplanan verileri gerçek zamanlı olarak SD karta kaydedebilir. Sistemin genel yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir.
2 Sistem donanım devre tasarımı
2.1 Mikrodenetleyiciye Giriş
Mikrodenetleyici, STM32 serisinin 32-bit mikro denetleyicisi STM32F103R8'i kullanır. Ana frekansı 72 MHz olan ARM32-bit Cortex TM-M3 CPU, 512 KB'ye kadar dahili flash bellek ve 64 KB SRAM, çoğunlukla ADC, RTC, I2C ve SPI arayüzleri dahil olmak üzere çok sayıda çevresel kaynağa sahiptir. Sistemin düşük güç tüketimini etkili bir şekilde sağlamak için üç güç tasarrufu modu uyku, kapatma ve bekleme sağlanabilir ve Thumb-2 talimat seti, sistemin verimliliğini ve gerçek zamanlı performansını etkili bir şekilde artırabilir.
2.2 A / D dönüştürme devresi
A / D dönüştürme devresi, TI tarafından başlatılan endüstriyel uygulamalar için analogdan dijitale dönüştürücü ADS1256'yı seçer. 24 bitlik delta-sigma ADC'si, bilimsel cihazlar ve proses kontrolü gibi endüstriyel uygulamalar için uygundur. 23 bit'e kadar gürültüsüz doğruluk ve maksimum 30 KS / s veri hızı ve ±% 0.0010 doğrusal olmayan karakteristiği, yüksek hızlı ve yüksek hassasiyetli veri toplama için çok uygundur.Giriş çoklayıcı, giriş tamponu ve programlanabilir kazanç amplifikatörü içine entegre edilmiştir.
2.3 Güç devresi
Güç devresi, güç kaynağı olarak solar yüzer lityum pilleri kullanır. Lityum pil takımının temel parametreleri 12 V / 16 Ah'dir. Sistem, güç dönüşümü yoluyla 12 V, 5 V ve 3,3 V üç yollu güç kaynağı sağlar. Mikrodenetleyici, program aracılığıyla yönetir ve koordine eder. Her bir parçanın güç kaynağının farkına varın ve sistemin düşük güç tüketimini gerçekleştirin. 5 V güç kaynağı dönüştürülür ve TPS54229E tarafından sağlanır, geniş voltaj girişini destekler, yüksek verimli FET'leri entegre eder ve küçük bir devre PCB alanına sahiptir. Çok kanallı veri toplama sistemlerinin çoklu güç bara düzenleme tasarımı için uygundur. 3,3 V güç kaynağı, çok düşük güç düşürme modülü LTC3631 kullanır Dönüşüm teklifi.
2.4 Veri depolama devresi
Veri depolama devresi esas olarak dahili Flash ve harici MicroSD karttan oluşur. Dahili Flaş, sistemin dahili sensörlerinin veri depolaması için kullanılır ve MicroSD kart, saha izleme sensörlerinin veri depolamasını toplamak için kullanılır. Mikrodenetleyici STM32F103, MicroSD kartın çalışmasını sağlamak için SDIO modunu kullanır.Mikrodenetleyici, CLK'yi MicroSD kartın saat sinyal hattı olarak kontrol eder ve bu, her bir saatte bir bit komut veya veri iletebilir; CMD, mikro denetleyiciyi iletmek için kullanılan komut sinyal hattıdır Verilen komut veya komut yanıtı; izleme verileri, dört veri hattı DATA0 ~ DATA3 aracılığıyla iletilir. Ek olarak, sistem, sistemin kimliğini, edinme zamanını, edinme frekansını, çalışma modunu, veri aktarım hedef adresini ve diğer ilgili parametreleri depolamak için kullanılan Microchipin 24LC512ini kullanarak EEPROM belleğini genişletir. EEPROMda depolanan bilgiler, sistemin çevrimiçi olarak zamanlaması ve gerçek zamanlılığıdır. Bu çalışma modu standart referans sağlar.
2.5 Veri aktarım devresi
Veri iletim devresi GPRS ve Beidou uydu iletimine bölünmüştür ve sistem sırasıyla GPRS ve Beidou uydu iletim modülüne RS232 seri portu üzerinden bağlanır. Geleneksel bir iletim modu olarak, GPRS iletimi basit, güvenilir ve kararlıdır Veri iletimi için tercih edilir ve GPRS sinyali karşılanamadığında Beidou uydu iletim modu seçilir. GPRS aktarım modülü, saha izleme verilerini TCP / IP veri paketleri biçiminde GPRS ağı üzerinden gerçek zamanlı olarak uzak izleme merkezine iletmek için Huawei GTM900C modülünü kullanır. Beidou uydu iletim modülü, daha yüksek entegrasyon ve daha düşük güç tüketimi ile RDSS'nin iki yönlü konumlandırma ve kısa mesaj iletişim işlevlerini gerçekleştirebilen Guozhiheng Group'un BGT-500 modülünü seçer.Sistem, kısa mesajlar göndermek için Beidou iletişim modülünü kullanır. İzleme verilerini uzaktan izleme merkezine iletmenin yolları.
3 Sistem yazılım tasarımı
Sistem yazılım tasarımı temel olarak mikro denetleyici yazılım tasarımı, veri toplama yazılım tasarımı, veri depolama yazılımı tasarımı, veri aktarım yazılımı tasarımı ve veri izleme merkezi yazılım tasarımını içerir.
3.1 Mikrodenetleyici yazılım tasarımı
Yerinde veri toplama, saklama ve iletimi mikrodenetleyicinin koordinasyonunda tamamlanır. Mikrodenetleyici yazılım tasarımı, temel olarak sistem çalışma durumunun başlatılmasını, A / D dönüştürme başlatmayı, SDIO ve MicroSD kart başlatmayı ve seri port başlatmayı içerir. Başlatma tamamlandıktan sonra, mikro denetleyici düşük güçlü bir çalışma moduna girer ve ilgili veri toplama kanalı otomatik olarak karşılık gelen veri toplama modunu gerçekleştirir.Her kanal veri topladığında, mikro denetleyiciyi uyandırmak ve alt rutin akış şemasını kesmek için bir edinme tamamlama kesintisi yayınlayacaktır. resim 2'de gösterildiği gibi.
3.2 A / D dönüşüm yazılım tasarımı
Veri toplama programı, mikro kontrolör ve ADS1256 tarafından tamamlanır Veri toplama, A / D verilerini ve dijital veri alımını içerir A / D veri toplama, ölçülen alan sinyalinin bant genişliğini, ölçülen sinyalin doğruluğunu ve edinme güç tüketimini içerir. Veri alımını ayarlarken ADS1256'yı ayarlanabilir moda ayarlayın Veri çıkışı, mod seçildikten sonra çip saat frekansı CLK ile ilişkilidir.Veri edinimi, SPI iletişim protokolü yoluyla yapılır ve veri, veri dönüştürme sonrasında TDM modunda çıkarılır.Yazılım akış şeması Şekil 3'te gösterilmiştir. Göstermek.
3.3 Veri depolama yazılım tasarımı
Mikro denetleyici, esas olarak MicroSD kartın başlatılmasını, kart tanımlamasını ve toplanan verilerin okunmasını ve yazılmasını içeren SDIO modu aracılığıyla alan verilerinin depolanmasını tamamlar. Başlatma işleminden sonra, mikro denetleyici SD kart saatini SDIO_Init kütüphane işlevi aracılığıyla yapılandırır, bir SD kart olup olmadığını tespit etmek için bir komut gönderir ve sisteme bağlı kartları sınıflandırır ve aynı zamanda CID ve CSD verilerinin mümkün olduğundan emin olmak için çalışma voltajı aralığını doğrular. Normal okuma ve yazma; STM32F103, saat frekansında MicroSD kartın tanımlama sürecini başlatır, MicroSD'nin CID'sini (benzersiz kart tanımlama) almak için ALL_SEND_CID gönderir ve RCA'yı (Bağıl Kart A) almak için SEND_RELATIVE_ADDR gönderir gg ress), RCA, MicroSD'yi adreslemek için kullanılır.RCA alındıktan sonra, kart bekleme durumuna girer; ardından STM32F103, blok uzunluğu, kart depolama kapasitesi dahil olmak üzere kartın CSD (Karta Özel Veriler) kayıt içeriğini almak için SEND_CSD'yi gönderir. Maksimum saat hızı, vb .; daha sonra okuma ve yazma durumuna girin ve SD_ReadDisk işlevini ve SD_WriteDisk işlevini çağırarak mikro denetleyici ile MicroSD kart arasındaki veri okuma ve yazma işlemlerini gerçekleştirin.
3.4 Veri aktarım yazılımı tasarımı
Mikrodenetleyici veri aktarım programını başlattıktan sonra, sistemin çalışma modunu başlatır ve sunucu IP adresini, port numarasını, cihaz numarasını, çalışma süresini vb. Ayarlamak gibi ilgili iletişim yapılandırmasını EEPROM üzerinden okur; ardından mikroişlemci sahneyi tespit etmek için talimatlar verir. Sinyal iletmek için, önce GPRS modülü ağının başarıyla kaydedilip kaydedilmediğini kontrol edin; başarıdan sonra, veri izleme merkezi sunucusu ile bir bağlantı kurabilir ve veri aktarım işlemini gerçekleştirebilir; gerektiğinde belirli bir kalp atışı bilgisi biçimi gönderebilir. Sahada GPRS ağ sinyali olmadığı tespit edildiğinde, otomatik olarak Beidou uydu iletim moduna geçecektir.Saha içi Beidou iletim modülü açıldıktan sonra, mikroişlemci Beidou'ya bir IC kart algılama komutu gönderecektir.Cevap doğru olduğunda, veri izleme merkezine bir iletişim talebi gönderecektir. Alan verileri. Veri aktarım yazılımı akış şeması Şekil 4'teki gibi gösterilmektedir.
3.5 Veri izleme merkezi program akış şeması
Veri izleme merkezi (sunucu) yazılımı, bir TCP sunucusu ve bir Beidou sunucusu görevi görür.Kamu ağında sabit bir IP adresine ve açık bir dinleme bağlantı noktasına sahiptir.GPRS istemcisinden TCP veri paketlerini ve Beidou istemcisinden verileri alır ve istemciye yanıt verisi gönderir. Ana görev, iletişim verilerinin alınması, analizi, işlenmesi ve depolanmasını tamamlamaktır. İlk olarak, sunucu TCP / IP izlemeyi başlatır ve seri bağlantı noktasını açar, TCP bağlantı noktasını ve seri bağlantı noktasını izler, alınan veri paketlerini / verileri analiz eder ve işler ve ardından verileri gelecekteki veri sorgulama ve analizi için veritabanında depolar. Veri izleme merkezinin program akış şeması Şekil 5'te gösterilmektedir.
4 Sistem testi ve analizi
Çok kanallı veri toplama sisteminin performansını ve işlevlerini doğrulamak ve test etmek için bir saha simülasyon veri test platformu oluşturulmuş ve simüle edilmiş alan izleme sensörlerinin voltaj sinyalleri 4 veri toplama kanalına girilmiş ve sistem tarafından toplanan veriler, alım kanalının giriş voltajı ile karşılaştırılmış ve analiz edilmiştir. Test sonuçları Tablo 1'de gösterilmektedir.
İki test sonucu setinden, sistemin dört toplama kanalının giriş voltajını doğru bir şekilde örnekleyebildiği ve toplanan verilerin 3 ondalık basamağa kadar doğru olabileceği görülebilir.Sistem örnekleme sonucunun göreceli hatası küçüktür ve bu, alan izleme verilerinin doğruluğunu tam olarak karşılar. İddia.
5. Sonuç
Bu makale, 0 ~ 5 V voltaj çıkışının farklı sensör sinyallerini gerçek zamanlı olarak toplayabilen, doğruluğu, gerçek zamanlı ve etkili bir şekilde sağlayan STM32F103'ün kontrol ve koordinasyon rolüne tam anlamıyla sahip olmak için çok kanallı bir veri toplama sistemi oluşturmak için gömülü mikroişlemci STM32F103 ve ADS1256'yı kullanır. Veri işleme yeteneği ve uzaktan veri iletimini gerçekleştirme, uzaktan veri izleme merkezi ve jeolojik afet sahası gerçek zamanlı, gerçek zamanlı sorgu, yerinde verilerin analizi ve veri işlemeyle iletişim kurabilir. Donanım ve yazılım mimarisinin makul tasarımı, sistemin maliyetini ve güç tüketimini etkin bir şekilde azaltır ve sistemin minyatürleştirilmesini ve akıllıca toplanmasını gerçekleştirir.Jeolojik afetlerin saha verilerinin toplanmasında yaygın olarak kullanılabilir ve jeolojik afetlerin izlenmesinde iyi bir uygulama olasılığına sahiptir.
Referanslar
Xu Hang, Luo Wei. Gömülü tabanlı çok kanallı yüksek hızlı veri toplama sistemi Otomasyon ve Enstrümantasyon, 2013 (1): 148 - 150 .
Yang Zhenjiang.Akıllı cihazlarda ve veri toplama sistemlerinde yeni cihazlar ve uygulamalar Xi'an: Xidian University Press, 2001: 95-163.
Chen Hongyuan, Guo Tiantai, Wu Junjie, vb. Çok Kanallı Zayıf Gerilim Sinyali Senkron Toplama Sisteminin Geliştirilmesi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2014 (40): 79 -84.
Zhong Wentao, Liu Qiang. Tek çipli mikrobilgisayar tabanlı alan bilgisi algılama ve kayıt sistemi.Mekanik ve Elektrik Mühendisliği Teknolojisi, 2013, 42 (5): 26-30.
Hu Xiangchao, Li Yanjie, Zhao Xinhua, et al.Taşınabilir alan sensörleri için yerinde veri toplama sisteminin tasarımı.Sensors and Microsystems, 2014, 33 (10): 69-72.
Ding Fan, Zhou Yongming. ZigBee'ye dayalı kablosuz çok kanallı sıcaklık veri toplama sisteminin tasarımı. Enstrüman Teknolojisi ve Sensörler, 2013 (8): 72-78.
Pan Lingjiao, Zhang Zijia, Fan Yanhu, vd.Gömülü bir 16 kanallı senkronize veri toplama sisteminin tasarımı.Enstrümantasyon Teknolojisi ve Sensörleri, 2013 (11): 91-94.
Ma Jun, Li Zhihua.STM32'ye dayalı kablosuz infrasound edinim sisteminin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2014, 40 (4): 92-95.
yazar bilgileri
Wang Chenhui, Wu Yue, Yang Kai
Hidrojeolojik Çevresel Jeolojik Araştırma Merkezi, Çin Jeolojik Araştırması, Baoding 071051, Hebei
