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基于STM32F103装备数据采集系统的设计

来源:九壹网
《装备制造技术))2012年第7期 基于STM32F1 03装备数据采集系统的设计 张蕉蕉 ,曹森’,郭坚毅 ,苏国华。 (1.解放军理工大学,工程兵工程学院机械装备试验研究中心,江苏南京2100071 2.解放军南京军区73602部队,江苏南京210007;3.解放军北京军区66114部队,北京102407) 摘要:为了提高装备信息自动采集的效率,介绍了一种基于STM32F103处理器的装备数据采集系统。分析了系统的 需求。给出了数据采集系统框架图,以及各采集模块的功能实现流程;详细阐述了装备数据采集系统硬件和软件设计。 主要包括存储模块、模拟信号调理电路和开关信号调理电路设计,模拟信号、开关信号和累计工作时间采集模块的软 件模块程序设计:实际应用证明,该数据采集系统具有成本低、功耗小、响应速度快等优点,能可靠地实现数据自动采 集,较好地解决装备数据采集的实时性和精确性的问题。 关键词:数据采集;STM32F103;传感器;模块;流程 中图分类号:TS380 文献标识码:A 文章编号:1 672—545X(201 2)07_0307—05 现役装备的相关信息输出,以指针式仪表为主, 故障分析预测、以及为装备定期维护提供数据依据, 部分先进装备仅具有简单的电子监控和三级报警功 需采集该装备的参数很多,主要包括: 能,信息化程度滞后于当前国内外先进的民用装备 (1)装备动用信息的采集; 水平【t-21;随着现行装备越来越复杂,需要管理的信息 (2)发电机的工作性能,即发电机的工作小时、 随之增加,对数据采集要求也越来越高;部队装备管 电压和电流; 理自动化水平处于较低状态,日常管理工作大量依 (3)喷洒工艺过程监控,即液压罐和清洗罐的 赖人工作业,依据传统手动登记、逐个排查的方式, 液位; 进行装备数据的收集、记录圄;管理工作效率不高,无 (4)在线混合器的使用次数; 法及时获知装备的动用状况、技术状况以及状态等 (5)均匀布洒器的使用次数; 信息,同时,势必会耗费大量的人力、物力和财力,而 (6)螺杆泵的流量和压力; 且效率低下。 (7)控制系统的使用时间; 为改进这种现状,本文以ARM微处理器为核 (8)电动球阀的使用次数以及车速传感器的使 心,以压制去污作业车为研究对象,研制装备数据自 动采集设备,实现装备数据的自动采集,并能通过无 用次数。 线传输将采集的数据自动上传PC机,开发数据处理 根据所使用的传感器输出信号和其他各类数据 系统,将采集的数据进行分析处理,实现装备的信息 采集的方法,将本系统需要采集的信号分类,如表1 化管理。 所列。 表1 信号分类表 开关量 发动机、发电机、A泵、电控、B泵工作时 1 采集系统分析 间;混合器、喷洒器使用次数 模拟量 A罐、B罐、清洗罐液位;A泵压力;A泵、 B泵流量;发电机电压、电流 压制去污作业车,主要由承载底盘、在线混合系 数字量 A泵、B泵温度 统、动力输送系统、均匀布洒系统、循环供料系统、主 控系统等部分组成。为保障装备的良好性能,提高装 根据采集信号的分类,设计系统的信号采 集器框架图如图1所示。 备的作业能力,实现对装备的科学管控、智能预警、 收稿日期:2012—04—25 作者简介:张蕉蕉(1984一),女,浙江浦江人,助教,硕士,主要从事机械设计及机电一体化理论研究;曹森(1987一),男,湖南 郴州人,硕士研究生,主要从事机械装备质量管理研究。 Equipment Manufactring Technology No.7,2012 采集模块这3部分的软件程序设计。 3系统硬件设计 3.1 STM32F103单片机介绍 STM32包括两个完整的系列f4]:STM32F101是 基本型系列,工作在36 MHz;STM32F103是增强型系 列,工作在72 MHz,带有片内RAM和丰富的外设。 STM32F103的主要构成包括 : (1)嵌入Flash和SDRAM的ARM Cortex—M3 32 图1 数据采集系统框图 2 系统总体设计 系统设计包括硬件设计和软件设计两部分,均 采用模块化设计方法。 硬件主要包括CPU模块、A/D转换模块、采样数 据存储模块、无线通信模块、电源模块、预警模块和 键盘模块。 CPU模块是32位微处理器STM32F103处理器。 A/D转换模块由片内集成了高性能A/D转换器 的专用微处理器及外围电路组成,根据主控制器的 指令,完成对相应数据的采集。 数据存储模块由FM25CI_/34存储器和 AT26DF321存储器组成,用于实时保存采集到的数 据信息。 无线通信模块由CC2500以及收发天线组成。 电源模块由专用电源管理芯片组成。 预警模块由预警电路和语音模块组成。 键盘模块由3 x 8触摸式键盘及键盘管理芯片 组成,完成用户指令的录入功能负责整个系统的电 源管理。 系统总体结构框图如图2所示。 图2 系统总体结构框图 软件主要针对数据采集进行设计,主要包括模 拟信号采集模块、开关量采集模块和累计工作时间 308 比特RISC内核。 (2)嵌人式的Flash存储器。32字节的存储器可 以有效地存储程序和数据。 (3)内部和外部中断控制器。 (4)DMA。灵活的7路DMA,可以处理存储器之 间和存储器与外围之间的转换,每一路通过软件触 发来用于硬件的DMA请求。 (5)具有日历功能的RTC时钟。 (6)串行线和JATG调试接口(sWJ—op)。 (7)看门狗定时器。 结合系统设计,需要综合考虑选用此款芯片作 为本系统的核心芯片。 3.2电源模块设计 本系统需要使用直流电源电压有24 v、12 v、 5 V、3-3 V。比如CATS09S、AT26DF321、FM25CL04等 芯片,需要3-3 V电源电压;压力、流量、电流、电压信 号调理电路需要12 V电源电压;发动机、电控系统工 作时间的测量,调理电路需要24 V和3.3 V电源电 压;螺杆泵工作时间的测量,调理电路需要5 v和 3-3V的电源电压。 采用电压转换芯片AP1509,可将24 V电压转换 为12 V,或5 V电压。经过REG1117—3.3芯片,可将 5 V电压转换成3.3 V电压,如图3所示为采集器部 分电源原理图。 图3 电源电路原理图 《装备制造技术))2012年第7期 3.3储存模块设计 本采集器所设计的存储模块,选用了FM25CL04 存储器和AT26DF321存储器。两者的读取和擦除方 式和速度不同;再者,就是两者的价格差异比较大; 综合考虑将两者组合使用,可以实现高效、高性能、 高性价比的存储功能。 电路图如图4中wP为写保护,SCK、SI和SO 图7 压力信号调理电路 分别为串行时钟、串行数据输入、串行数据输出。 3.6开关量信号调理电路 本系统需测量的发动机工作小时、A泵、电控系 统、B泵工作时间等,为开关信号,其都有电机或车载 图4 数据采集铁电存储电路图 FLASH存储电路图如图5所示。 图5 数据采集FLASH存储电路图 3.4 A/D转换模块设计 本系统由于需要采集的模拟量较多,综合考虑 应用MAX1270芯片。MAX1270芯片是MAX公司生 产的8通道的12位串行A/D转换芯片[7~8],可以采 用内部或外部电压参考,具有4个软件可编程的输 入范围。模拟输入通道共有8个,最大的采样率可以 高达110 kbps,采样时钟内部或外部可选。本例中仅 用到了MAX1270的部分功能,设计的具体电路如图 6所示 GND 图6 MAX1270设计原理图 3.5模拟量信号调理电路 本系统中压力、流量、电流、电压传感器输出的 电流信号,进行模数转换前要进行电流/电压变换, 保证信号的满载电压值在模数转换允许的范围之 内。按照本系统所选的A/D转换器MAX1270的输入 要求,通过使用信号调节电路如图7所示,将输入的 信号变换为0~5 V的电压信号,同时完成低通抗混 叠滤波,选择通道和信号的隔离。 蓄电池供电。因此,对它们的检测,可以通过检测发 电机或蓄电池开关次数,或工作时间来进行转换。图 8为发电机(G)、混合器电动机(M1)、均匀布洒器电动 机fM2)工作时间测量接线示意图。 图8 开关量采集输入接线示意图 以测试发电机工作时间为例,按照本系统所选 的A/D转换器MAX1270的输人要求,需要将外部输 入信号转换为处理器能够接收的逻辑信号。具体电 路实现如图9所示。 图9 发电机工作时间测量调理电路 用两条电线(G_L、G-N)将发电机内部电路电源 正负极接到外围,利用电阻、整流桥和电容,将240 V 的交流高电压转换成一定的直流低电压,再接入光 耦,进行光电隔离后,接入到单片机电路中。当电机 开关闭合,电机开始工作,经过如下电路的转换,光 耦输出端,也就是与单片机相连的MORTOR_T端 口,就接收到一个高电平信号,单片机利用内部定时 器开始计时;一直到电机开关断开,电机停止工作, 该端口出现低电平,则单片机定时器停止计时。单片 机计时前后的时间差,即为电机本次工作的时间。 4软件设计 软件程序主要包括4个模块设计,即数据采集 309 Equipment Manufactring Technology No.7,2012 模块、通信模块、控制模块和信息处理终端的设计。 计数值存储在STM32F103内,以免采集的数据丢失。 数据采集模块进行数据采集时,首先要获得所要 T0、T1计数器的计数值,都存放在STM32F103 的配置信息,根据配置信息对所需采集的模拟信号、开 的内存中。计数过程只要有STM32F103中断,则停止 关量信号以及工作时间信号等进行采集、存储传输给 计数。先处理中断后,再开始计数。开关量采集模块 双向端口RAM。数据采集模块流程图见图10所示。 图10 数据采集模块流程图 程序初始化时,先对STM32FlO3的端口进行配 置,因内部有交叉开关,通过交叉开关对端口与内部 的模块进行配置;各接收串口初始化为接受中断允 许,使串口通过中断来实现数据采集。sTM32F103进 行数据采集时,须确定采集的模拟通道数及所采集 的通道号,这些配置数据由ARM提前写入双端口的 最后8个字节中。 4.1模拟信号采集模块的软件程序设计 在读取STM32F103处理器读取AD信号过程 中,要求200 ms的间隔读取AD的值,并读取多次取 其平均值,以保证数据的准确。模拟信号的采集程序 流程图如图1l所示。 图1 1 模拟采集模块软件设计流程图 4.2开关量采集模块的软件程序设计 开关量采集模块在系统复位或上电后,先对 STM32F1 03进行初始化,将通讯模块设置好。采集模 块在初始化T0、Tl之前,先要读取上次掉电或复位前 的计数数值,在系统掉电或复位前,系统将采集到的 31O 软件设计流程图如图12所示。 图1 2 开关量采集模块软件设计流程图 4.3累Jjn-r作时间采集模块软件程序设计 累加工作时间的基本原理如下(以发动机工作 时间采集为例): 当发动机通电后,发动机电压信号经光电耦合, 产生高电频,发动机被视为进人工作状态,该时刻的 时间记为起始时间;当发动机断电时,产生低电频, 发动机被视为停止工作,该时刻的时间记为结束时 间。读取FLASH中存储的以前的累计工作时间,然 后加本次的工作时间得出车辆的累加工作时间。程 序框图如图13所示。 图13 累计工作时间采集模块软件设计 5 结束语 STM32F103芯片具有突出的处理器性能、优异 的适应性和很低的功耗,同时其内置A/D转换器,具 有丰富的通信接口。基于STM32F103的去污喷洒作 业车装备数据采集系统设计,利用传感器实现数据 《装备制造技术)2012年第7期 的自动采集,给部队内部数据采集带来方便的同时, 【3]周晓飞.工程兵数字化车场关键技术【D】.南京:解放军理工 降低了成本和功耗,提高了数据采集的准确度和精 大学。2010. 度。同时大大加强了工作的灵活性和响应速度,提高 [4]任志伟.共轨柴油机ECU模拟系统通信组件的研发及其应 部队装备管理自动化水平,较好地解决了装备信息 用[D】.吉林:吉林大学,2009. 采集的问题。 【5]Texas Instrument s.S聊32F104 Datasheet【R].2007. [6]刘涛.基于CAN总线的温度控制系统研究【D].南京:南 京理工大学,2010. 参考文献: [7】刘朋,王卫红.串行MD、D/A与TMS320C6713的接口设 【1]王庆海.液压挖掘机故障诊断系统的方案设计与推理方法 研究【D].杭州:浙江大学,2002. 计【J].微计算机信息,2005,21(7):88-90. 【8】MAXIM.Muhirange,+5V,8-Channel,Serial 12一Bit ADCs. [2】刘大生.工程机械工况参数监测及故障报警系统的研究与 MAX1270/1271 DA IlASHEET【D].2004. 开发【D].大连:大连理工大学,2000. The Design of Data Acquisition System of Equipment based on STM32F1 03 ZHANG Jiao-jiao ,CAO Sen ,GUO Jian-yi2,SU Guo-hua (1.Engineering Institute of Engineering Corp,PLA University of Science&Technology,Nanjing 210007,China; 2.No.73602 Unit,Nanjing Military Region,Nanjing 210007,China; 3.No.661 14 Unit,Beijlng Military Region,Beijing 102407,China) Abstract:To improve the equipment information collection ef ̄qciency of automation,a data acquisition system of equipment based on STM32F103 is proposed in this paper.Requirement of hte system is analyzed;Block diagram of the frame of the system is given;function and implementation of every module composing the system are introduced.The design of hte hardware and the software rae presented in devil,including memory module,processing circuits of analog .singal and switch singal etc.The software programs ofthe modules rae detailedly naalyzed to analog singal,switch singal and working time.The practical application shows that this data acquisiiton system has lower cost,smaller power consumption and faster response speed,and achieves an automatic acquisition of equipment information.The proposed system is a good solution to solve hte problem of timeliness nad accuracy to collection equipment information. Key words:data acquisition:STM32F103;senor;modules;flow (上接第301页) Design of PLC Control System for Pneumatic Manipulator ZHANG Xiao—hui .LI Wei—xin (1.Boiler and Pressure Vessel Inspection in Puyang,Puyang Henan 457000,China; 2.The Center of Quality Technology Supervision Inspection and Testing in Puyang,Puyang Henan 457000 China) Abstract:Pneumatic manipulator has low cost,simple structure,anti-jamming strong sexual characteristics,has been applied to various production environment.This paper introduces the working principle and pneumatic manipulator wiirng,and emphatically introduced the pneumatic manipulator of PLC control system desing. Key words:PLC;pneumatic;manipulator;control 311 

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