程亮亮，張忠祥，陳家寶，劉 揚(yáng)

(1.合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031)

基于STM32的多通道無(wú)線同步槳力采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

程亮亮1，張忠祥1，陳家寶1，劉 揚(yáng)2

(1.合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031)

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的多通道無(wú)線槳力采集系統(tǒng)。系統(tǒng)由4槳端節(jié)點(diǎn)和一數(shù)據(jù)采集盒組成，可同步采集8通道槳力。槳端節(jié)點(diǎn)基于STM32F103C8T6設(shè)計(jì)，以200Hz采樣率采集槳拉力和扭力，并通過(guò)nRF24L01+無(wú)線發(fā)送；數(shù)據(jù)采集盒基于STM32F103ZET6設(shè)計(jì)，將收到的槳力數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)繪制槳力數(shù)據(jù)曲線。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)功耗低、同步性好、誤碼率低，這一方法可用于無(wú)線多通道工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有非常好的實(shí)用性。

STM32；槳力；多通道無(wú)線通信；同步；誤碼率

數(shù)字體育是數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)體育相結(jié)合的產(chǎn)物，是IT、通信、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段與體育鍛煉、競(jìng)技健身、互動(dòng)娛樂(lè)的完美結(jié)合。發(fā)達(dá)國(guó)家普遍利用數(shù)字體育提升運(yùn)動(dòng)員的各項(xiàng)素質(zhì)，通過(guò)傳感器采集運(yùn)動(dòng)員的生理信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)分析，進(jìn)而給運(yùn)動(dòng)員提出訓(xùn)練建議，使其達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)水平。在多人賽艇項(xiàng)目中，目前國(guó)內(nèi)使用的是有線方式，即槳端的傳感器與采集盒之間通過(guò)有線連接，給運(yùn)動(dòng)員造成很大干擾，針對(duì)這一問(wèn)題，項(xiàng)目組與中科院合肥智能所合作開(kāi)發(fā)了多通道槳力無(wú)線同步傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由四槳端電路和一數(shù)據(jù)采集盒組成。每槳端含槳拉力和扭力傳感器，可無(wú)線采集8通道傳感器數(shù)據(jù)。為了使各槳端采集的數(shù)據(jù)具有同步性，采集盒以40 ms為周期廣播同步信號(hào)，各槳端在收到廣播后以200 Hz的采樣頻率同步采集數(shù)據(jù)，發(fā)送到采集盒，最后通過(guò)PC的上位機(jī)軟件顯示[1-2]。

槳端基于STM32F103C8T6設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 槳端結(jié)構(gòu)圖

STM32F103系列是意法半導(dǎo)體出廠的Cortex-M3內(nèi)核的ARM控制器[3]，其最高主頻為72 MHz，具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種模式。系統(tǒng)固定在皮劃艇的槳柄上，傳感器采集的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后由STM32F103C8T6片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，并無(wú)線發(fā)送到數(shù)據(jù)采集盒。電路偏置電壓可由采集盒端PC軟件調(diào)整，從而將傳感器信號(hào)放大到AD轉(zhuǎn)換器所需的0～3.3 V電壓區(qū)間內(nèi)，為減小體積，電源由3.6 V紐扣電池供電，采用超低功耗LDO電源管理芯片穩(wěn)定為3.3 V電壓，無(wú)線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)瞬間電流較大，易對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾，并使AD采樣精確度降低，故將模擬電源和數(shù)字電源隔離，模擬地和數(shù)字地通過(guò)0歐姆磁珠連接，降低了它們之間的干擾。

數(shù)據(jù)采集盒結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，基于高性能STM32F103ZET6設(shè)計(jì)，以40 ms周期性廣播同步信號(hào)，并依次接收各槳端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，由USB連接線上傳到PC，由PC上的軟件繪制8通道波形。采集盒對(duì)體積和功耗要求不高，使用USB接口供電，由LDO芯片AMS1117穩(wěn)定為3.3 V，因目前PC機(jī)大多無(wú)RS232接口，故采用CP2102芯片將LVTTL電平的UART信號(hào)轉(zhuǎn)為USB信號(hào)[4]，與上位機(jī)通信。

圖2 數(shù)據(jù)采集盒結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件主要由槳端電路和數(shù)據(jù)采集盒端構(gòu)成。槳端電路放置在皮劃艇槳柄上，要求體積小，功耗低，采用紐扣電池供電；采集盒位于教練船上，對(duì)體積大小等無(wú)特殊要求。

槳端電路主要由電源部分、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)控電位器電路、STM32F103C8T6最小系統(tǒng)和NRF24L01+模塊接口組成。

如圖3所示，信號(hào)調(diào)理電路由兩級(jí)運(yùn)放電路構(gòu)成。第1級(jí)是AD623構(gòu)成的差動(dòng)放大器電路，將位于槳柄傳感器采集的差分信號(hào)轉(zhuǎn)為單端信號(hào)；第2級(jí)是低功耗運(yùn)放OP496構(gòu)成的2階低通濾波電路，完成偏置、放大、濾波功能。兩運(yùn)放均采用3.3 V單電源供電，IN+、IN-是槳力傳感器輸出的差分信號(hào)，通過(guò)AD623轉(zhuǎn)為單端信號(hào)。為降低誤差，保持最佳線性度，根據(jù)傳感器輸出信號(hào)幅值，將第1級(jí)運(yùn)放放大10倍，此時(shí)AD623輸出范圍0～150 mV；第2級(jí)放大20倍,截止頻率為200 Hz，OP496輸出范圍為0～3 V，符合AD采集范圍。槳拉力和扭力傳感器安裝在槳上后需要調(diào)零，電路增加數(shù)控電位器進(jìn)行調(diào)零，電位器輸出值可通過(guò)上位機(jī)軟件調(diào)整。

采集盒電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，包含無(wú)線模塊接口電路和CP2102構(gòu)成的UART轉(zhuǎn)USB電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包含槳端軟件、采集盒軟件和上位機(jī)軟件等3個(gè)部分，其中槳端節(jié)點(diǎn)和采集盒軟件基于ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境Realview MDK[6]開(kāi)發(fā)；上位機(jī)軟件基于Visual Basic 6.0軟件開(kāi)發(fā)，用于顯示波形。

3.1 槳端軟件設(shè)計(jì)

槳端程序主要由主程序、外部中斷構(gòu)成。

主程序軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)首先需要完成初始化，主要包含RCC時(shí)鐘、GPIO、SPI、EXTI、NVIC、AD和定時(shí)器初始化，將無(wú)線模塊設(shè)為接收模式，4槳端收到采集盒的同步廣播信號(hào)后打開(kāi)定時(shí)器，在定時(shí)器完成數(shù)據(jù)采集，隨后發(fā)送上一周期32字節(jié)數(shù)據(jù)包(槳拉力和扭力分別采樣8次，共32字節(jié))?？紤]到4發(fā)送端同時(shí)發(fā)送會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包空中沖撞丟包，故4槳端錯(cuò)開(kāi)發(fā)送，nRF24L01+從接收模式切換到發(fā)送模式需要時(shí)間，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后再將無(wú)線模塊置為接收模式[7](在收到的廣播信號(hào)中若有設(shè)置偏置電壓標(biāo)志位，則設(shè)置偏置)。

外部中斷軟件流程如圖5所示。當(dāng)無(wú)線模塊收到數(shù)據(jù)后，IRQ管腳由高變低，觸發(fā)B0中斷，確認(rèn)是槳端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后保存到緩沖并設(shè)置接收標(biāo)志等待主程序接收，最后清除接收FIFO和寄存器狀態(tài)STATUS，等待下一周期數(shù)據(jù)[8]。

圖4 槳端主程序 圖5 槳端外部中斷 圖6 采集盒串口中斷流程圖

3.2 采集盒軟件設(shè)計(jì)

采集盒端軟件主要包含定時(shí)器、無(wú)線接收和串口中斷服務(wù)程序。定時(shí)器中斷程序以40 ms為周期廣播同步信號(hào)；無(wú)線接收中斷程序用來(lái)接收各槳端發(fā)來(lái)的信號(hào)；串口中斷程序與上位機(jī)軟件雙向通信，接收上位機(jī)命令、調(diào)偏置電壓、發(fā)送槳力數(shù)據(jù)到上位機(jī)等，如圖6所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)與采集盒通信，用于控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止。設(shè)置各無(wú)線槳端的偏移，接收下位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并繪制波形等。串口通信程序基于MSComm控件開(kāi)發(fā)，它提供了事件驅(qū)動(dòng)和查詢兩種方式。事件方式響應(yīng)速度快，適合對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性有較高要求的場(chǎng)合；而查詢方式相對(duì)前者響應(yīng)慢。本系統(tǒng)選擇事件驅(qū)動(dòng)方式。由于系統(tǒng)需要顯示8通道波形，數(shù)據(jù)量大，設(shè)置串口參數(shù)為“921600,N,8,1”。槳力曲線使用PictureBox控件的Line方法繪制[9]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

示波器波形顯示系統(tǒng)同步誤差為100 ns，表明系統(tǒng)同步效果非常好，另外多點(diǎn)有線采集系統(tǒng)存在AD轉(zhuǎn)換先后順序?qū)е碌恼`差，而無(wú)線無(wú)此誤差。圖7是示波器采集的各槳端節(jié)點(diǎn)無(wú)線模塊IRQ中斷管腳的信號(hào)(從上至下依次為1，2，3，4節(jié)點(diǎn))，由圖可知各節(jié)點(diǎn)收到廣播信號(hào)后錯(cuò)開(kāi)時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，大大降低了誤碼率。

槳端實(shí)物圖如圖8所示，含傳感器和電路板，由紐扣電池供電。圖9是信息采集端上位機(jī)軟件界面。為了測(cè)試8通道槳力信號(hào)的精度、同步性、誤碼率，使用多通道信號(hào)發(fā)生器同步生產(chǎn)三角波和正弦波信號(hào)(最后兩波形是位于節(jié)點(diǎn)4的槳拉力和扭力傳感器值)，以便對(duì)比效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)具有很好的同步性，毛刺小，穩(wěn)定性非常好。

5 總結(jié)

基于STM32微控制器設(shè)計(jì)的槳力信號(hào)的測(cè)量與顯示系統(tǒng)，采用軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了8通道槳力信號(hào)無(wú)線同步采集，系統(tǒng)同步性好，誤碼率低。槳端體積小、功耗低，采用可充電紐扣電池供電。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有很大的實(shí)用價(jià)值，稍作更改可用于其他任何多通道無(wú)線數(shù)據(jù)采集場(chǎng)所。

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Multi-Channel Oar Force Wireless Synchronous Data Acquisition System Based on STM32

CHENG Liang-liang1,ZHANG Zhong-xiang1,CHEN Jia-bao1,LIU Yang2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China; 2.Hefei Institutes of Physical Science Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

This paper introduced a low-power-consumption and high-performance multi-channel wireless oar force acquisition system, and explained it′s operational principle and design of hardware and software. This system consists of 4 node on oar and 1 data collector and acquires 8-channel oar forces synchronously. Based on low-power controller STM32L151, node on oar acquires pulling and torque force with sample rate of 200Hz,then send it using nRF24L01+ module wirelessly; the collector receives data and send it to PC software to draw curves of oar force.The final test results show that the system has low power consumption and good synchronization and low code error ratio.The method can be used for multi-channel industrial data acquisition system , and has very good availability.

stm32, oar force, multi-channel wireless communication, synchronization, code error ratio, low power

2015-04-20

國(guó)家體育總局國(guó)家隊(duì)科技服務(wù)項(xiàng)目(2015HT058)和合肥師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(科研基地一般項(xiàng)目)(2013jd04)。

程亮亮，男，安徽池州人，碩士，合肥師范學(xué)院電子信息工程學(xué)院教師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。

時(shí)間：2016-1-5 13:01 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160105.1301.017.html

TP273

A

1007-4260(2015)04-0069-04

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.04.017