基于STM32的无线瞬态温度测试系统

李立煌，张志杰，梁　杰，轩志伟，张　霞

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原　030051)

1　无线瞬态温度测试系统总体结构

总体结构分为：传感器适配电路、数据采集及状态检测模块、WIFI无线模块、无线接入点、上位机软件等。系统总体结构如图1所示。

图1　无线瞬态温度测试系统总体结构该系统

工作原理：温度传感器检测到信号的变化后，经过适配电路的放大及滤波，达到采样的要求；由STM32对信号进行AD转换；转换后的数据通过无线局域网实时传输到上位机，或存储到FLASH存储器中，实验结束后使用USB接口进行现场采集。

2　硬件结构设计

设计硬件主要由3部分组成：传感器适配电路、控制电路、无线电路。

2．1传感器适配电路

传感器适配电路主要由电源管理、程控放大器、运算放大器、低通滤波器等组成。

瞬态温度测试环境下，采集温度的瞬时变化，要求温度传感器具有极快的瞬态温度响应，因此设计选用了El2钨铼侵蚀热电偶。该型号热电偶瞬态温度响应时间仅为几百μs，温度测量范围高达0～2 320 ℃，耐压程度高达69 MPa．完全能够满足爆炸场温度测试的需要[1]。

整个电路由电源管理提供+5 V的电压，传感器输出信号经过仪表放大器和程控放大器的放大，通过运算放大器及电阻、电容组成的带通滤波电路以达到电路AD的采样要求[2]。

2．2STM32

现行的测试系统控制电路多采用FPGA或CPLD芯片作为核心控制器，文中设计的测试系统采用了一块基于ARM处理器的STM32芯片。STM32系列采用高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3内核。它的功耗仅为36 mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0．5 mA/MHz．根据实际需要，设计中选用的是STM32F103CB芯片。

该芯片性能参数：工作温度范围为-40～85 ℃；最高72 MHz工作频率；内含128 K字节的闪存程序存储器；内嵌2个12位模数转换器，转换时间为1 μs(多达10个输入通道)[3]。

2．3控制电路

控制电路主要由电源管理、复位电路、存储电路、下载串口电路、USB接口电路、WIFI接口电路等构成。电源管理为STM32F103CB提供3.3 V的工作电压，该芯片由1个8 MHz和1个32．768 kHz的外部晶振为系统提供基本的时钟信号。芯片内置的AD将适配电路信号转换为数字信号，然后将数据存储到FLAH中，或无线传输给上位机。控制电路硬件设计框图如图2所示。

2．4无线电路

无线电路主要由射频模块及无线接入点构成。 射频模块选用一款成熟的WM001S WIFI模块。该模块集成微控制器和802．11 b/g2．4 GHz无线射频收发芯片为一体。模块通过串口与控制电路进行通信。

图2　控制电路硬件设计框图

无线接入点即无线AP(Access Point)，是用于无线网络的无线交换机，特别适合WIFI网络覆盖及远距离无线传输。系统选用型号为NanoStation M2的无线AP，工作在2．4 GHz频段，系统增益在10．4～11．2 dB，支持802．11 b/g、802．11 n多种传输协议[4]。在实际测试中将所有AP设置在同一个信道，只需要对WIFI模块和AP进行简单的IP地址、子网掩码、网关及工作模式等设置，使带有WIFI模块的测试设备为客户端，AP为服务器。所有AP组成一个无线局域网，设备上电就会自动挂载到AP，实现测试设备与上位机的通信。无线网络框图如图3所示。

图3　无线网络框图

3　软件设计

为了实现测试设备与上位机之间进行可靠的数据传输，选用TCP/IP协议作为传输协议，测试设备作为客户端，上位机为服务器，进行单点对单点的数据传输。软件设计主要分为两部分：STM32F程序及上位机软件。

3．1STM32F103CB程序设计

编程软件选择界面简单、操作方便并同样适用于单片机的KEIL．

程序编程主要包括AD通道配置、串口配置、DMA中断控制、数据存储转发等。配置端口PA1-PA6为AD输入端，可以将输入的信号转化为数字信号进行存储等处理；USART1配置为普通串口，可以使用该端口下载程序，也可以使用USART1作为WIFI模块的控制端口，将采集到的数据转发出去。程序流程图如图4所示。

图4　程序流程图

3．2上位机软件设计

设计上位机软件选用图形化编程语言LabVIEW．它提供了丰富的外观与传统仪器类似的控件，采用数据流编程方法，界面直观明朗，操作简单方便。

在LabVIEW中包含了所有socket通信模块。设计中将上位机作为服务器，测试设备作为客户端进行socket通信。Socket连接分为3个步骤：服务器监听即服务器实时监听网络状态；客户端向服务器socket提出连接请求；连接确认即服务器响应客户端请求[5]。

设计软件功能主要包括：状态检测；参数设置；数据读取；数据保存；数据显示；数据分析。软件结构如图5所示。

图5　软件结构图

4　实验结果

实验选在1片10 km2的空旷地带，电路设计选用6通道的AD输入信号。在该空旷场地沿直线架设3个AP，架设高度均为5 m，如图3连接，AP1与AP2用网线连接，2 km外架设AP3。在AP1覆盖范围之内，以爆心为中心，离爆心不同距离的位置布设测试传感器，在AP3处连接上位机。布设图如图6所示。

图6　传感器布设图

用火药爆炸模拟瞬态温度测试环境，上位机在远端接受信号，实验实测温度曲线如图7所示。

图7为一次实验中一只热电偶传感器捕捉到的温度变化曲线，表1列出了同一只传感器，其中两次实验的结果分析。

表1　两次实验结果分析

图7　实测数据

经过多次实验，结果证实：该系统的数据传输速度快、误码率低、工作稳定有效，具有很好的实际应用性。

5　结束语

文中设计了一种基于WIFI无线通信和ARM嵌入式技术的远距离无线数据采集系统。该系统克服了现行存储测试系统中数据读取繁琐、布设复杂、未能实时监测设备工作状态的缺点，操作员可以在离测试地点数公里外的安全地带实时监测和控制设备，给测试工作带来了极大的便利。

参考文献：

[1]张晶，基于CPLD的低功耗爆炸场温度测试系统．电子设计工程，2012，20(2)：91-93．

[2]张哲，冲击波场无线传感器节点设计与实现．太原：中北大学，2009．

[3]YIU J．The Definitive Guide to the ARM Cortex-M3．宋岩，译．北京：北京航空航天大学出版社，2009：1-348．

[4]曾强.基于ARM的WIFI无线传感器网络的设计与实现：[学位论文]．太原：中北大学，2012．

[5]姚娟.基于LabVIEW和TCP的数据采集系统设计与实现.测控技术与仪器仪表，2012，38(7)：72-74．