栗克国，倪文军

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

一种物理模型试验用无线数据采集系统

栗克国，倪文军

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

为解决水运工程物理模型试验中传感器种类数量繁多、布线麻烦的问题，研制了一种无线数据采集系统。利用STM32F103单片机作为数据采集电路的主要部件，扩展模拟量、脉冲量、数字量采集模块。采集数据存储于FLASH存储器，以无线方式将数据传输至上位机。采集器内置可充电锂电池和无线数据传输模块。该系统可挂载波高、压力、水位、流速等多种传感器，亦可应用于其他不方便布线的数据采集场合。

数据采集；无线；模型试验；自容式；STM32

物理模型试验是人们基于相似理论对河流进行实体模拟，并据此定性或定量的揭示河流运动的内在规律，为理论研究和工程设计提供科学依据的一种研究方法［1］。物理模型试验中需要测控的关键参数包括流速、地形、水位、含沙量、波高、动态压力等。对于动床试验和港池试验，一般需用到大量的波浪传感器和动态压力传感器，传统的数据采集系统需要对每只传感器布设电缆，需要耗费大量的人力物力且容易出现故障。模型试验急需一种不需要布设电缆的数据采集方案。

本文介绍一种基于STM32单片机的无线数据采集系统，其采用锂电池供电，支持433M无线数据传输，可挂接波高、压力、水位、流速、含沙量等多种类型传感器，能够满足模型试验的实际需要。

1 系统总体设计

本系统以STM32F103单片机为核心，由模拟量采集模块、脉冲量采集模块、存储模块、供电模块、显示模块、键盘、无线数传模块及上位机组成，系统框图如图1所示。

其基本工作流程为：首先系统控制供电模块向传感器模块供电，传感器输出的模拟信号经信号调理电路调理后，经ADC转换为数字信号，流速传感器输出的脉冲信号经信号整形后输入单片机，水位传感器输出的RS485信号通过MAX487芯片输入单片机串口，单片机对这些数据进行采集、计算、存储、显示等处理。上位机通过无线模块向STM32发送指令，STM32根据指令上传实时采集数据或存储采集数据。

图1系统原理框图Fig.1 System principle block diagram

2 系统硬件设计

2.1STM32微处理器

本系统采用ST公司基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103C8T6作为控制核心，Cortex-M3内核在设计上专门考虑了满足集功耗低、实时性强的工业级嵌入式产品领域的特点。在性能相同的条件下，STM32产品功耗比同级别产品要低75%。这些改良技术使Cortex-M3内核具有优异的性能、代码密度、实时性和低功耗［2］。该芯片最高工作频率可达到72 MHz，具有128 K字节的闪存以及20Kbytes SRAM，3个通用定时器，2个看门狗，1路RTC实时时钟，3路UART，2路12位ADC，其采用LQFP48封装，提供27个GPIO；非常宽的供电范围（2.0～3.6 V），工作温度-40～105℃，满足工业应用的要求［2］。

STM32F103C8T6的12位ADC为逐次逼近型模数转换器，各通道的转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，转换结果以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。通道采集时间可编程，总转化时间可缩减到1us.此外，多种转换模式供选择，支持DMA数据传输。

2.2 电源供电设计

电源部分是采集器电路关键的一部分。由于采集器本身为低功耗设计，且主要应用于模型试验，挂载的传感器也多为低功耗设备，因此，电源部分采用可充电锂电池供电方案。

18 650 锂离子电池是日本SONY公司定下的一种标准性的锂离子电池型号。其电池电压为3.7 V，容量通常为1 200～3 600 MAH。18650锂电池寿命理论为循环充电1 000次，18650圆柱锂离子电池具有以下优点：①能量密度更高，能量密度大约高30%；②单元的排列方式对于安全性影响也不大，一旦电池单元出现热失控，因为容量小，不容易影响到周围的电池单元；③成本低［3］。在工作中的稳定性能非常好，广泛应用于强光手电、随身电源、无线数据传输器、便携仪器仪表等。

系统设计采用3只2 200 MAH电池并联使用的设计，使用南京拓微电子TP4056充电管理芯片进行充电部分电路设计。TP4056可编程充电电流高达1 A，芯片内部为PMOSFET结构，采用恒流恒压工作模式，具有防倒充，对充电电流可进行自动调节功能，在低电流或停机状态下，电池的漏电流降至2uA以下［4］。

锂电池放电过程中电压逐渐降低，因此采用DCDC升压芯片将电池电压升压到5 V和12 V分别供给采集器和传感器，5 V电压经过LDO线性稳压芯片降到3.3 V后供给MCU等核心芯片。为了降低功耗，12 V升压模块使用MCU进行使能控制。

电源供电部分框图如图2所示。

2.3 数据采集模块设计

数据采集模块包括对于模拟量、开关量、RS485串口信号的采集三部分。

2.3.1 模拟量数据采集

由于模型试验传感器如波高传感器等输出的均为标准的4～20 mA信号，因此，首先要将其调理成满足ADC输入范围的电压信号以便进入ADC转换为数字量。输入到ADC模拟输入通道的幅值范围为0～3.3 V。

系统采用125欧姆采样电阻将电流信号转换为电压信号，经过OP747运放构成的电压跟随器进行信号隔离，然后再注入ADC通道。在采样电阻前端，增加TVS和稳压管进行端口保护。

ADC支持最快1us的转换时间，而模型试验用传感器采集频率最大为1 kHz，因此，采用ADC单次采样模式，将采样时间设置为1～20 ms可调，实际工作时根据需要设置采样时间。

2.3.2 开关量数据采集

STM32F103的I/O口都可以配置为开关量输入端口，并且通用的I/O可以配置到16个外部中断线上。开关量输入电路如图3所示。开关量信号由IN_P端口输入，电容C1与电阻R1构成一阶低通滤波器滤除高频噪声，减小信号的毛刺，采用光耦合器TLC185实现开关量信号与STM32间的电气隔离，提高电绝缘和抗干扰能力［5］。

2.3.3 RS485串口数据采集

STM32F103C8T6支持3个串口，本系统使用串口2作为数据采集端口。设计MAX487芯片进行电平转换，使用PA1端口控制MAX487的工作模式。为保护MAX487芯片，在接口端设计自恢复保险丝进行保护。RS485数据采集电路如图4所示。

图2供电系统框图Fig.2Power supply system block diagram

2.4 存储模块设计

为了实现试验过程数据采集存储，系统扩展32MBit的NAND FLASH，选用GigaDevice公司的GD25Q32芯片，每页256bytes，支持SPI、Dual SPI、Quad SPI三种工作模式，最大工作频率104 MHz，页编程时间0.7ms，具有较低的工作功耗。本系统采用标准的SPI工作模式设置存储芯片。

2.5 显示模块设计

系统采用0.96英寸双色OLED显示器实现本地实时监控。OLED显示屏具有自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用温度范围广、功耗低等优点［6］，非常适合手持式移动设备和电池供电设备。驱动芯片采用香港晶门电子的SSD1306芯片，通信方式选用SPI同步通信方式，实现显示指令控制及数据传输。

2.6 无线通信模块设计

系统采用CC1101高性能射频收发器设计无线通信模块。CC1101是一款低于1 GHz旨在用于极低功耗RF应用的芯片。其主要针对工业、科研和医疗以及短距离无线通信设备。其工作在433 MHz频段时灵敏度为-116 dBm，接收模式下功耗16 mA，最高可设置+10 dBm的发射功率，支持0.6～500 kbps的数据传输速率，工作电压1.9～3.6 V，待机模式下电流仅200 nA［7］。

系统采用CC1101扩展模块进行连接，CC1101扩展模块内置单片机和辅助电路，串口发送接收脚可直接与STM32连接，本文使用UART1与CC1101连接，通过AT指令设置CC1101的工作模式和工作参数。

图3开关量输入电路图Fig.3Switch input circuit diagram

图4RS485采集电路图Fig.4RS485 acquisition circuit diagram

3 系统软件设计

系统软件包括采集器和上位机两部分，其中采集器部分软件在RVMDK环境下，采用C语言开发。为了方便系统的调试和修改，软件程序的设计采用功能程序模块化的设计思路。上位机软件主要实现对采集器的远程控制、数据读取及数据分析处理功能，本文不进行详细说明。

采集器软件的主要功能模块包括初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、数据通信模块。系统主程序不断调用子模块实现对软硬件资源的有机管理。

采集器功能上设计有模拟量采集、脉冲量采集和RS485数据采集3种工作模式，支持键盘操作和远程控制，主程序采用循环检测键盘和操作和串口指令，根据键盘操作和指令调用不同的子模块实现不同的功能，主程序流程图如图5所示。

指令解析子程序根据不同的指令调用相应的采集、存储、上传数据子程序模块，其流程图如图6所示。

对于模拟量采集部分子程序，为了提高采集精度，采用多次采样求均值的方式进行数据采集，为了提高效率，采集次数控制为2n次，方便进行移位操作计算均值。

4 试验结果及分析

4.1 模拟量采集精度试验

使用2008型波高传感器作为信号源，在波高率定水槽上调节不同水位，同时用采集器和普源精电3068台式万用表测量输出电流，测量数据见表1。

由表1的对比测量结果可以看出，采集器的测量结果与台式万用表的测量结果相对误差最大不超过0.125%，与目前2008型波浪数据采集系统0.2%的采集精度相比略有提高。

图6指令解析子程序流程图Fig.6Order analysis flow chart

波浪试验要求数据采集精度达到每秒80次，采集器设计了采集间隔菜单，可设置数据采集间隔从8 ms到20 ms，方便实际使用（图7）。

在实际应用中，由于单个试验需要同时多只波浪传感器，这给实时无线数据传输造成较大的压力，为了保证数据准确可靠传输，系统设计为多台仪器同时工作时，由上位机指定一台仪器实时反馈数据，其他仪器只采集存储数据，试验完成后再通过上位机指令将数据上传。

4.2 数字量采集及无线传输距离试验

数字量采集包括脉冲量采集和RS485信号采集，经过试验验证，采集器可以准确采集脉冲个数和485数据。

以模型试验水位采集常用的武汉大学LH-1重锤水位仪为例，其COM1口使用RS485接口，应用层采用ASCII传输模式的ModBus协议，可连接到数据采集器，采集器通过向水位仪发送读取水位数据指令读取水位数据，并在显示屏上显示出来，根据参数设置存储及以无线方式发送给上位机。

LH-1重锤水位仪的字节格式为：1个起始位+7个数据位+1个偶校验位+1个停止位。数据采集方式为主从方式，错误检测方式为字节偶校验和帧LRC校验。

ASCII模式消息帧以冒号‘：’字符（ASCII码3AH）开始，以回车换行符结束（ASCII码0DH，0AH）。其他域可以使用的传输字符是十六进制的‘0’...‘9’，‘A’...‘F’。

读水位指令返回帧如下：

表1电流采集比对数据表Tab.1 Current data comparison tables

图7参数设置Fig.7Parameter setting

图8试验过程图片Fig.8Test process picture

起始字节3A设备地址2个字符功能代码30 33数据字节数30 34瞬时水位数据8个十六进制字符LRC校验2个字符结束符0D 0A

返回的8个十六进制字符组成一个四字节二进制数，代表平均水位或瞬时水位。水位单位是0.01 mm。

图8为样机进行重锤水位仪采集试验过程的视频截图。单位换算为mm。

由于无线通信距离易受各种外界因素干扰，如电磁干扰、遮挡、天线方向等的影响，实际通信距离变化较大，经过试验，在试验大厅空旷环境下，有效通信距离在100 m，在水泵开启条件下，通信距离在60～80 m不等。

5 结束语

本文介绍的适用于物理模型试验的无线数据采集器采用ST公司ARM芯片STM32F103C8T6为核心，实现了AD数据采集、数字量数据采集等功能，通过外围扩展实现了锂电池供电管理、数据存储、无线数据传输功能，可与水运工程物理模型试验中应用的多数采集传感器匹配，能有效降低现场试验布线难度，具有较高的实用性和推广价值。目前该系统已完成样机开发和实验室验证，下一步将开展实际应用。

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A wireless data acquisition system for physical model test

LI Ke⁃guo,NI Wen⁃jun
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In order to solve the problems of sensor wiring in physical model test of port and waterway engineer⁃ing,a wireless data acquisition system was developed.STM32F103 MCU was used as the main component of data acquisition circuit through expansion acquisition modules such as analog,pulse and digital quantity.Data were saved in FLASH chip and transferred to host computer by wireless mode.Lithium battery and wireless module were integrated inside the instrument.Wave sensor,pressure pickup,water level sensor and flow sensor could be connect⁃ed to the instrument system.The instrument system also can be applied in other data acquisition situation.

data acquisition;wireless;model test;self⁃contained;STM32

TP 391；TV 131.61

A

1005-8443（2015）06-0596-05

2015-07-22；

2015-10-12

栗克国（1983-），男，河南省人，工程师，主要从事水运工程自动化系统研究工作。Biography：LI Ke⁃guo（1983-），male，engineer.