基于STM32的新一代遥测终端机的设计与实现

邵灿辉，倪维东，伏怀文

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水电自动化有限公司，南京210032）

由于水文要素的测量大量用到了翻斗式雨量计、格雷码浮子式水位计、通讯型雷达水位计、模拟量输出压力式水位计、气泡式水位计等水文仪器，这就要求遥测终端机能够适应各种传感器测量的应用现场，并将所测量的水文数据通过GPRS 透传、北斗短报文、短波电台等无线手段上传到水情监测中心站，这就对MCU 芯片的运算速度、外围接口丰富程度、稳定性提出了相当高的要求。此次设计的遥测终端机选用了STM32F091 作为装置的MCU 芯片，其拥有Cotex-M0 核，高达48 MHz 的运算速度，256 M 的FLASH，以及8 个硬件串口，完全满足RTU的功能需求[1]。同时采用了16 位的采样芯片ADS1115完成了多路4～20 mA 电流和0～20 V 电压的实时测量，保证了其测量精度符合水文规范要求。由于物联网技术大量应用于水文自动测报系统之中，可以通过手机远距离来设置参数和数据读取等功能就显得十分必要，新一代的RTU 选用了低功耗蓝牙模块，可以满足300 m 内的数据传输，减少了工程维护人员的工作量。新一代RTU 的测量口和通信口都设计了先进的防雷电路，大大减少了装置由于雷击而损坏的几率，能够使装置持续稳定运行。本文还介绍了双信道数据传输和SDI-12 总线读取数据时的工作机制。

1 遥测终端机的硬件设计

如图1 所示为新一代遥测终端机的硬件结构图， 本装置选用的主处理芯片为ST 公司最新的低功耗芯片STM32F091VCT6。由于其具有较多的IO口、硬件串口和低功耗特性，使其能更好地兼容更多类型的水文仪表[2-3]。本装置与上位机进行无线通信时选用2 种方式，即通过RS232 口外接无线GPRS、北斗模块，两种方式互为冗余确保水情测报系统能更好收到偏远地区的水文数据。

图1 装置硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram of RTU

1.1 电源回路

新一代RTU 使用的MCU 工作电平为3.3 V，考虑用到了SDI-12 总线通信和继电器开出功能，需要提供5 V 电平， 而太阳能充电铅酸蓄电池输出电平为9 V～17 V，需要DC/DC 或者LDO 芯片将12 V 电压转换成5 V 和3.3 V。由于RTU 静态功耗要小于3 mA/12 V，所以要求电源芯片转换效率高，输入电压范围宽。如图2 所示，选用了两片MIC5236 芯片来实现工作电平的输出，芯片U1输出3.3 V，芯片U2输出5 V。使用了一个场效应管Q1和双向瞬态抑制管TVS1来防止电源接反，当电源反接时Q1和TVS1均不导通，对RTU 形成了双重有效的保护。

图2 电源转换电路Fig.2 Power conversion circuit

1.2 SDI-12 总线电路

随着水文领域智能传感器的发展，采用SDI-12总线标准的传感器将是主流，能够接入SDI-12 总线的水文传感器对RTU 显得十分重要[4]。SDI-12 总线与RTU 之间由三根线连接，分别是12 V 电源线、5 V数据线、GND 线。如图3 所示，与经典的SDI-12 通信电路相比此电路利用MCU 自带的UART 口、SN74LVC1G240 反向芯片、MOS 管Q6组成。因为总线波特率是1200 Baud，传统经典电路可以利用I/O进行模拟输出和读取， 但没有具备中断功能的UART 口响应速度快。利用SN74LVC1G240 对输出TX 信号进行反向升压，并且利用气体放电管Q20对信号线进行防雷保护。利用U11芯片的DIR 管脚控制数据方向，当收到信号时，Q6导通，MCU 将通过中断接收SDI-12 总线上数据。当读取传感器数据时，需要向传感器提供12 V 电源，MUC 的普通I/O 口控制Q7的导通，进而控制Q14输出12 V，Q14是负载能力高达3 A 的MOS 管， 并且利用F18可变电阻对RTU 进行一个限流保护。

图3 SDI-12 总线通信Fig.3 SDI-12 bus communication circuit

1.3 AD 采样电路

在水文要素采集的过程中，有相当一部分数据是通过电压电流的形式被RTU 读取的，所以RTU必须具备对4～20 mA 电流和0～20 V 电压采样的能力。常见的压力式水位计经常放置于河道之中，受雷电影响比较严重，由于接入到RTU 之中，容易导致RTU 损坏。本RTU 创造性的利用继电器隔离原理来防止雷电对RTU 的影响。如图4 所示，由于RTU模拟量测量通道较多， 仅以测量电流信号量为例。当无需测量时， 外部信号接入继电器的空触点，没有与RTU 内部电路相连，雷电并不会损坏装置。当需要读取电流信号时，MCU 通过普通I/O 口控制Q4让继电器的线圈导通，让外部信号线接入到A/D 采样电路之中，整个采样过程不超过100 ms，被雷击可能性大为降低，提高了RTU 和传感器生存能力。

图4 继电器隔离电路Fig.4 Circuit of relay isolation

为了实现测量高精度和高分辨率，在该测量系统中选取性价比高的ADS1115，16 位高精度采样芯片，通过IIC 异步串口与STM32F091 进行数据通信。ADS1115 芯片不仅具有很高采样精度，还可以提供稳定的内部基准电压源。由于ADS1115 芯片还具有内部的信号放大功能，在信号测量电路中省略了信号放大电路，避免了不必要的因信号放大而产生的信号谐波。如图5 所示，R31和R43的电阻值分别为950 kΩ 和50 kΩ，R32为100 Ω 的高精度电阻。电流或电压信号均可以接入此电路，当接入0～20 V电压时，通过R31和R43来进行分压。如接入4～20 mA电流信号时，则电流接近全部流过R32，R32两端电压就等于R31和R43的两端电压。通过此电路测量的数据精度全量程均在1‰以上，并且十分稳定。

图5 A/D 采样电路Fig.5 Circuit of A/D sampling

1.4 蓝牙无线模块电路

当装置初始出厂调试和工程人员巡检遥测站点时， 可以利用手机APP 蓝牙连接功能与RTU 中的蓝牙模块进行程序下载和参数设置。RTU 自带的蓝牙无线模块可以读取现地水文数据并记录存储。本装置使用的是低功耗蓝牙模块，具备无通信时休眠功能， 支持空中升级固件和配置远程模块信息。无需接线测量，方便了工程人员读取数据，特别是当遥测站点在工程人员不容易到达的地方时，无线读取数据显得尤为重要[5]。如图6 所示为蓝牙无线模块电路， 只需要通过串口与其通信数据即可，节省了底层硬件驱动的编写。

图6 蓝牙无线模块电路Fig.6 Bluetooth wireless module circuit

2 嵌入式软件设计

水情遥测站点一般建设在人烟稀少之地，手机信号不理想。随着我国手机移动网络建设覆盖面的扩大和资费的降低， 无线主通道主流选用的是GPRS 传输。而无线备用信道选用的是民用北斗短报文通信。

随着北斗定位系统的建设完成，其定位信号已经覆盖全球。民用北斗最小发送间隔为1 min，而无回复发送成功标志。由于北斗是直接与卫星进行通信的，其待机和发送功率比较大，在蓄电池供电的系统中，一般让其作为备用信道，并且在不通信时给其断电。如图7 所示为以GPRS 为主信道北斗为备用信道的通信流程[6]。由于GPRS 通信间隔时间短，功耗不大，可以用作主信道，长供电，让其随时具备接受上位机指令的能力，当事件触发RTU 发送数据时，首先是GPRS 发送，如果发送失败延时一段时间后再发送一次，确保GPRS 发送的成功率。如果确实无回复信息，就启动北斗，而北斗只需延长几秒钟等待北斗模块发送流程完成，无需判断上位机是否收到数据。

图7 主备通信流程图Fig.7 Flow chart of serial communication

3 结语

新一代遥测终端机不仅实现了传统的水文数据读取和存储，并且由于其体积的减小、重量的减轻、蓝牙无线功能的增加，降低了工程人员的维护工作负荷。其自身所带的多串口和SDI-12 总线功能更加提高了装置的兼容性，体现了装置以好用为本的宗旨。该装置充分利用了STM32 芯片强大的处理能力和丰富的片外资源，完成了数据的测量、通信、装置的低功耗， 实现了电池待机时间长工作稳定。该装置已经在金沙江上游水情自动测报系统中得到了成功的应用，其超低的功耗、高低温适应性、长时间运行的稳定性得到了业主单位的认可。