靳俊杰+李欣+徐銘

摘 要：為解決實驗室某些海洋觀測類IO設(shè)備價格昂貴、體積較大、數(shù)量較少的問題，文中設(shè)計了一款I(lǐng)O設(shè)備模擬器。IO模擬器是一款模擬IO設(shè)備指令與相應(yīng)響應(yīng)的模塊，系統(tǒng)以STM32F103為主控制器件，將Keil MDK-ARM作為軟件平臺，通過學(xué)習(xí)實際IO設(shè)備的指令與響應(yīng)，模擬出實際IO設(shè)備的通信協(xié)議。文中主要介紹了模擬器的硬件搭建及軟件設(shè)計。經(jīng)實驗驗證，該模擬器可在實驗室的系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試中代替實際設(shè)備，也可以解決實際設(shè)備數(shù)量不足的問題。

關(guān)鍵詞：模擬器；STM32；FLASH；設(shè)備學(xué)習(xí)

中圖分類號：TP39；TM5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

近年來，各國為各自利益逐漸加強了海洋研究，海洋觀測方法日趨多樣化，海洋觀測平臺成為研究海洋的重要途徑[1]。海洋觀測平臺由MCU控制，外圍接若干海洋設(shè)備終端，如采用溫鹽深儀傳輸海洋溫度、鹽度、壓力；多普勒流速剖面儀傳輸海流流速、流向等數(shù)據(jù)。一個成功的海洋觀測平臺的開發(fā)需要首先經(jīng)過實驗室的聯(lián)合調(diào)試。

若干個課題組協(xié)同工作時，經(jīng)常共同使用有限個設(shè)備終端，或者存在訂貨周期過長、設(shè)備出海等問題，導(dǎo)致聯(lián)合調(diào)試時因某些設(shè)備缺位而延長系統(tǒng)調(diào)試周期，而模擬器可以較好地解決這些問題[2]。此模擬器無需深入了解設(shè)備的通信協(xié)議與數(shù)據(jù)格式，只需對實際設(shè)備實現(xiàn)一次操作，即可學(xué)習(xí)實際設(shè)備的通信協(xié)議，最終達到代替實際設(shè)備參與系統(tǒng)調(diào)試的目的。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文設(shè)計的模擬器由STM32F103微處理器模塊、供電模塊、LED燈指示模塊、存儲模塊、串口模塊、按鍵構(gòu)成。按鍵用于系統(tǒng)硬件復(fù)位，撥動開關(guān)選擇系統(tǒng)工作模式，LED燈指示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，存儲模塊用于存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，防止掉電丟失。其工作方式分為兩種，一種是學(xué)習(xí)實際設(shè)備的指令與響應(yīng)及實際設(shè)備收到指令與發(fā)出響應(yīng)的時間間隔，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)存入FLASH；另一種是模擬實際設(shè)備，在收到上位機指令后，通過字符匹配FLASH中的指令，延長實際設(shè)備收到指令與發(fā)出響應(yīng)的時間間隔，回復(fù)與指令對應(yīng)的響應(yīng)。模擬器工作簡圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 存儲模塊

STM32F103內(nèi)核為Cortex-M3，采用ARM V7構(gòu)架，是現(xiàn)今性價比最高的一款A(yù)RM微控制器，最高工作頻率可達72 MHz，該芯片具有64 kB SRAM，512 kB FLASH，擁有快速的中斷處理[3]。本設(shè)計使用了芯片的USART1、USART3、Timer3、Timer7及SPI接口。

串行外圍設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是一種全雙工，高速、同步的通信總線，在芯片的管腳上只占用四根線。本設(shè)計使用STM32F103自帶的SPI來實現(xiàn)對外部FLASH（W25Q128）的讀寫操作[4]。如圖3所示，W25Q128是華邦公司推出的大容量SPI FLASH產(chǎn)品，容量為128 Mb，即16MB，可用于存儲字庫和其他用戶數(shù)據(jù)，系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，滿足了本設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲要求。設(shè)置SPI為全雙工、主機模式、8位幀格式傳輸，高位在前，具有CRC校驗功能[5]。SPI波特率預(yù)分頻值為256分頻，傳輸速度為36MHz/256=140.625 kHz。

2.2 串口通訊部分設(shè)計

儀器通訊通常采用串行通信和并行通信兩種方式[6]。串行通信方式具有使用線路少、成本低的優(yōu)點，在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用[7]。計算機和單片機都具有串行接口，可以完成上位機與模擬器、模擬器與實際設(shè)備之間的通訊任務(wù)。如圖4所示，模擬器串口1可以實現(xiàn)兩種不同的通訊模式，通過跳線帽或者撥動開關(guān)選擇相應(yīng)的通信方式，即RS 232，RS 485，理論上可實現(xiàn)不僅限于海洋儀器的模擬，具備較強的延伸性。

此設(shè)計使用SP3232芯片作為TTL轉(zhuǎn)RS 232芯片。數(shù)據(jù)傳輸速率最高為20 kb/s，最大距離為15 m。可供兩路串口共同使用，接口為延伸通訊接口，可同時使用DB-9與三線制連接法，兩者均使用RXD、TXD、GND三條信號線，程序設(shè)計中未使用握手信號，可直接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。RS 485隸屬于OSI模型物理層電氣特性的規(guī)定，為兩線、半雙工、多點通信的標準。其電氣特性和 RS 232不一樣，而是用纜線兩端的電壓差值來表示傳遞信號，通訊距離為1 200 m[8]。本設(shè)計使用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3471，USART_RE為發(fā)送使能端，接STM32的GPIOA_8，高電平發(fā)送數(shù)據(jù)，低電平接收數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送均由軟件控制。串口3與串口1的電路圖基本相同，處于學(xué)習(xí)模式時與實際IO設(shè)備連接。

2.3 狀態(tài)控制部分設(shè)計

系統(tǒng)運行狀態(tài)由STM32的GPIOE_3的輸入邏輯電平控制，連接外部三腳撥動開關(guān)，通過判斷該引腳的輸入邏輯電平來決定模擬器的工作方式，電平狀態(tài)改變則系統(tǒng)工作狀態(tài)改變。運行狀態(tài)指示燈（紅色LED燈）連接引腳GPIOB_5，系統(tǒng)運行狀態(tài)不同則指示燈閃爍運行方式改變。

2.4 供電設(shè)計

供電電路采用電平轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3，這是一個5 V轉(zhuǎn)3 V穩(wěn)壓電源芯片，內(nèi)部集成有過熱保護與限流電路。通過該芯片，可以實現(xiàn)對模擬器的3.3 V供電與5 V供電，同時也可以使用USB供電，保證了模擬器在多供電環(huán)境的使用。供電模塊還具有供電狀態(tài)指示燈（藍色LED燈）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）程序初始化：初始化包括串口初始化，定時器初始化，W25Q128初始化。程序中加入了看門狗，可防止系統(tǒng)因外界環(huán)境的干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象[9]。為保證模擬器正常穩(wěn)定地工作，程序采用輪詢方式確定是否改變模擬器的工作狀態(tài)。endprint

（2）定時器在串口通信中的軟件設(shè)計：USART1和USART3采用中斷接收字符方式共同使用Timer7，通過判斷接收到的兩個字符間的時間差來斷定是否為連續(xù)的數(shù)據(jù)[10]。Timer7是STM32F103自帶的兩個基本定時器之一，定時器中斷優(yōu)先級為0，高于串口優(yōu)先級，采用由下至上的計數(shù)方式，10 ms進入一次定時器中斷，定時器中斷中串口接收標記設(shè)置為接收完成，兩個字節(jié)接收時間間隔小于10 ms即認為這兩個字節(jié)屬于同一字符串，通過定時器來判斷接收的字節(jié)是否屬于同一次數(shù)據(jù)，避免兩次數(shù)據(jù)間的干擾。將USART1和USART3接嵌入式模塊。Timer3是通用定時器，在本設(shè)計中用來記錄USART1開始透傳數(shù)據(jù)至USART3到USART3收到外部數(shù)據(jù)之間的時間間隔，即實際設(shè)備的響應(yīng)時間，定時器中斷每隔1s進入一次，在中斷時間間隔執(zhí)行自加操作，以一定的格式將時間間隔寫入FLASH保存，便于后續(xù)讀取。

（3）為了保證上位機指令與設(shè)備響應(yīng)正常匹配，W25Q128中的數(shù)據(jù)存儲格式如圖5所示。

模擬器模擬設(shè)備時析出有效數(shù)據(jù)，程序流程如圖6所示。

4 結(jié) 語

本設(shè)計以模擬美國TELEDYN分析儀表公司的多普勒流速剖面儀（ADCP）以及Sea-Bird公司的SBE39-IM型溫鹽深儀為例，實現(xiàn)了對這些實際儀器IO功能的模擬。通過實驗檢驗，成功實現(xiàn)了實驗室環(huán)境下模擬器代替ADCP在定時衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的作用以及代替SBE39-IM型溫鹽深儀在電磁耦合浮標系統(tǒng)中的作用。

參考文獻

[1]謝東亞，李欣.深海海底邊界層原位監(jiān)測中電源管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（6）：136-138.

[2]陳飛，余燁.電子測量儀器IO模擬器設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2008（7）：87-88.

[3]丁力，宋志平，徐萌萌，等.基于STM32的嵌入式測控系統(tǒng)設(shè)計[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（S1）：260-265.

[4] STM32F1開發(fā)指南-庫函數(shù)版本[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[5]高英.串行數(shù)控信號的模擬方法在儀器設(shè)計與維修中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代測量與實驗室管理，1999（6）：54-55.

[6]底偉.C++ Builder實現(xiàn)模擬器測控系統(tǒng)單片機與上位機之間的串口通汛[J].科技風，2009（5）：58，60.

[7]歐陽斌武.電子測量儀器IO模擬器設(shè)計方案探討[J].科技資訊，2009（17）：67.

[8]范逸之.C++ Builder與RS-232串行通信控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[9]陳宇澤，宋緒勇.嵌入式測控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新，2017（15）：160-161.

[10]林倩.DHT11數(shù)字溫濕度傳感器通信協(xié)議的IO模擬[J].信息通信，2017（1）：206-207.endprint