0 引言

    在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中,，需要監(jiān)測(cè)泥位,、地聲、次聲,、位移等多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，監(jiān)測(cè)人員關(guān)注的不再是采集系統(tǒng)的功能,，而是其基本性能，如采集速度,、采集精度,、抗干擾能力^[1]。而且,，以往人工到現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)方法已不能滿足當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)要求,，本文利用ARM微控制器STM32F103和低噪聲雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1256共同構(gòu)建低功耗多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)不間斷實(shí)時(shí)采集,，通過(guò)串口與GPRS模塊或北斗衛(wèi)星模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸,，有效提高監(jiān)測(cè)參數(shù)精度，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性,，降低系統(tǒng)功耗,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由ARM微控制器STM32F103、A/D轉(zhuǎn)換電路,、電源電路,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、數(shù)據(jù)傳輸電路和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成^[2],。STM32F103作為多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心,，控制協(xié)調(diào)具體的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸,。A/D轉(zhuǎn)換電路可采集泥位,、地聲,、次聲、位移等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),，STM32F103將采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析處理后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸電路傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,，數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)GPRS或北斗衛(wèi)星模塊上傳，后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線查看及歷史查詢,，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路可將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到SD卡中,，方便以后數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器簡(jiǎn)介

    微控制器采用STM32系列的32位微控制器STM32F103R8,。它采用ARM32位Cortex TM-M3的CPU，主頻可達(dá)72 MHz,，內(nèi)置高達(dá)512 KB的閃存和64 KB的SRAM,，具備豐富的外設(shè)資源，主要包括ADC,、RTC,、I2C及SPI等接口?？商峁┧?、停機(jī)和待機(jī)三種省電模式，有效保證系統(tǒng)的低功耗性,，而且Thumb-2指令集可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率與實(shí)時(shí)性,。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

    A/D轉(zhuǎn)換電路選用TI公司推出的針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256，其24位Δ-ΣADC適用于科學(xué)儀器,、工藝控制等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,，提供了最高23位的無(wú)噪聲精度、最高30 kS/s的數(shù)據(jù)速率,、±0.001 0% 非線性特性,，非常適合用于高速、高精度數(shù)據(jù)采集,，其內(nèi)部集成有輸入多路復(fù)用器,、輸入緩沖器、可編程增益放大器^[3],。

2.3 電源電路

    電源電路采用太陽(yáng)能浮充鋰電池作為供電電源,，鋰電池組基本參數(shù)為12 V/16 Ah，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)提供12 V,、5 V及3.3 V三路工作電源,，微控制器通過(guò)程序管理協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)各部分電源供給，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。5 V電源由TPS54229E轉(zhuǎn)化提供,，支持寬電壓輸入,，集成高效率FET，電路PCB空間較小,，適合多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的多電源總線調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)^[4],，3.3 V電源采用功耗非常低的降壓模塊LTC3631轉(zhuǎn)化提供。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路主要由內(nèi)部Flash和外部MicroSD卡兩部分組成^[5],。內(nèi)部Flash用于系統(tǒng)內(nèi)部傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),，MicroSD卡用于采集野外現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。微控制器STM32F103采用SDIO模式驅(qū)動(dòng)MicroSD卡工作,，微控制器控制CLK作為MicroSD卡的時(shí)鐘信號(hào)線,，在每個(gè)時(shí)鐘內(nèi)可傳輸一位命令或數(shù)據(jù)；CMD是命令信號(hào)線,，用于傳輸微控制器發(fā)出的命令或命令響應(yīng),；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)DATA0~DATA3四根數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸。此外,，系統(tǒng)擴(kuò)展EEPROM存儲(chǔ)器,，采用Microchip公司的24LC512，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的ID,、采集時(shí)間,、采集頻率、工作模式,、數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)地址等相關(guān)參數(shù),，EEPROM內(nèi)部存儲(chǔ)的信息為系統(tǒng)的定時(shí)與實(shí)時(shí)在線兩種工作模式提供標(biāo)準(zhǔn)參考。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸電路

    數(shù)據(jù)傳輸電路分為GPRS和北斗衛(wèi)星傳輸,，系統(tǒng)通過(guò)RS232串口分別與GPRS和北斗衛(wèi)星傳輸模塊連接。GPRS傳輸作為常規(guī)的傳輸模式,，傳輸模式簡(jiǎn)單,、可靠、穩(wěn)定,，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)優(yōu)先選擇,，無(wú)法滿足GPRS信號(hào)時(shí)選擇北斗衛(wèi)星傳輸模式。GPRS傳輸模塊選用華為GTM900C模塊,，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP數(shù)據(jù)包方式將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心,。北斗衛(wèi)星傳輸模塊選用國(guó)智恒集團(tuán)的BGT-500模塊，可實(shí)現(xiàn)RDSS的雙向定位和短報(bào)文通信功能,，具有較高的集成度和更低的功耗,，系統(tǒng)通過(guò)北斗通信模塊以短報(bào)文方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括微控制器軟件設(shè)計(jì),、數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì),、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì),、數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)。

3.1 微控制器軟件設(shè)計(jì)

    在微控制器的協(xié)調(diào)下完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,、存儲(chǔ)與傳輸,。微控制器軟件設(shè)計(jì)主要涉及系統(tǒng)工作狀態(tài)初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化,、SDIO和MicroSD卡初始化及串口初始化,。初始化完成后，微控制器進(jìn)入到低功耗工作模式,，相關(guān)數(shù)據(jù)采集通道自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模式,，當(dāng)各個(gè)通道采集到數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)出采集完成中斷來(lái)喚醒微控制器，中斷子程序流程圖如圖2所示^[6],。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集程序由微控制器與ADS1256共同完成,，數(shù)據(jù)采集包括A/D數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集，A/D數(shù)據(jù)采集包括被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的帶寬,、被測(cè)信號(hào)精度,、采集功耗，A/D數(shù)據(jù)采集在設(shè)置時(shí)要將ADS1256設(shè)置為可調(diào)模式,，數(shù)據(jù)的輸出在模式選擇后與芯片時(shí)鐘頻率CLK有關(guān),，數(shù)據(jù)采集通過(guò)SPI通信協(xié)議，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后用TDM模式輸出,，軟件流程圖如圖3所示,。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件設(shè)計(jì)

    微控制器通過(guò)SDIO模式完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，主要包括MicroSD卡的初始化,、卡識(shí)別,、采集數(shù)據(jù)的讀寫^[7]。上電初始化后,，微控制器通過(guò)庫(kù)函數(shù)SDIO_Init（）配置SD卡時(shí)鐘,，發(fā)送命令檢測(cè)是否有SD卡存在并對(duì)接入系統(tǒng)的卡進(jìn)行歸類，同時(shí)對(duì)操作電壓進(jìn)行范圍驗(yàn)證以保證CID和CSD數(shù)據(jù)能正常讀寫,；STM32F103以時(shí)鐘頻率開(kāi)始MicroSD卡的識(shí)別流程,，發(fā)送ALL_SEND_CID獲取MicroSD的CID(unique card identification)，發(fā)送SEND_RELATIVE_ADDR獲取RCA（Relative Card Address）,，RCA用于對(duì)MicroSD進(jìn)行尋址,，一旦RCA被接收，代表卡已進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),；接下來(lái)STM32F103發(fā)送SEND_CSD來(lái)獲取卡的CSD（Card Specific Data）寄存器內(nèi)容,，包括塊長(zhǎng)度、卡存儲(chǔ)容量、最大時(shí)鐘速率等,；然后進(jìn)入讀寫狀態(tài),，通過(guò)調(diào)用SD_ReadDisk()函數(shù)與SD_WriteDisk()函數(shù)實(shí)現(xiàn)微控制器與MicroSD卡之間的數(shù)據(jù)讀寫操作。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

    微控制器啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸程序后,，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工作方式初始化,，通過(guò)EEPROM讀取相關(guān)通信配置，比如設(shè)定服務(wù)器IP地址,、端口號(hào),、設(shè)備號(hào)、工作時(shí)間等,；然后由微處理器發(fā)出指令檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào),，首先查詢GPRS模塊網(wǎng)絡(luò)是否注冊(cè)成功；成功后即可建立與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務(wù)器的連接,，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理,；根據(jù)需要發(fā)送一定格式的心跳信息。一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)自動(dòng)切換到北斗衛(wèi)星傳輸模式,，現(xiàn)場(chǎng)北斗傳輸模塊上電后微處理器向北斗發(fā)送IC卡檢測(cè)命令,，回復(fù)正確后向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心發(fā)送通信申請(qǐng)，收到命令后才發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖如圖4所示,。

3.5 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心程序流程圖

    數(shù)據(jù)監(jiān)控中心（服務(wù)器）軟件作為TCP服務(wù)器端和北斗服務(wù)器端，具有公網(wǎng)固定IP地址且開(kāi)放監(jiān)聽(tīng)端口,，分別接收來(lái)自GPRS客戶端的TCP數(shù)據(jù)包與北斗客戶端的數(shù)據(jù),，并向客戶端發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)。主要任務(wù)是完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的接收,、分析,、處理和存儲(chǔ)。首先服務(wù)器端啟動(dòng)TCP/IP監(jiān)聽(tīng)和打開(kāi)串口,，監(jiān)聽(tīng)TCP端口和串口,，將接收到數(shù)據(jù)包/數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于以后數(shù)據(jù)查詢與分析^[8],。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心程序流程圖如圖5所示,。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

    為驗(yàn)證測(cè)試多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能功能，搭建野外模擬數(shù)據(jù)測(cè)試平臺(tái),，給4個(gè)數(shù)據(jù)采集通道輸入模擬野外監(jiān)測(cè)傳感器的電壓信號(hào),，將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)與采集通道的輸入電壓進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    從兩組測(cè)試結(jié)果可以看出,，系統(tǒng)4個(gè)采集通道均可準(zhǔn)確對(duì)輸入電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,，采集數(shù)據(jù)可以精確到小數(shù)點(diǎn)后3位，系統(tǒng)采樣結(jié)果相對(duì)誤差較小,，完全滿足對(duì)野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度要求,。

5 結(jié)語(yǔ)

    本文以嵌入式微處理器STM32F103與ADS1256共同構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分發(fā)揮STM32F103的控制協(xié)調(diào)作用,，可實(shí)時(shí)在線采集0~5 V電壓輸出型的不同傳感器信號(hào),，有效保證數(shù)據(jù)采集精度、實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)處理能力,，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心與地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線通信，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢,、分析及數(shù)據(jù)處理,。軟硬件架構(gòu)的合理設(shè)計(jì)有效降低了系統(tǒng)的成本與功耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化與智能化采集,，可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害野外現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中有較好的應(yīng)用前景。

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