徐文文

（上海市公用事業(yè)學(xué)校，上海200030）

0 引言

數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采集非電量或電量信號，送到上位機(jī)中進(jìn)行顯示、分析和處理。被采集數(shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電信號的各種物理量，如溫度、濕度、光線、聲音、火焰等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。其是以傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、通信技術(shù)等為基礎(chǔ)而形成的綜合應(yīng)用技術(shù)，是獲取信息的基本手段。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的長足發(fā)展，對數(shù)據(jù)采集技術(shù)提出了更新、更高的要求。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高速度、高效率、低成本、高可靠性、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。而無線網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有不受空間、時(shí)間影響，成本低，安裝方便，易維護(hù)，效率高等優(yōu)點(diǎn)。簡而言之，基于無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的必然趨勢［1］。

1 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

本無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為獨(dú)立采集設(shè)備，不需要內(nèi)置于計(jì)算機(jī)中，其控制核心采用32位ARM處理器STM32F103VC，實(shí)現(xiàn)對采集信號的響應(yīng)，液晶屏可顯示數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)等，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊，將通訊協(xié)議嵌入微處理器中，通過采集器的無線模塊和無線路由器實(shí)現(xiàn) WIFI遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)顯示，供用戶查看、分析。

該系統(tǒng)選用的處理器是意法半導(dǎo)體推出的增強(qiáng)型系列處理器STM32F103VC。該處理器主頻為72MHz，帶有16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)RAM和串口RS232接口等豐富的外設(shè)［2］。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)僅需一片該處理器和部分外圍電路即可完成采集與傳輸功能，電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊。無線傳輸通過串口連接無線網(wǎng)卡，通過WIFI實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的無線通訊。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源電路原理：＋24V恒定直流電源經(jīng)電容濾波，進(jìn)入DC－DC降壓電源模塊KIS3R33后降壓為＋4V，進(jìn)入AMS1117－3.3電源穩(wěn)壓芯片，得到＋3.3V的穩(wěn)定電壓輸出后供給ARM核心控制模塊和其余部分電路使用；再進(jìn)入AMS1117－1.2電源穩(wěn)壓芯片，得到＋1.2V的穩(wěn)定電壓輸出后供給顯卡芯片使用。IN4148是為了防止輸出端并接高于本穩(wěn)壓模塊的輸出電壓而燒壞穩(wěn)壓芯片AMS1117－1.2而特別設(shè)計(jì)的，達(dá)到了可靠性電源設(shè)計(jì)的目的。系統(tǒng)采用雙電源供電，提供了系統(tǒng)正常工作所需的電源電壓［3］。

2.2 溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)了DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器［4］，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。超小的體積，極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20m以上，使其成為各類應(yīng)用場合的最佳選擇。微處理器STM32F103VC內(nèi)部帶有16通道的12位A／D轉(zhuǎn)換器，因此采集信號不管是數(shù)字量還是模擬量，經(jīng)光電隔離后可以直接經(jīng)ARM處理來采集溫濕度數(shù)據(jù)。

2.3 LCD模塊設(shè)計(jì)

液晶屏采用群創(chuàng)AT070TN92型號，該7寸液晶屏適用于儀器儀表、廣告顯示、工業(yè)控制等，其顯示效果逼真、性能穩(wěn)定。LCD屏是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)人機(jī)交互界面的物理基礎(chǔ)，主控單元ARM對其控制需要顯卡芯片SSD1963和觸摸芯片TSC2046等。

2.4 RS232串口通訊模塊設(shè)計(jì)

采用MAX3232串口芯片可把串口RS232信號電平轉(zhuǎn)TTL信號電平，實(shí)現(xiàn)串口通訊，其電路設(shè)計(jì)如圖1所示。該串口芯片采用專有的低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0～5.5V電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS232性能，器件僅需4個(gè)0.1μF的外部小尺寸電荷泵電容。MAX3232可以確保在120kb／s數(shù)據(jù)速率下維持RS232輸出電平，具有兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器［5］。

圖1 串口芯片硬件設(shè)置

2.5 無線WIFI通訊模塊設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用深圳海凌科電子的HLK－RM04［6］，基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。HLK－RM04＿CONFIG是通過串口配置模塊的工具。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件配置及硬件調(diào)試

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅需要硬件設(shè)置，還需要軟件的相應(yīng)配置才能調(diào)試好硬件，使系統(tǒng)正常工作。硬件電路的調(diào)試與硬件設(shè)計(jì)和軟件配置息息相關(guān)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須確保所有的元器件都設(shè)計(jì)正確后方可把元器件焊接上進(jìn)行調(diào)試。軟件配置和硬件調(diào)試基于Keil uVision4軟件以及相應(yīng)的SWD仿真器、萬用表等等，系統(tǒng)硬件包括電源電路、串口電路、網(wǎng)絡(luò)電路、液晶屏顯示及觸摸電路、數(shù)據(jù)采集部分電路等。

4 上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)WIFI無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)顯示在應(yīng)用軟件界面上。上位機(jī)的應(yīng)用軟件采用Visual Basic開發(fā)。本系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)采集器的液晶屏上顯示的溫度、濕度等采集數(shù)據(jù)經(jīng)WIFI傳輸顯示在上位機(jī)應(yīng)用軟件的文本框中，還可實(shí)現(xiàn)對采集器執(zhí)行元件的反向控制功能。

5 結(jié)語

本無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過采集溫度、濕度的實(shí)踐應(yīng)用測試，整個(gè)系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了預(yù)期效果，滿足數(shù)據(jù)采集控制與數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)墓δ?，其與無線通訊的結(jié)合安裝維護(hù)方便、成本降低、效率提高，是發(fā)展的必然趨勢。

［1］李靜，黃崢.無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（2）：178－182.

［2］意法半導(dǎo)體.STM32F103VC數(shù)據(jù)手冊［Z］.

［3］陳東升，王嘯，李宗方.基于STM32的數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［C］／／2009年全國虛擬儀器大會(huì)論文集（二）.2009.

［4］數(shù)字溫濕度傳感器DH11芯片資料［Z］.

［5］MAX3232串口芯片資料［Z］.

［6］HLK－RM04用戶手冊［Z］.