基于STM32F103VCT6的振弦式传感器数据采集系统

贾鹏辉，陈 辉，周平义

(安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽淮南 232001)



基于STM32F103VCT6的振弦式传感器数据采集系统

贾鹏辉，陈 辉，周平义

(安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽淮南 232001)

针对隧道、矿山、桥梁、水库大坝等工程中传统振弦式传感器采集系统精度不高、相互之间通信困难、实时性差等缺点，设计了以STM32F103VCT6为核心控制芯片的振弦式传感器数据采集系统。该系统将振弦式传感器数据采集、数据存储、电源管理集于一体，并可以连接不同传感器。数据采集测量系统提供GPRS、RS485等多种通信接口，利用无线通信模块可以方便地实现多台测量仪器之间自动组建无线网络并建立动态路由，实现恶劣环境下的数据采集和传输。

振弦式传感器；STM32F103VCT6；GPRS；数据采集；无线网络

0 引言

随着我国经济建设事业的快速发展，各种矿山、桥梁、隧道、水库大坝等工程建设规模越来越大，对国家经济发展的作用也越来越重要。为了避免矿山、桥梁、隧道、大坝等安全事故的发生，国家不断加大这方面的安全监测，并投入了大量的人力和财力[1-2]。由于现有的安全监测系统在测量精度、成本、功耗、系统应变、稳定性等方面存在明显不足，因此需要研制高精度、高可靠性的智能型数据采集系统。鉴于此，本系统采用基于ARM核的STM32F103VCT6作为单点数据采集测量系统的核心控制器，将振弦式传感器数据采集、数据存储、电源管理集于一体，通过应答、自报或应答与自报相结合的模式将采集数据传至矿山、桥梁、大坝等端服务器，实现实时、动态监测多点安全参数[3]。并且系统可以根据需要，连接不同类传感器进行数据采集，测量模块之间可以通过有线或无线方式通信组网，实现大坝渗压、矿山边坡裂缝、桥梁锚索应力、地下水位等的有效监测。

1 系统硬件设计

1.1 硬件系统总体结构

根据实际采集系统的功能需求，系统主要由数据采集、数据存储、数据传输以及电源管理等部分组成。由于系统在高性能、低成本、低功耗以及满足多种数据传输方式等方面的要求，系统核心控制部件采用基于ARM Cortex M3(32位的RISC内核)的STM32F103VCT6为核心芯片。该芯片具有高性能、低成本、低功耗以及片内资源丰富等优点，片内具有内置高速存储器，包括256 KB闪存和48 KB的SRAM、3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器、2个看门狗定时器、12通道DMA控制器等。此外，还包含多个先进的通信接口：1个CAN 、3个USART、1个USB、2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO。该控制芯片工作频率为72 MHz，供电电压为2.0～3.6 V，可工作于省电模式[4-5]。采用该芯片能够满足系统对高性价比和高精度的需求，能够大大提高整个系统的执行效率，增强系统稳定性。由STM32F103VCT6为核心控制器构成的数据采集系统总体结构如图1所示。

图1 硬件系统整体结构图

1.2 振弦式传感器数据采集电路设计

1.2.1 振弦式传感器工作原理

振弦式传感器是目前应用广泛的一种非电量电测传感器，振弦式传感器输出振弦的自振频率信号，能获得很高的测量精度，且具有抗干扰能力强、受电参数和温度影响小、耐振动和寿命长等特点。振弦式传感器一般分为单线圈振弦式传感器和双线圈振弦式传感器，单线圈振弦传感器激振和接收共用一组线圈，具有结构简单和数据采集精度高的特点，其工作原理如图2所示。

图2 单线圈振弦式传感器工作原理图

图2中，当有激发脉冲P时，激振放大电路给线圈通一个激发电压，线圈产生磁力吸引磁性弦；当撤去激发电压时，线圈放开磁性弦，磁性弦自由振动并在线圈中产生感应电动势，然后由后续的微弱电动势频率拾取电路对微弱电动势放大并进行信号处理得到频率信号，这个频率即为磁性弦的固有频率[6]。由于振弦的自振频率与张紧力的大小有关，因而振弦振动频率的变化量即可表征受力的大小。因此，通过微处理器系统测对测得的振弦自振频率的数据处理，便可得到待测的物理量，如压力或应变力等。

1.2.2 振弦式传感器数据采集电路设计

由于单线圈振弦传感器具有结构简单和精度高等特点，系统采用单线圈振弦式传感器作为数据采集元件。振弦传感器数据采集电路如图3所示。

图3 振弦式传感器数据采集电路

图3中标号“Red”和“Black”端接入传感器输出信号，激振时“inspirit”端产生激励方波经过电容C502(10 μF钽电容)通过三极管TR502周期性导通，+9 V电压经过限流电阻R520通过三极管TR503周期性导通，通过“Red”引脚输出与“inspirit”引脚具有相同周期的激励信号，这样使得传感器中的线圈L产生交变的磁场，钢弦在交变的磁场中开始振荡。当激励完之后关闭“inspirit”引脚输出，启动P_CLK引脚作为脉冲捕获，开始拾振。振弦式传感器频率范围一般为400 Hz～5 kHz，图3中的拾振电路前端采用LF353或TLE2062构成一个低通滤波器，电阻R521、电容C513、电阻R522和电容C514组成阻容网络，可以滤除8 kHz以上的干扰信号。由于振弦式传感器返回信号非常微弱，所以还需要对信号进行放大，最后采用LM393构成一个过零比较器，并进行调理从“P_CLK”引脚输入到STM32F103VCT6中。此数据采集电路可以连接不同传感器进行数据采集，如振弦式渗压传感器、拉线式位移传感器、锚索应力传感器、液位传感器等。

1.3 数据传输接口电路设计

系统采集的数据可以根据实际应用需求采用有线或无线方式进行传输，有线方式采用RS485或CAN总线通信，无线传输方式采用GPRS或Zigbee模块通信。根据用户的需要，可以选择CAN总线和Zigbee模块通信。在系统通信接口电路设计中提供了RS485通信接口和GPRS模块通信接口。系统中RS485通信接口采用MAX3485芯片，MAX3485是用于RS485与RS422通信的低功耗收发器。MAX3485具有一个驱动器和接收器，驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗；接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。使用MAX3485可以实现半双工通信，而且可以实现最高10 Mbit/s的传输速率。GPRS通信模块采用MC52i，MC52i是内部自带协议栈、2波(900 MHz/1 800 MHz)的GPRS模块。该模块是工业级别的模块，目前广泛运用于智能公交、无线数传(DTU)、远程无线抄表等系统中。而且可在-40 ℃和+80 ℃的环境下正常工作，功耗低，可靠性高，性价比高。由于模块采用低功耗设计，通信电源受到了程序的控制，在有数据传输时程序自动打开电源，然后对通信模块进行初始化，如果联网超时数据将会缓存在模块内，等到下次通信时程序自动再次上传数据。

1.4 电源管理电路

系统的电源管理电路模块主要由3部分电源组成，第一部分是给以STM32F103VCT6为核心芯片的控制器供电，采用的是静态电流仅5 μA的HT7530芯片。第二部分是给控制器外围电路和通讯部分供电，由于GPRS模块对电源有一定的要求(小于400 mV的波动)，采用了一个升压降压器芯片LTC3113(当电压高时就降压，低时就升压)，输出电压稳定在4 V，输出电流大于2 A，可以提高GPRS通讯的可靠性。为了进一步降低功耗，在电源输入端加了一个负载开关MIC94062，在休眠时可以直接切断整个GPRS模块电源。第三部分主要给外部传感器的供电。由于振弦传感器供电电源在整个数据采集系统中要求较高和最为复杂，这里只给出传感器供电电源电路的设计，如图4所示。

图4 传感器电源电路原理

图4中，振弦传感器电源管理电路主要由电压调节器EL7516/ISL97516、负载开关MIC94062BC6和外围电路组成。ISL97516是一种高频率、高效率的电压调节器，运行在恒频脉宽调制模式，可以提供1 A的电流，输出高达25 V电压，完全可以满足数据采集系统电压12 V的要求。在振弦传感器激励时需要±9～±15 V激励电压，本模块采用ISL97516将锂电池电压升至+12 V，同时ISL97516可以输出-12 V。在图4中，ISL97516的VDD引脚电源输出端加一个负载开关MIC94062，在不测量时可以方便地关闭外部测量电源，在休眠时可以直接切断整个GPRS模块电源。L201为输出功率电感，为了使电源波纹更小，L203、C206和L202、C208组成LC电源滤波网。由此可以看出此电源管理电路可以有效地降低系统的功耗。

2 系统软件设计

系统软件流程主要包括上电初始化、数据采集和处理、数据传输等模块。数据采集系统在设计时充分考虑了低功耗的需求，系统每次上电工作5 min后，若无任何操作，核心模块自动进入休眠模式，处于休眠的模块由定时器或外部中断唤醒。系统工作流程如图5所示。

图5 系统软件流程图

数据采集利用STM32F103VCT6的定时器TIM2产生PWM激励方波。不同的振弦式传感器有不同的初始激励频率，设置PWM激励频率接近于振弦式传感器的初始激励频率，这样有助于更快地使振弦式传感器达到共振状态。系统中PWM初始激励时间设置为100 ms，激励完后立刻启动定时器TIM3捕获脉冲，捕获时间100 ms。根据捕获的脉冲测算出频率，然后再用该频率替换初始频率，重新进行第二次激励，再测算出频率，这样反复迭代，直到传感器共振为止。此时测出的频率即为测量频率。为了计算方便，一般采用返回频率模式进行计算。

系统采集的数据根据实际采用的通讯方式进行数据传输，数据传输流程如图6所示。图6中RS485数据传输方式较为简单，只需将RS485收发芯片设置为发送，就可以发送数据。当采用GPRS通讯方式时，需要先给GPRS模块上电，延时等待电压稳定之后，使用AT指令控制MC52i芯片。首先，利用“AT”指令检查GPRS模块是否插好，再用“AT^SCID”指令检查SIM卡是否插好。如果都已插好，再设置用户名、密码、终端IP地址和端口号，最后保存并开启GPRS网络，等待MC52i连上服务器之后再进行数据传输。当一次数据采集完成之后，系统开始计时，5 min后若无任何操作或新的数据采集任务，系统将终断通讯链路，关闭电源，模块进入深度休眠模式，等待下一次的数据采集。

图6 数据传输流程图

3 结束语

设计了一套基于STM32F103VCT6的振弦式传感器数据采集系统，用于大坝渗压、矿山边坡裂缝、桥梁锚索应力等安全状况监测。系统具有完善的通讯接口和良好可扩展性，采集的数据可实现远程有线或无线传输，测量模块通信组网方式灵活，适合现场恶劣的环境。实际应用表明该系统具有高性价比、低功耗、测量精度高等特点，满足现场数据采集和安全状况监测的要求，有着广阔的应用前景。

[1] 姜印平,顾营迎,尹俊杰,等．基于振弦式传感器的钢构建筑监测预警系统的设计与应用．传感技术学报,2008,21(12)：2101-2105．

[2] 瞿卫华,魏永强．基于振弦式传感器的大坝渗压监测系统设计．传感器与微系统．2012,31(3)：106-107．

[3] 莫琳,何华光,谢开仲．基于振弦式传感器的桥梁实时监测系统设计．广西大学学报(自然科学版),2012,37(6)：1249-1250．

[4] 陈宫,王三胜,张庆荣,等．基于STM32F103VCT6的微位移控制系统设计．现代电子技术，2012,35(3)：145-146．

[5] 喻金钱,喻斌．STM32F系列ARM Cortex M3核微控制器开发与应用．北京：清华大学出版社,2011．

[6] 王化祥,张淑英．传感器原理及应用．天津：津大学出版社,2007．

Design of Vibrating-Wire-Sensor Data Acquisition System Based on STM32F103VCT6

JIA Peng-Hui,CHEN Hui,ZHOU Ping-yi

(School of Computer Science& Engineering,Anhui University of Science & Technology,Huainan 232001,China)

Traditional vibrating-wire-sensor acquisition systems are usually used in tunnels,mines,bridges,dams and other projects,but they always have difficulty in communicating with each other,and they all have poor accuracy and real-time capability.In order to solve these problems，a vibrating -wire -sensor data acquisition system based on STM32F103 was designed．The system integrated functions such as data acquisition,data storage,power management,and it can be connected to various types of sensors．Data acquisition measurement system provided various communication interfaces such as GPRS and RS485.The wireless communication module can establish wireless networks easily between multiple measuring instruments and create dynamic routing,which can realize data collection and transmission in harsh environments.

vibrating-wire-sensor；STM32F103VCT6；GPRS；data acquisition；wireless network

安徽省高校校级自然科学研究重点资助项目(KJ2012A077)

2013-11-21 收修改稿日期：2014-10-12

TP274

A

1002-1841(2015)02-0067-04

贾鹏辉(1986—)，硕士研究生，主要从事嵌入式系统和电子仪器仪表等方面的研究。E-mail：756102988@qq.com