王德法 凡立超 吴虹 沈红峰

摘  要：文章从硬件设计方面来介绍如何实现基于STM32 VE芯片进行的水环境运行监测设计与应用，给出了水环境监控处理系统的硬件设计方案。

关键词：硬件设计;低功耗;水位监测;微控制;电力数据采集

中图分类号：U458.1 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）26-0080-03

Abstract： From the aspect of hardware design， this paper introduces how to realize the design and application of water environment operation monitoring based on STM32 VE chip， and provides the hardware design scheme of water environment monitoring and processing system.

Keywords： hardware design; low power consumption; water level monitoring; micro control; power data acquisition

1 概述

根据电力具有大量无人值守电力隧道用户的远程综合监控需求，展开深入调研，凭借不断创新的理念以及丰富的监控业务整合经验，通过加强计算机技术、数字化技术和信息技术的应用，实现用户对前端无人或少人值守系统的综合监控、集中管理，利用现有的网络对前端的环境、周界防范等进行有效的监控和管理，大幅度提高了对前端监控的实时性、有效性，降低了人员及管理成本。因此根据市场需求和公司发展需要，决定推行电缆隧道水环境的研制计划，提高公司电缆隧道水环境监测技术开发能力，推动该产品的大力发展。

2 水环境监测运行设计与应用基础与依据

水环境自动控制系统就是将水位信号转换为系统能处理识别的模拟量信号，MCU对这个模拟量信号进行处理分析并与设定阈值进行综合对比，根据分析结果去控制交流接触器，交流接触器再控制一个水泵，并通过反馈原理实施监控水位积水情况达到水位自动控制的目的。水泵有各种各样的工作方式，所以交流接触器也有多种设计方案，这些电气元件按照设计方案连接起来就是电气控制箱。现有多种成熟的设计方案，如GKY1X单台泵系统、GKY2X双台泵系统等等，在网上可以查到各种各样的设计原理图。水泵电气控制箱是很常用的控制设备，工作可靠、使用寿命长。影响水位自动控制系统可靠性和使用寿命的关键因素是液位传感器，就是将水位信号转换为模拟量信号这一部分。现在主要有电极式、UQK/GSK干簧管式、光电式、压力式、GKY和超声波式等几种方式。这些方式检测原理不同，因而水位自动控制的原理也不同。我们采用投入式CYW11水位计来做水位监测传感器并采用STM32 VE芯片作为数据处理芯片并通过4G通讯装置将相关水位信息传输至相关工作人员。

3 工作模式

3.1 微处理器选择

微处理器采用意法公司的STM32FVET6芯片该系列单片机在保持最佳超低功耗特性的同时，还提供了更优越的性能（最高频率可达72 MHz）、更大容量的内置存储器（高达512 MB Flash存储器和256 KB SRAM）、此芯片具有较好的低功耗性能，保证功耗性能的同时又具有多种外部接口支持多路ttl、spi、usb等。提供整个系统的功能扩展性。

3.2 低功耗模式

低功耗运行共有睡眠模式、低功耗睡眠模式、待机模式、关断模式等多种模式。

3.2.1 睡眠模式（sleep）

CPU停止工作，所有外设（peripheral）仍可以工作，使用中断（interrupt）或者事件（event）進行CPU唤醒。

3.2.2 低功耗睡眠模式（Low-power sleep）

只有CPU时钟被停止，当中断（interrupt）或者事件（event）唤醒CPU之后进入低功耗运行模式（Low-powerrun）。

3.2.3 待机模式（Standby）

待机模式下将会使用BOR（brown-outreset）获取一个最低的功耗。内核电压（VCORE）控制的始终将停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持运行状态。进入待机模式后SRAM1和集训期内容将会丢失，SRAM2的内容将保留。设备退出待机模式可以利用外部复位（NRST pin）、独立看门狗（IWDG）、唤醒引脚事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。唤醒之后时钟切换到8MHz的MSI。

3.2.4 关断模式（Shutdown）

关断模式下会获取一个最低的功耗，内核电压（VCORE）控制的始终将停止，PLL、MSI RC、HIS16 RC、HSE、LSE和LSI都停止。RTC保持运行状态。BOR（brown-out reset）不能使用。SRAM1、SRAM2和寄存器除了备份都会丢失。设备退出关断模式可以利用外部复位（NRST pin）、唤醒引脚事件（WKUP pin event）或者RTC事件（alarm， periodic wakeup， timestamp， tamper）。唤醒之后时钟切换到4MHz的MSI，唤醒时间只要5μs。

3.3 应用实例-基于水环境监测的新型电力设备运行状态数据采集系统的设计与实现

3.3.1 本系统主要由模拟量与开关量采集模块、通讯模块以及上位机人机交互模块组成，系统框图如图2所示。首先水位信号电压、电流等模拟信号经信号调理电路调理后，经模数转换器ADC转换为数字信号，再由主芯片进行数据处理;开关量信号则通过I/O口输入，主芯片通过中断或查询方式进行读取。电力数据经采集处理后，由通讯模块将数据发送通知至相关工作人员。

基于STM32芯片的新型电力设备运行数据采集装置充分利用了STM32丰富的片上资源，大大节约了硬件投资，利用STM32具有快速采样的高性能ADC、先进的电源及时钟管理、双看门狗等功能，从而大大增强了系统的实时性与可靠性，精度显著提高，同时功耗大为降低。

3.3.2 系统的硬件设计。本系统采用定时器触发的同步注入模式，能够对多路信号进行模拟量数据同步采样并且具有多个USART串行通信接口，内置分数波特率发生器，发送与接收共用可编程波特率，最高达4.5Mbit/s，数据字的长度、停止位均可设置。此外，灵活的静态存储器控制器FSMC能够通过同步或异步存储器与16位PC卡接口相连，便外部功能。

（1）模拟量采集部分采用高速处理外部电路配合主芯片同步采集处理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。通道采样时间可编程，总转化时间可缩减到1μs，此外，多种转换模式供选择，支持DMA数据传输，ADC处理部分如图3。

（2）系统设置相关I/O口为开关量输入端口，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4所示。开关量信号由IN端口输入，电容C与电阻R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TLP521实现现场开关量与STM32间的电气隔离，提高电绝缘和抗干扰能力。如图4。

（3）从低功耗设计理论依据的分析可以得出，电源电压对系统的功耗影响最大， 而系统在高、低功耗状态下使用不同的电源， 故系统中电源模块的设计非常重要。因此电源系统采用了低功耗电源转换芯片，对整体电路进行供电，此外稳定的电源、低纹波也是保证系统稳定低功耗运行的关键之一。并且电源部还设计有后备电源保障设备在异常情况的掉电时的应急处理，如图5。

3.4 产品功能特点

3.4.1 报警阈值可配置化。控制器有两路4-20ma或0-5v的标准模拟信号输入通道，与现在水位传感器连接，用于监测环境积水情况，所报警的阈值量程可结合现场实际情况通过上位机进行软件配置，增强可变性。

3.4.2 传感器量程可选1m、5m等多种量程，并支持IP68保護等级，精敏度达1cm。

4 结束语

本系统采用了水位监测、无线通讯低功耗技术，系统反应时间<1ms，能够快速准确监测水位情况。利用现有的网络对前端的环境、周界防范等进行有效的监控和管理，大幅度提高了对前端监控的实时性、有效性，降低了人员及管理成本。相信通过不断完善和发展， 该系统能够更好地适应今后的发展， 在生产和生活中发挥更大作用。

参考文献：

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