基于STM32F7的多通道通用数据采集器的设计与试验

徐鹏飞，马国林，兰光泽，员玉良

(青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109)

0 引言

多通道数据采集通常采用较为成熟的数据采集卡[1-2]来实现。然而，数据采集卡价格高昂，中小型企业难以承受。而且，该方法需要上位机的联机支持，灵活性较差，捷带不便，不适用于复杂的实际工程环境。因此，目前已经开始采用单片机作为主控器[3-4]，配合外部模拟数字转换器(analog to digital converter，ADC)进行数据采集。其中，外部ADC器件的接口有并口方式[5]和串口方式[6]。并口方式可提高数据的读取效率，但需要占用较多的处理器接口。串口方式可节省处理器的接口资源，但数据读取的耗时较长。常见串口方式有串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)、集成电路总线(inter-integrated circuit，I2C)、通用异步收发器接口(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)等。

本文设计了一种基于STM32F7的多通道通用数据采集器，充分利用STM32F7微处理器的资源，采用片内ADC及多种协议接口，转换结果通过直接存储器访问(direct memory access,DMA)[7-9]数据流方式存储至外设静态随机存取存储器(static random access memory,SRAM)，有效解决了接口资源占用与转换数据读取效率之间的矛盾。DMA控制器可在外设寄存器与存储器之间，以及在存储器与存储器之间提供高速数据传输，在数据传输过程中无需处理器操作控制，能在实现数据高速传输的同时节省片内资源，提升了处理器的执行效率。

1 系统总体设计

多通道通用数据采集器最大的特点是实时性与普适性，可同时实时采集、传输、显示不同协议下的通道数据。多通道通用数据采集器由微处理器、SD卡存储模块、显示模块、4G通信模块和云端服务器等部分构成。多通道通用数据采集器结构如图1所示。

图1 多通道通用数据采集器结构图

微处理器采用STM32F767ZIT6芯片。微处理器首先采集ADC通道、CAN、SPI、I2C等通信协议数据，然后将采集到的数据通过DMA传输缓存至SRAM，进行编码后利用文件分配表(file allocation table,FAT)文件系统存入SD卡，并定时将SD卡的数据通过4G模块发送到云端服务器。云端服务器对接收到的编码信息进行解析显示，同时将解析完的各通道数据导出为文本文档。微处理器通过USART1连接4G通信模块，通过USART2连接显示模块，与SD卡通信采用安全数字输入输出(secure digital input and output,SDIO)协议。

2 采集器硬件设计

2.1 微处理器

微处理器STM32F767ZIT6主频可达216 MHz，片内集成多路ADC、I2C、通用同步异步收发器(universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter,USART)等常见外设，内置两个DMA控制器。丰富的内部资源可充分满足系统设计需要。DMA支持外设到存储器模式和存储器到外设模式。采集通道数据选择外设到存储器模式。存储数据和发送数据选择存储器到外设模式。DMA原理如图2所示。

图2 DMA原理图

2.2 4G通信模块

4G通信采用稳恒科技的WH_LTE_7S4模块[10]。该模块属于二次开发模块，内部集成了4G通信芯片，支持高速接入移动、联通、电信4G。本设计中，将工作模式设置为网络透传模式，微处理器与4G模块之间采用串口通信。模块支持两路Socket连接，只有发送数据时才会和服务器建立连接。如果在一定时间内停止数据传输，则会因超时而断开连接。

2.3 存储模块设计

存储模块电路如图3所示。

图3 存储模块电路

为了防止因网络连接不稳定而引起数据丢失或错乱，系统定时向SD卡中写入数据，并实时将SD卡中的数据发送到上位机，对采集到的数据进行双重保护。本设计选取容量为8 GB的SD卡。该卡采用SDIO4 bit接口模式读写，文件读取速度最高可达20 Mbit/s。

图3中，SDI0_D0、SDIO_D1、SDIO_D2、SDIO_D3是四位并行双向数据线，SDIO_CK为SD卡的时钟线，SDIO_CMD为指令线。微处理器向SD卡储存数据:通过指令线向SD卡发送一个指令,SD卡随即返回一个应答信号; 下一个时钟周期开始由数据线进行数据传输，直到数据传输结束；微处理器发送一个结束指令，即完成一次操作。

2.4 电源电路

采集器提供三种电压源，分别为+3.3 V、+5 V和+12 V。通过AC-DC将220 V交流电转换为+12 V直流电，给4G通信模块、风速传感器和光照度传感器供电。同时，+12 V电压通过LM2596S-ADI调节至+5 V，给茎秆直径传感器、土壤湿度传感器和SD存储模块供电。+5 V电压通过AMS1117调节至+3.3 V，给微处理器和温湿度模块供电。同时，采用不间断电源模块，可实现市电和锂电池应急切换，保证系统的稳定、可靠运行。

3 采集器的软件设计

采集器主程序使用STM32CubeMX工具和Keil μVision5集成开发环境进行程序开发调试。初始化子程序包括片内ADC、DMA、4G通信模块和SD卡的初始化。

上电后，首先进行系统初始化，判断是否到达数据的采集时间。如果没有，则直接进入睡眠状态；反之，则启动各数据通道，采集相关数据，并读取采样时刻。数据采集完毕后，关闭采集通道，使其进入空闲状态，直至下次采集时再打开通道。启动DMA将数据发送至外部SRAM缓冲区，并通过FAT文件系统存入SD卡。如果检测到网络已连接，则还需将SD卡中的数据通过4G通信模块发送给远程服务器。

主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

4 试验分析

4.1 试验设计

2020年11月在青岛城阳区(120°39′64′E，36°31′95′N)进行试验。试验对象为随机选取的两株茄子样本，播种时间为2020年7月初。对两株茄子样本分别安装一套温室作物水分无创检测系统。

试验现场如图5所示。

图5 试验现场示意图

采集器所用传感器配置如下：温湿度传感器采用单总线协议；大气压强传感器采用I2C协议；光照度传感器为RS-485输出；风速、茎秆直径微变[11]、土壤湿度传感器为模拟0～5 V输出。

传感器参数如表1所示。

表1 传感器参数

4.2 数据分析

根据11月8～18日在试验现场测得的数据绘制微环境因子变化曲线，如图6所示。由图6可知：温室内的光合有效辐射量与饱和水汽压差每天都会发生周期性变化。

图6 微环境因子变化曲线

茄子样本主要参数变化曲线如图7所示。

图7 茄子样本主要参数变化曲线

11月10日上午10点对样本进行了浇灌，浇水量为1 L。由图7(a)可以看出，土壤相对湿度明显变高。

浇水前，天气状况良好，土壤相对湿度小于20%。此时，茄子样本已经不能从土壤中获得足够的水分来维持正常的蒸腾作用，出现了一定的干旱现象，造成茎秆出现大幅收缩。浇水后，茎秆得到了有效的水分补充。茎秆直径变化基本稳定，并略有增长。

由图7(b)可知，每天早上8点，光合有效辐射量开始增大，样本茎秆开始收缩。至中午前后，光合有效辐射量达到最大值，茎秆直径达到最小值。之后，茎秆逐渐膨胀变粗，一直持续到次日凌晨，达到最大值。如此反复，茄子样本的茎秆直径每日呈周期性变化，同时茄子样本的茎秆直径每天还有小幅度增长。11月8～17日，茎秆直径大约增长了1.5 mm。

11月13日，茄子样本的茎秆直径与光合有效辐射量变化曲线如图8所示。

图8 11月13日茄子样本的茎秆直径与光合有效辐射量变化曲线

由图8可知，光合有效辐射量在上午10点和下午1点前后出现波动。其原因是温室结构支柱遮挡了太阳。

通过连续长时间的测量验证，多通道通用数据采集器能够高速、准确地测量出作物茎杆直径、温度、湿度、光照度和土壤湿度等信息，具有较高的可靠性与普适性。

5 结论

本文基于STM32F7的多通道通用数据采集器，实现了多通道、多协议的高速数据采集。将其应用于温室作物无创水分检测系统中，可实现对作物茎杆直径、温度、湿度、光照度和土壤湿度等信息进行远程监控。试验结果表明，该采集器具有性能高、功耗小等优点，在保证高速采集多路数据的同时，极大地降低了硬件成本。该采集器运行稳定、可靠，实用性强，具有较高的推广应用价值。