基于STM32控制器的地层应力检测装置研究①

高兵权 孙志海 汤丽 肖学福

(1.总后军事交通运输研究所，天津 300161;2.华北科技学院科技管理处，北京东燕郊 101601)

基于STM32控制器的地层应力检测装置研究①

高兵权1②孙志海2汤丽1肖学福1

(1.总后军事交通运输研究所，天津 300161;2.华北科技学院科技管理处，北京东燕郊 101601)

针对地层应力测量过程中注水压力实时检测的需求，基于STM32高性能微控制器，本文研究设计了数据采集、存储和上传的嵌入式控制系统，该方案具有简洁、高效、实用的特点，在实际应用中能够有效满足设计需求。

地层压力;测量;数据采集;STM32

0 引言

地层应力是评价地层结构的关键参数，依据测量基本原理不同，地应力测量可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法包括偏千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法等，由于水压致裂法具有能测量较深处的绝对应力状态，无需了解和测定岩石的弹性模量等有点，应用广泛。水压致裂法测量地应力，需要在压裂段安装压力检测装置，实时采集水压变化数值。通常情况下，一个钻孔需要采集多个深度点的数据，测量完成后对数据进行分析和处理。

针对以上需求，本文设计了基于STM32F101V8嵌入式控制器为核心，具备压力传感器数据采集、大容量数据存储、USB数据导出、电池供电、LCD显示和键盘接口控制的便携式钻井用数据采集装置。装置整体集成为一体式的模块结构，下井前通过键盘和LCD显示设置系统工作参数，主要包括存储器初始化、采集时间间隔设定，开始采集时间点设定等。设置完成后，关闭LCD以节能，连接压力传感器，装置放入密封金属管，金属管串连在钻头后，通过多节钻杆送入井下。在水压致裂过程中，传感器实时采集钻孔压力，记入大容量Flash存储器。测量完成后，从井下取出数据采集装置，使用U盘连接数据采集装置的USB接口，将压力历史数据导入移动存储器，形成文件，由上位计算机软件做进一步的数据读取、整理、分析及研究利用。

1 系统设计

该数据采集存储装置硬件系统共包括五部分：单片机最小系统、压力传感与处理模块、显示与控制人机接口模块、数据存储模块、数据导出模块和供电模块，如图1所示。

图1 信号采集和处理的工作原理图

1.1 STM32F101V8处理器介绍

STM32F101系列控制器由意法半导体公司(ST)推出，使用高性能的ARM Cortex－M3 32位的RISC内核，最大工作频率为36 MHz，内置高速存储器(高达512K字节的Flash和48K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口。STM32F101xx基本型系列工作于－40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求［1］。该设计选用STM32F101V8处理器主要考虑其高速可靠、资源丰富、工作温度宽和供电电压宽、功耗低、性价比高的特点，尤其是其内部集成AD转换器和温度传感器，12位AD转换精度，1μs转换时间。

1.2 供电处理电路

数据采集装置工作过程中需要两种电压供给，一种是压力传感器需要+5 V供电，且需要关断功能，可在不采集数据的情况下节电;二是STM32控制器、存储器、LCD及USB接口模块工作需要+3.3V工作电压。考虑装置在1000m井下使用，采用了电池供电的方式。装置设计了具备防震功能的两节五号电池盒结构，在设计过程中，曾考虑设计集成充电电池，但装置使用场合不能保证随时能够电池充电，电池盒则可以解决这个问题，平时可使用充电电池，急时使用干电池。电池有效工作电压输入范围VIN为2.2V～3.2V (干电池)或2 V～2.6 V(充电电池)，经过筛选，选用ST公司的同步升压转换器L6920D作为供电芯片，主要理由如下：

1)L6920D输出电压三种格式固定3.3V、固定5V或者2V～5V可调输出，使用两片L6920D，输出3.3V和5V两种固定电压，分别为控制系统和传感器独立供电，3.3V输出的供电电路如图2所示，5V输出电路类似;

2)L6920D输入电压范围：0.6 V～5.5 V，启动输入电压最低1V，非常适合电池供电场合;

3)L6920D关断电流0.1μA，相当于零关断，对于节能控制非常有利，根据需要随时关断传感器供电，压力传感器供电要求5 V，15 mA，电能消耗很大;

4)根据L6920提供的曲线，两节5电池串联输入的效率要高于并联输入，5 V输出时，传感器供电转换效率接近90%;

5)L6920D带有1.23 V的基准电压输出，可为传感器模拟量ADC作独立的电压对照基准;

6)L6920D具备低电压检测，电池反接保护功能。

图2 L6920电池供电电路

1.3 压力传感器及测量处理

压力的测量选用精量电子公司的MSP300压力传感器，MSP300压力传感器适用于对气压、液压的检测，甚至较恶劣的介质环境，如污水、蒸汽、轻度腐蚀性液体和气体。压力腔采用17－4PH不锈钢单件一体式结构加工而成。其标准压力接口采用1/4NPT外螺纹接头，因而可以保证较好的密封性能。MSP300的测量压力根据需要选择700Bar量程，对应0.5 V～4.5 V电压输出，+5 V供电。STM32F101控制器AD转换为12位精度，理论上对应数字量范围0～4096。ADC供电要求2.4V到3.6V，ADC输入范围：VREF－≤VIN≤VREF+，本系统供电电压为3.3 V，故而ADC输出信号量量程范围0～3.3 V。将MSP300输出信号使用电阻分压，取R1=3.3kΩ，R2=1.2kΩ，故输入单片机信号范围0.37～3.3 V。分压电阻要求选用温度系统较好的金属膜电阻。

图3 充放电电流和AD数字量的曲线关系

出于缩小PCB体积和降低成本的考虑，选用48脚LQFP小封装STM32F101控制器，没有VREF+和VREF－，它们在内部分别被连接到ADC的供电电源(VDDA)和ADC的地(VSSA)，由于L6920供电芯片的电压输出范围3.2V～3.4V，不能保证ADC精确计算的需求。针对这个问题，该装置采用两路AD对比计算的方法，获取精确的MSP300输出电压，过程如下：

1)L6920电压基准输出典型值1.23 V，输出电压范围：1.16V～1.29V。使用万用表测量具体单个模块L6920的基准电压输出值，记为Vref_ analog;

2)选通AD1通道，使用片内ADC，计算L6920电压基准对应的数字量，记为Vref_digital。

3)选通AD0通道，计算MSP300压力传感器数字量，记为Press_digital。

在该装置的调试过程中，曾尝试使用STM32控制器的内部参考电压，但这个参照电压的典型值是1.20 V，最小值是1.16 V，最大值是1.24 V，外界不易直接测量，故而使用L6920的1.23 V电压基准。

1.4 大容量数据存储

该装置使用Winbond公司SPI接口的W25X16Flash存储器记录压力数据。装置最高工作频率每秒钟采集10个压力值，即20个BYTE的数据，则每小时数据量72，000 BYTE。W25X16容量为2M字节，能够记录29小时的连续记录，高于一天24小时的指标要求。W25X16页编程256字节所需时间小于2ms，高达10万次擦除/写入循环，20年数据保持能力。W25X16单供电，宽电压：2.7V～3.6 V，5 mA操作电流，待机电流1μA，非常适合本系统电池供电使用，－40℃～+85℃工作温度保障了室外全年使用的可能。另外，W25X16采用小体积SOIC8封装，占用集成空间较少。

1.5 压力数据U盘导出

数据导出采用USB接口，选用南京沁恒公司的U盘和SD卡文件管理控制芯片CH376。CH376支持1.5 Mbps低速和12 Mbps全速USB通讯，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容，支持USB－HOST主机接口和USB－DEVICE设备接口，支持动态切换主机方式与设备方式，内置了处理Mass－Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备。CH376提供文件管理功能、文件读写功能和磁盘管理功能，使用非常简单。提供2 MB/ 24MHz速度的SPI设备接口，可方便地连接到STM32控制器的SPI串行总线。CH376支持5V、3.3V以及3V电源电压，支持低功耗模式。该数据采集装置PCB设计时，为减小元器件体积，采用MiniUSB接口，数据导出时，使用转接线连接标准U盘，将W25X16中的数据以txt文件形式写入U盘。

1.6 人机接口节能设计

该数据采集装置采用LCD作为显示方式，型号为TOPWAY公司的LMB081NDC。液晶显示模块主要功耗在于背光电流消耗，故在程序上在10秒内没有按键触发，将自动关闭背光。按键采用中断程序，键盘IO接口使用内部上拉。

2 软件编制

2.1 软件系统基本概况

系统软件的开发采用了ST公司针对STM32控制器的固件函数库，主要功能模块包括：初始化程序、人机接口程序、大容量数据存储管理程序、压力采集程序、USB数据导出管理程序、电源与节能管理程序以及硬件驱动(LCD、键盘、Flash等)。L6920电压基准检测和压力传感器AD转换软件设置及工作过程较为简单。

1)配置模拟量输入的GPIO口，只要GPIO配置为GPIO_Mode_AIN模式，即可以实现模拟量输入，该设计中将PA0和PA1作为电压基准和传感器的ADC输入端;

2)设置ADC，将ADC设置为连续转换模式、右对齐、非外部触发;

3)启动ADC，开始采样转换和处理。

4)对比与参考电压，计算得实际压力电平值，进而推导出实际物流压力数据。

2.2 软件滤波措施

该应用中考虑压力数据为变化较缓的信号，故软件采取防脉冲干扰平均滤波算法。连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N－2个数据的算术平均值。通过实验N取值5，即可达到满意的效果。该算法能够剔除偶然出现的脉冲性干扰，消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

3 系统低功耗设计措施

为降低系统工作功耗，延长工作时间，该设计采取了以下的节能措施。

3.1 控制器低功耗问题的考虑

为降低整体数据采集装置的功耗，该设计采集了以下措施：一是STM32控制器在没有检测任务的时候，处于休眠状态;二是根据具体需要，减小I/O端口的电流消耗，输入端口配置为浮空输入，未用的悬空端口配置为推挽输出并输出1;三是对于未用的内部外设，保持为关闭和默认的复位状态，同时关闭对应的时钟。

在以后的深入研究中，如期进一步降低控制器功耗，可以更换低功耗设计的处理器，如同是ST公司的32位Cortex－M3系列的低功耗版本处理器：STM32L151XX和STM32L152XX等，另外TI公司的MSP430系列处理器在节能方面表现非凡。

3.2 其它低功耗设计措施

除了控制器外，该装置还采取了其它的一些降低低功耗措施。一是在压力传感器不工作的时候，关断其+5V供电电源;二是液晶显示器在10秒钟内没有按键触发，关断背光电流;三是W25X16 Flash存储器没有读写操作时，处于不选通状态，即低功耗模式;四是对于CH376 USB控制芯片及时使用CMD_ENTER_SLEEP指令，使CH376芯片进入低功耗睡眠挂起状态。进入低功耗状态后，CH376芯片的时钟停振，从而节约电能。

4 结论与展望

该控制系统设计达到了以下三点设计目标：一是该设计实现了井下压力数据的实时采集、处理、存储和导出，工作模式和状态可以设置;二是功耗指标满足两节五号电池工作24小时的要求，压力结果数据稳定、可靠;三是采样频率最高达到10Hz，两节5号金霸王电池持续工作24小时，数据存储量达到2M Bytes，能够实时记录。

需进一步改进之处在于考虑改用STM32F102系列控制器，使用控制器内部USB，省略CH376芯片的使用，进一步缩小控制板体积，降低系统整体功耗。

［1］李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008

［2］刘波文.ARM Cortex－M3应用开发实例详解［M］.北京：电子工业出版社，2008

［3］南京沁恒电子有限公司.CH376手册(一)

［4］STMicroelectronics.How to get the best ADC accuracy in STM32F10xxx devices V1.0.2008

［5］STMicroelectronics.L6920D：1V High Efficiency Synchronous Step Up Converter.2003，(05)

Research of Stress Measure Equipment Based on STM32 Controller

GAO Bingquan1，SUN Zhihai2，TANG Li1，XIAO Xuefu1
(1.Institute of Military Transportation，Tianjin300161; 2.Science and Technology Department of Administration，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601)

Aim at the need of water pressure real－time detection in the process of stress measurement，this paper designs a data collection，storage and upload embedded control system based on STM32 high performance micro－processor，the project is simple，practicable and dependability，to effectively meet the design requirements in practice.

Stress;Measure;Data Collection;STM32

TU413.3

A

1672－7169(2011)03－0031－04

2011－05－22

高兵权(1975－)，男，河北保定人，硕士，总后军事交通运输研究所工程师，研究方向：军事装备信息化。