胡祥超, 李艷潔, 趙新華, 趙建偉, 朱寶良

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

便攜式野外傳感器原位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

胡祥超, 李艷潔, 趙新華, 趙建偉, 朱寶良

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

針對地質(zhì)水文勘測等領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)便攜性與時效性的需求，設(shè)計了一種便攜式野外傳感器原位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計思路、軟硬件平臺架構(gòu)、各組件實現(xiàn)方案等。系統(tǒng)具有小型化、原位化、低功耗、可移動、通用性強(qiáng)等突出優(yōu)點，便于操作人員在野外快速開展參數(shù)就地測量或者定期巡檢。系統(tǒng)可自動保存采樣點時間、溫濕度、采樣點參數(shù)、傳感器類型以及采樣數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，并通過運行于計算機(jī)上的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)采集系統(tǒng)的參數(shù)配置與采樣數(shù)據(jù)的離線管理。系統(tǒng)可靠便攜、人機(jī)交互和諧、數(shù)據(jù)存儲量大、性價比高、移動性能好、對不同傳感器適應(yīng)性能優(yōu)異，可較好滿足野外觀測學(xué)科領(lǐng)域的參數(shù)測試需求。

原位數(shù)據(jù)采集；野外觀測；離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；便攜式系統(tǒng)；SOC微控制器

0 引 言

在地質(zhì)水文、土壤狀態(tài)監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域中，常常需要在野外環(huán)境中工作，保障困難，工作環(huán)境相對惡劣，各觀測點分布范圍較廣，測試系統(tǒng)、測量儀器設(shè)備等亦經(jīng)常需要在各測點間移動，這些都對測試測量系統(tǒng)的電源供給、便攜性、可靠性、移動性以及體積、質(zhì)量等性能指標(biāo)提出了較高的要求[1～4]。傳統(tǒng)的野外觀測工作中的多類型參數(shù)的測試測量必須攜帶或布施多種不同儀器設(shè)備或系統(tǒng)，從而對電源供給、運輸保障、系統(tǒng)移動等帶來諸多不便，極大地增加了野外觀測工作的難度，降低工作效率[5,6]。由于在這些應(yīng)用場合中所采用的傳感器一般均具有統(tǒng)一的信號輸出范圍，其中最常見的是4～20 mA的電流輸出型傳感器和0～10 V的電壓輸出型傳感器。因此，在對傳感器數(shù)據(jù)處理實時性要求不高的應(yīng)用場合，比如：地下水位監(jiān)測等，完全可以使用不同的傳感器搭配統(tǒng)一的傳感器信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集設(shè)備，這將極大地降低觀測任務(wù)中對儀器設(shè)備的硬性需求和對電源供給等保障措施的依賴程度。

基于小型化、集成化、原位化、便攜化的設(shè)計目標(biāo)，本文設(shè)計了應(yīng)用鋰電池供電的便攜式野外傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)基于嵌入式硬件系統(tǒng)架構(gòu)，采用片上系統(tǒng)(SOC)微控制器，充分利用其豐富的片上資源與互聯(lián)總線性能，極大提高系統(tǒng)的集成性、低功耗性能與大數(shù)據(jù)存儲性能等[7,8]。系統(tǒng)能夠廣泛適用于常見的4～20 mA的電流輸出型傳感器和0～10 V的電壓輸出型傳感器，此外，系統(tǒng)還能在保存采樣數(shù)據(jù)的同時實時記錄系統(tǒng)內(nèi)部運行溫度、系統(tǒng)外部的溫濕度環(huán)境參數(shù)以及采樣時間參數(shù)等相關(guān)信息，能夠為傳感器采樣數(shù)據(jù)的后處理提供相關(guān)參考信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)包含軟件平臺與硬件平臺兩大部分組成。其中，軟件平臺包含數(shù)據(jù)采集終端的嵌入式主控軟件與PC機(jī)的離線數(shù)據(jù)管理軟件兩部分組成；硬件平臺主要為數(shù)據(jù)采集終端的嵌入式硬件系統(tǒng)，包含核心控制組件、傳感器組件、人機(jī)接口組件、離線接口組件、存儲器組件以及電源組件等，而傳感器組件由傳感器接口、傳感器信號轉(zhuǎn)換、傳感器信號調(diào)理以及傳感器信號采集四部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig 1 Block diagram of system overall design

系統(tǒng)硬件平臺中，核心控制組件為數(shù)據(jù)采集終端的控制與數(shù)據(jù)處理核心，負(fù)責(zé)終端各組件的協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)處理與信息提取工作；傳感器接口包含兩類，4～20 mA電流輸出型傳感器接口與0～10 V的電壓輸出型傳感器接口；傳感器信號轉(zhuǎn)換為I/V變換電路，實現(xiàn)傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，便于后端的數(shù)據(jù)采集。傳感器信號調(diào)理主要是實現(xiàn)傳感器信號的幅度調(diào)節(jié)，濾波、噪聲抑制、沖擊信號限幅等相關(guān)工作，最終將信號調(diào)理至適合數(shù)據(jù)采集的電壓范圍；離線接口是終端與離線管理計算機(jī)的連接接口，實現(xiàn)二者的通信與數(shù)據(jù)傳輸；存儲器組件包含板載大容量Flash存儲器和外接擴(kuò)展SD卡，用于實時保存?zhèn)鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)、傳感器參數(shù)、采集系統(tǒng)參數(shù)以及采集點參數(shù)等；人機(jī)接口組件實現(xiàn)操作者與數(shù)據(jù)采集終端的交互，包含參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)狀態(tài)提示、操作流程引導(dǎo)等功能；電源組件包含鋰電池、電源轉(zhuǎn)換模塊以及電源管理模塊。系統(tǒng)軟件平臺中，終端嵌入式主控軟件實現(xiàn)終端硬件組件協(xié)調(diào)控制、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集與存儲以及與離線數(shù)據(jù)管理軟件的通信與信息交互；離線數(shù)據(jù)管理軟件實現(xiàn)與終端的通信與信息交互，對終端采集數(shù)據(jù)與采集參數(shù)等相關(guān)信息的轉(zhuǎn)換與存儲等功能。

2 硬件平臺設(shè)計

為滿足野外條件下的現(xiàn)場原為數(shù)據(jù)采集需求，終端硬件應(yīng)具有便攜性、集成化、小型化等特點，因此，硬件平臺采用嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，核心控制器采用SOC處理器，充分利用其片上豐富的外設(shè)資源以期嚴(yán)格控制其體積，提高系統(tǒng)性價比、集成性、可靠性等技術(shù)指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集終端硬件平臺組成如圖2所示，由核心控制器、存儲器部分、電源部分、傳感器相關(guān)部分、人機(jī)交互部分等構(gòu)成。

圖2 硬件平臺結(jié)構(gòu)組成框圖Fig 2 Constitution block diagram of hardware platform structure

2.1 核心控制器

核心控制器采用基于ARM—CM3內(nèi)核的型號為STM32F107VET6的STM32系列互聯(lián)型32位微控制器，該微控制器片上外設(shè)資源豐富，包含ADC,RTC,Watchdog以及USB-OTG,USART,CAN,I2C,SPI等種類眾多的互聯(lián)總線接口，能夠極大地降低系統(tǒng)體積、提高系統(tǒng)集成度與穩(wěn)定性，此外,最高72 MHz的系統(tǒng)時鐘頻率，512 k字節(jié)內(nèi)部Flash，64 k字節(jié)的SRAM都可完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求；STM32F107VCT6片上具備2×12位ADC，高達(dá)1 MSPS的采樣率和最多16個采樣通道，完全滿足設(shè)計需求；片上集成溫度傳感器可以實時提供系統(tǒng)工作環(huán)境溫度參數(shù)，為系統(tǒng)的可靠運行提供監(jiān)測依據(jù)[7,9,10]。

2.2 傳感器接口

傳感器接口用于區(qū)分電流輸出型傳感器與電壓輸出型傳感器，每種類型的傳感器固定有4個并行接口通道，最多可同時實現(xiàn)4路電流輸出型與4路電壓輸出型傳感器的并行數(shù)據(jù)信號采集，此外，傳感器接口還可以提供+24 V的電源，方便野外條件下對部分有供電需求的傳感器提供最大電流為100 mA的外部供電電源；ADC的參考電壓設(shè)計為外部+3.3 V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓源供給，對應(yīng)ADC的采樣信號為0～+3.3 V的電壓信號，因此，電流輸出型傳感器輸出的電流信號需要經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號,再經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)整到適應(yīng)ADC的采樣范圍，電壓輸出型傳感器輸出的電壓信號直接通過信號調(diào)理電路調(diào)整至適應(yīng)ADC采樣范圍。

2.3 人機(jī)交互

人機(jī)交互功能包含薄膜鍵盤和人機(jī)交互終端兩部分，其中人機(jī)交互終端采用三優(yōu)合達(dá)公司型號為SHMT050T01BT的智能人機(jī)終端產(chǎn)品，具有5.0寸的四線電阻式觸摸屏與6萬5千色的真彩液晶顯示功能，RS—232串行通信接口便于系統(tǒng)集成與開發(fā)，薄膜鍵盤包含方向鍵與確認(rèn)以及取消鍵，在觸摸屏可能出現(xiàn)故障的情形下代替觸摸屏實現(xiàn)人機(jī)交互的命令或參數(shù)輸入，當(dāng)然,操作者也可以直接使用鍵盤與真彩液晶顯示器配合實現(xiàn)人機(jī)交互功能。

2.4 數(shù)據(jù)存儲部分

原位數(shù)據(jù)采集功能決定了系統(tǒng)的離線特性，因此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器的容量決定了采集到的傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)量。充分利用STM32F107VET6微控制器的互聯(lián)與大容量存儲特性，系統(tǒng)設(shè)計的傳感器采集數(shù)據(jù)存儲器包含內(nèi)部Flash與外部SD卡兩部分組成。其中，內(nèi)部Flash預(yù)留出64 k字節(jié)空間用于系統(tǒng)應(yīng)用，剩余448 k字節(jié)空間用于采集數(shù)據(jù)存儲器(內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)存儲器)，SD卡(外部傳感器數(shù)據(jù)存儲器)可根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用需求選擇容量。傳感器數(shù)據(jù)存儲遵循先內(nèi)部存儲器再外部存儲器，當(dāng)內(nèi)部存儲器存滿時自動切換到外部存儲器繼續(xù)存儲的原則。此外，系統(tǒng)還擴(kuò)展有EEPROM存儲器，采用ATMEL公司的AT24C16B，用于存取系統(tǒng)配置信息、每次傳感器采樣的相關(guān)參數(shù)等，系統(tǒng)的運行參數(shù)和離線采集數(shù)據(jù)管理的相關(guān)背景信息均以EEPROM內(nèi)存儲的信息為準(zhǔn)。

2.5 離線通信接口

離線通信接口利用核心控制器STM32F107VET6的片上USB-OTG模塊實現(xiàn)分別與外部U盤與PC機(jī)離線管理系統(tǒng)的通信。當(dāng)與U盤通信時，核心控制器將USB-OTG模塊切換到USB-HOST模式即可實現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)信息傳輸至U盤存儲；當(dāng)與PC機(jī)的離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通信時，USB-OTG模塊切換到USB-SLAVE模式即可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)信息上傳至PC機(jī)管理系統(tǒng)。離線U盤文件系統(tǒng)為FAT32格式，每次采樣的相關(guān)數(shù)據(jù)信息(包含設(shè)置參數(shù)信息、采樣參數(shù)信息以及傳感器采樣數(shù)據(jù)等)自動生成*.mar文件，文件名稱按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中傳感器采樣次序以數(shù)字命名，例如：1.mar，16.mar等。*.mar文件可以直接導(dǎo)入PC機(jī)離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提取出相關(guān)信息供操作人員后期分析處理。當(dāng)系統(tǒng)直接與PC機(jī)相連時，操作人員可以通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提取相關(guān)傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同樣自動保存成*.mar文件。

2.6 其 他

系統(tǒng)硬件平臺包含由RTC(STM32F107VET6片上自帶實時時鐘模塊)和萬年歷構(gòu)成的時間模塊，為系統(tǒng)運行提供時間基準(zhǔn)，為每次采樣工作提供時間參數(shù)信息。傳感器的特性一般都受到工作環(huán)境物理參數(shù)的影響，系統(tǒng)通過外接的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11實時監(jiān)測傳感器工作環(huán)境的溫度與濕度參數(shù)，提供給每次現(xiàn)場采樣工作后作為后期數(shù)據(jù)處理的依據(jù)參數(shù)之一。

系統(tǒng)的便攜性與移動性決定了采用鋰電池作為供電電源是相對合理的，鋰電池組的基本參數(shù)為+27 V/3 000 mAh，同過電源轉(zhuǎn)換電路為整個系統(tǒng)提供+24,+12 V以及+3.3 V三路工作電源，核心控制器通過電源管理電路實現(xiàn)系統(tǒng)各部分電源的配給與管理，以實現(xiàn)系統(tǒng)功耗的最優(yōu)化。

3 軟件平臺設(shè)計

系統(tǒng)的軟件平臺由數(shù)據(jù)采集終端的嵌入式主控軟件與PC機(jī)的離線數(shù)據(jù)管理軟件兩部分組成。二者相互結(jié)合，共同配合完成相關(guān)操作人員的前端數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場工作與后期數(shù)據(jù)處理研究工作。

3.1 終端主控軟件

終端主控軟件運行于傳感器數(shù)據(jù)采集終端的嵌入式硬件平臺上，基于ST公司的CMSIS標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)[11](如圖3所示)，操作系統(tǒng)采用μC/OS—II并利用ST公司的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)函數(shù)庫構(gòu)建底層驅(qū)動庫與中間層鏈接，系統(tǒng)的基本功能在用戶層實現(xiàn)，最大程度保證了系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性與可移植性。系統(tǒng)的主要功能均由終端主控軟件來實現(xiàn)，主控軟件由人機(jī)交互軟件模塊、時間管理軟件模塊、電源管理軟件模塊、環(huán)境參數(shù)管理軟件模塊、外部通信管理軟件模塊、操作權(quán)限管理軟件模塊、數(shù)據(jù)采集軟件模塊以及數(shù)據(jù)存儲軟件模塊共計8個功能組件。其中，操作權(quán)限管理模塊實現(xiàn)操作人員權(quán)限的分級管理機(jī)制，系統(tǒng)權(quán)限分成3個等級：系統(tǒng)管理員級、高級測試人員級以及普通測試人員級；人機(jī)交互模塊用于捕獲和處理操作人員的輸入信息以及輸出相關(guān)引導(dǎo)與指示信息提供給操作者；時間管理模塊用于管理時間信息，為系統(tǒng)的應(yīng)用需求提供實時參數(shù)；電源管理模塊管理系統(tǒng)電源，實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計需求；環(huán)境參數(shù)管理模塊為系統(tǒng)提供基本環(huán)境參數(shù)，包括終端板上溫度與測試環(huán)境溫度以及濕度參數(shù)；外部通信模塊主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)終端與外部設(shè)備(U盤或者PC機(jī))的互聯(lián)通信與信息交換；數(shù)據(jù)采集模塊控制硬件平臺按照操作人員的參數(shù)設(shè)置完成數(shù)據(jù)采集工作，而數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)存儲系統(tǒng)配置參數(shù)和采樣數(shù)據(jù)等。

圖3 終端采集系統(tǒng)主控軟件架構(gòu)Fig 3 Architecture of main-control software of terminal sampling system

3.2 離線數(shù)據(jù)管理軟件

離線數(shù)據(jù)管理軟件主要包含兩大功能，對采集終端的參數(shù)配置和將采集終端的采樣數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。終端參數(shù)配置功能使得操作人員能夠方便快捷的在計算機(jī)上完成對各個終端參數(shù)的初始化與個性化配置，主要涉及現(xiàn)場作業(yè)前期工作內(nèi)容；采樣數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能主要是指為方便作業(yè)后傳感器采樣數(shù)據(jù)后處理而采取的信息提取、數(shù)據(jù)分類與打包存儲等功能；此外還包含與通信終端的通信接口驅(qū)動等輔助功能等。

4 驗證實驗

為驗證研制的野外傳感器原位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，搭建了實驗測試系統(tǒng)平臺。平臺由GE Sensing公司的型號為P3124的氣體活塞式壓力計，Agilent公司型號為34401A精密數(shù)字外用表，壓力專用砝碼和MICRO SENSOR公司型號為MPM480型壓阻式壓力傳感器組成。實驗結(jié)果如表1。

從實驗結(jié)果可以看出:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量結(jié)果相對誤差均小于0.08 %，系統(tǒng)精度滿足野外勘測測量需求?？紤]到系統(tǒng)采用的AD位數(shù)為12位帶來的0.024 %的量化誤差，可以通過提高AD的采樣位數(shù)極大提高系統(tǒng)的測量精度。

5 結(jié)束語

面向野外觀測領(lǐng)域?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)采集的小型化、原位化以及低功耗、便攜可靠等應(yīng)用需求，設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)的野外傳感器原位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用SOC MCU的豐富外設(shè)于互聯(lián)性能，極大地提高了系統(tǒng)終端的集成性、小型化等性能，較好實現(xiàn)了對4～20 mA電流輸出型和0～10 V電壓輸出型的不同傳感器的通適性，可極大簡化在野外環(huán)境下的參數(shù)采集工作，配合運行于PC上的離線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可廣泛適用于地質(zhì)水文、土壤狀態(tài)監(jiān)測與成分檢測等野外應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與后期的數(shù)據(jù)處理、信息提取等后期研究工作。

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Design of portable system for field sensor in-situ data acquisition

HU Xiang-chao, LI Yan-jie, ZHAO Xin-hua, ZHAO Jian-wei, ZHU Bao-liang

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an 710024,China)

Aiming at portable and efficient requirements for data acquisition system in geology inspection field,a set of portable system for field sensor in-situ data acquisition is designed.The overall design idea,hardware and software platform architecture and redization scheme of all the system components are introduced in detail.The designed system has the advantages of miniaturization,in-situ,lower power consumption,mobile and strong commonality,which are in favor of in-situ measurement and inspection periodically.The system can automatically save information of time,temperature,humidity,parameters of sampling point,sensor type,sampling data,and so on,and parameters configuration acquisition system and off-line management of sampling datas by data management system running in PC.The system is reliable,portable,man-machine harmony,a large amount of data storage,high cost-effective,good performance of movement is suitable for all the conventional sensors,and can meet the needs of parameter measurements in the field inspection fields.

in-situ data acquisition; field inspection; off-line data management system; portable system; MCU of system-on-chip(SOC)

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0069—04

2014—01—08

TP 216

A

1000—9787(2014)10—0069—04

胡祥超(1981-)，男，黑龍江佳木斯人，博士，主要研究方向為測控技術(shù)與智能儀器，信息與數(shù)字信號處理。