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(武漢海王機(jī)電工程技術(shù)有限公司,武漢 430000)

0 引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛，安裝于室外的設(shè)備越來(lái)越多，例如自動(dòng)化城市建設(shè)，自動(dòng)化鐵軌建設(shè)，自動(dòng)化管路建設(shè)應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。對(duì)于復(fù)雜設(shè)備的調(diào)試，傳統(tǒng)方式是配置顯示屏，而安裝于室外的設(shè)備往往會(huì)無(wú)人看守，設(shè)備廠家并不希望無(wú)關(guān)人員看到設(shè)備調(diào)試信息，且安裝顯示屏對(duì)設(shè)備的成本、功耗和體積都會(huì)有所增加。基于這種現(xiàn)狀，安裝于室外的設(shè)備調(diào)試往往是由調(diào)試人員自備調(diào)試電腦現(xiàn)場(chǎng)連接進(jìn)行調(diào)試。而電腦等設(shè)備，調(diào)試時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)需要放置平臺(tái)、依拖等，這在高空作業(yè)，狹窄管道，預(yù)埋設(shè)備等環(huán)境調(diào)試時(shí)，會(huì)帶來(lái)諸多不便。而且電腦電池待機(jī)能力有限，室外現(xiàn)場(chǎng)不一定具備充電條件，中途充電會(huì)極大的降低工作效率。筆者介紹的調(diào)試方式使用安卓設(shè)備(安卓手機(jī)、pad等)，具有攜帶方便，待機(jī)能力強(qiáng)，還可以使用充電寶充電等優(yōu)勢(shì)。此調(diào)試方法適用場(chǎng)景還包含使用分布式結(jié)構(gòu)的大系統(tǒng)。分布式結(jié)構(gòu)往往各設(shè)備間距離較遠(yuǎn)，系統(tǒng)構(gòu)架決定了其所有信息都傳入集中控制室內(nèi)，而單個(gè)設(shè)備調(diào)試不方便，使用本方法可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

筆者以安裝在管道上的膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備為例，介紹其安裝調(diào)試使用安卓設(shè)備的方法，膨脹節(jié)是在管道(煙、風(fēng)管道)中間設(shè)置的、能補(bǔ)償管道長(zhǎng)度方向上的熱脹冷縮量并保持管道密封性的裝置。補(bǔ)償管道長(zhǎng)度變化的附件，又稱伸縮節(jié)或補(bǔ)償器[1]。膨脹節(jié)在航天、化工、消防等管道系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使用壽命與管路壓力、溫度和使用次數(shù)有關(guān)，膨脹節(jié)使用次數(shù)用盡，對(duì)于傳輸介質(zhì)為高溫、高壓、高危等工況是很大的隱患。膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備安裝于管路上，用于采集存儲(chǔ)膨脹節(jié)的狀態(tài)信息。膨脹節(jié)安裝環(huán)境條件特殊，檢修不方便，安裝分布位置廣。本設(shè)計(jì)調(diào)試膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備時(shí)采用數(shù)據(jù)線接入手機(jī)，對(duì)于剩余空間狹窄等不方便靠近的設(shè)備，采用藍(lán)牙方式接入。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)目標(biāo)是可以通過(guò)安卓設(shè)備設(shè)置膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備基本參數(shù)，獲取其工作狀態(tài)、傳感器測(cè)量值等信息。本文重點(diǎn)講通訊實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要點(diǎn)。

針對(duì)這種需求，筆者設(shè)計(jì)基于ST公司的ARM Cortex-M3內(nèi)核的控制器作為膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備MCU，膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)線或藍(lán)牙連接安卓設(shè)備，同時(shí)針對(duì)性的開(kāi)發(fā)安卓端軟件用于設(shè)備調(diào)試?，F(xiàn)場(chǎng)人員可以根據(jù)實(shí)際情況安裝使用數(shù)據(jù)線或者藍(lán)牙。膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，通過(guò)USB或者藍(lán)牙發(fā)送到安卓設(shè)備端，安卓設(shè)備記錄分析存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)把用戶對(duì)系統(tǒng)功能、參數(shù)等設(shè)置發(fā)出來(lái)給膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備。采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的控制器STM32在通訊方面有豐富的接口選擇：IIC接口(SMBus/PMBus)、USART接口、SPI接口、CAN接口(2.0B)、USB 2.0全速接口等[2]。根據(jù)項(xiàng)目資源要求本設(shè)計(jì)選取的芯片型號(hào)是STM32F103RBT6，內(nèi)置128 KB Flash、20 K的RAM，處理器最高工作頻率72 MHz。

1.1 數(shù)據(jù)線通訊方式

膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)線與安卓設(shè)備通訊的實(shí)現(xiàn)基于USB HID技術(shù)，HID是Human Interface Device的縮寫(xiě)，HID設(shè)備是直接與人交互的設(shè)備，例如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)與游戲桿等，不過(guò)HID設(shè)備并不一定要有人機(jī)接口，只要符合HID類別規(guī)范的設(shè)備都是HID設(shè)備[3]。STM32部分芯片內(nèi)部集成了USB外設(shè)，可以大大提升設(shè)計(jì)速度、節(jié)約成本、提高了USB電路設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，只需設(shè)計(jì)USB接口電路，就可以實(shí)現(xiàn)基于STM32芯片的電路板的USB通信設(shè)計(jì)[2]。STM32F103RBT6支持USB HID模式，更是有全速和低速兩種通訊模式可配置，具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、效率高、集成度高、配置靈活等特點(diǎn)。全速設(shè)備理論通訊速度可以達(dá)到12 Mbps。

安卓設(shè)備能外接調(diào)試設(shè)備基于USB OTG技術(shù)。USB On-The-Go通常縮寫(xiě)為USB OTG，是USB2.0規(guī)格的補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)[4]。它可使USB設(shè)備，例如播放器或手機(jī)，從USB周邊設(shè)備變?yōu)閁SB主機(jī)，與其他USB設(shè)備連接通信。USB具有高速度、低成本、低功耗、即插即用等優(yōu)點(diǎn)[5]。在正常情況下，這些支持OTG的USB設(shè)備和USB主機(jī)(如臺(tái)式機(jī)或者手提電腦)，仍然作為USB周邊設(shè)備使用[4]。Android系統(tǒng)可以通過(guò)USB配件模式連接像機(jī)器人控制器，擴(kuò)展塢，音樂(lè)設(shè)備，讀卡器等這些配件；USB主機(jī)模式支持各種各樣的USB外設(shè)和Android USB配件，像數(shù)碼相機(jī)，鍵盤(pán)鼠標(biāo)和游戲手柄等附屬設(shè)備[4]。這兩種模式在Android3.1(API 12)及以上都是直接支持的[6]。本設(shè)計(jì)通過(guò)Android系統(tǒng)設(shè)置配置為USB主機(jī)模式，連接到Android上的USB設(shè)備會(huì)把Android類似的看作是一臺(tái)PC機(jī)。膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備就相當(dāng)于USB的配置端，使用安卓設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置專用的OTG線用于連接外設(shè)，膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備便可以正常的和Android應(yīng)用交互。

圖1為數(shù)據(jù)線連接系統(tǒng)示意圖，電路設(shè)計(jì)中采用STM32自帶USB口，連接通用的安卓數(shù)據(jù)線，安卓數(shù)據(jù)線通過(guò)OTG接口連接安卓設(shè)備。電路板上的USB接口可以采用USB母座、mini USB母座或者micro USB母座，這樣設(shè)計(jì)方便接入電腦，若確定不接入電腦，電路板上可采用Type USB母座設(shè)計(jì)，接線時(shí)就不需要OTG接口，方便直接使用手機(jī)數(shù)據(jù)線接入。STM32設(shè)計(jì)主要包括供電、時(shí)鐘、復(fù)位和其他傳感器的接入。

圖1 數(shù)據(jù)線連接系統(tǒng)示意圖

1.2 藍(lán)牙通訊方式

藍(lán)牙在空曠地藍(lán)牙傳輸有效距離為10米，具有一定的穿透性。藍(lán)牙4.0將3種規(guī)格集一體，包括傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速技術(shù)和低耗能技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到24 Mbit/s,并且具有低功耗、3毫秒低延遲、超長(zhǎng)有效連接距離、AES-128加密等特點(diǎn)[7]。本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙4.0技術(shù)，極大的滿足了設(shè)計(jì)要求，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

藍(lán)牙系統(tǒng)采用靈活的無(wú)基站的組網(wǎng)方式，藍(lán)牙的組網(wǎng)方式有3種，BR/EDR、Bluetooth Low Energy和Bluetooth mesh[8]。其中BR/EDR，也就是常說(shuō)的經(jīng)典藍(lán)牙。藍(lán)牙耳機(jī)和遙控器的按鈕，這種方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，PAN，personal area network[8]。本系統(tǒng)使用的是控制器與安卓設(shè)備間的對(duì)稱連接，采用BR/EDR連接方式正適合。

圖2為藍(lán)牙連接系統(tǒng)示意圖，電路設(shè)計(jì)中STM32通過(guò)串口方式與藍(lán)牙模塊連接，藍(lán)牙模塊發(fā)出并檢測(cè)藍(lán)牙信號(hào)，安卓設(shè)備端開(kāi)啟藍(lán)牙之后，就可以與膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行通訊。

圖2 藍(lán)牙連接系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)上訴方案可見(jiàn)，膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備與安卓設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)線或者無(wú)線藍(lán)牙連接通訊簡(jiǎn)便可行，下面分別從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面介紹的實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

USB有主從之分，膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備在這是做為從機(jī)，相對(duì)應(yīng)的安卓設(shè)備就是主機(jī)。膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備端USB部分的硬件設(shè)計(jì)主要是STM32和USB端子接口連接，圖3是二者連接的硬件連接電路圖。系統(tǒng)供電電壓為3.3 V，系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接采用STM32的USB口作為通訊接口。USB是一種差分總線，數(shù)據(jù)由正、負(fù)信號(hào)的差值所決定[9]。電路中USBDP為正，USBDM為負(fù)，STM32的USB模塊遵循USB2.0全速設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，從機(jī)作為全速設(shè)備只需在USBDP線加上拉1.5 K電阻。Q1是一個(gè)三極管，做開(kāi)關(guān)用，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，USB主機(jī)設(shè)備開(kāi)始枚舉該USB設(shè)備；當(dāng)不使用USB方式連接時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，USB斷開(kāi)連接。本設(shè)計(jì)中的USB座采用mini USB母座，方便用戶使用數(shù)據(jù)線連接。膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)電路中還應(yīng)包含電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和完成系統(tǒng)功能的測(cè)量控制電路。系統(tǒng)增加一塊FLASH芯片，在設(shè)備運(yùn)行期間用于記錄和保護(hù)重要參數(shù)和故障信息等， 即使掉電也能保存下來(lái)，下次調(diào)試可以上傳查看分析故障原因?，F(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境惡劣，為了達(dá)到最好的使用效果，系統(tǒng)PCB布線需要?jiǎng)澐趾侠恚O(shè)備具有抗干擾的能力。

圖3 USB從機(jī)電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙通訊的硬件設(shè)計(jì)主要包括STM32和藍(lán)牙模塊，這里選用的藍(lán)牙模塊是CC2541低功率藍(lán)牙模塊板，CC2541藍(lán)牙模塊板支持藍(lán)牙4.0版本，是藍(lán)牙主從一體模塊，具透?jìng)?、遠(yuǎn)控、PIO采集3種功能，可以通過(guò)AT指令集進(jìn)行切換和設(shè)置。連接設(shè)備支持安卓、蘋(píng)果、PC、MAC。具有收發(fā)無(wú)字節(jié)限制，最高可達(dá)3K Bytes/s的特點(diǎn)[7]。圖4給出了二者連接的硬件連接圖。STM32與藍(lán)牙模塊通過(guò)串口連接，系統(tǒng)正常供電，藍(lán)牙模塊串口通訊引腳RX和TX，分別與STM32的串口引腳連接，使能端EN與STM32的IO口連接，作為開(kāi)關(guān)控制藍(lán)牙設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉。系統(tǒng)可以設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)控制藍(lán)牙設(shè)備的啟停，在不使用藍(lán)牙期間關(guān)閉藍(lán)牙，可以節(jié)省不必要的能耗，同時(shí)保護(hù)數(shù)據(jù)安全。

圖4 藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要在于膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)和安卓設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)。

2.2.1 膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)

STM32 USB支持雙向8個(gè)端點(diǎn)，即8個(gè)IN端點(diǎn)和8個(gè)OUT端點(diǎn)，硬件實(shí)現(xiàn)CRC自動(dòng)生成/校驗(yàn)，NRZI編碼/解碼和bit-stuffing，支持控制傳輸，中斷傳輸，大容量傳輸和同步傳輸4種傳輸類型，支持USB掛起和喚醒[4]。

本系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)是需要將STM32的USB枚舉為HID設(shè)備。STM32官方提供的固件庫(kù)含 USB固件庫(kù)，基于固件庫(kù)做移植，充分利用可靠資源，可以極大的提高設(shè)計(jì)和調(diào)試效率[10]。USB固件庫(kù)的移植：在移植程序中添加USB相關(guān)文件，修改設(shè)備配置描述符，調(diào)取USB的函數(shù)。本例程中，用到了3個(gè)USB端點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)間雙向通信。EP0為控制端點(diǎn)(系統(tǒng)默認(rèn)端點(diǎn)0作為控制傳輸端點(diǎn))，EP1為INTERRUPT OUT端點(diǎn)(數(shù)據(jù)輸出端，即上位機(jī)向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)段),EP2為INTERRUPT OUT端點(diǎn)(數(shù)據(jù)輸入端，即MCU向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù))。啟用STM32設(shè)備需要對(duì)USB口進(jìn)行初始化，需要配置USB中斷、設(shè)置USB時(shí)鐘，再開(kāi)啟USB端口。開(kāi)啟之后主設(shè)備會(huì)對(duì)接入的從設(shè)備開(kāi)始枚舉，枚舉成功之后加載驅(qū)動(dòng)就能在主機(jī)的硬件設(shè)備中看到接入的HID設(shè)備。HID設(shè)備用PID/VID唯一標(biāo)識(shí)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)需開(kāi)辟USB收發(fā)緩沖區(qū)，用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。USB接收函數(shù)用于定時(shí)解析USB收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，USB發(fā)送函數(shù)用于發(fā)出一段數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙模塊上電使能之后可以發(fā)出藍(lán)牙信號(hào)。膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備與安卓設(shè)備通訊需要設(shè)置成從機(jī)模式，藍(lán)牙模塊與STM32采用串口通訊方式。通過(guò)AT指令集控制藍(lán)牙模塊，完成配置模式，搜索配對(duì)，收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。使用藍(lán)牙模塊控制上的優(yōu)點(diǎn)在對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)只需要操作簡(jiǎn)單的串口，就可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通訊。使用STM32串口需要配置串口中斷、設(shè)置通訊頻率之后開(kāi)啟。

為保證數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，主從機(jī)通訊使用的軟件通訊協(xié)議的內(nèi)容應(yīng)該包含開(kāi)始字符串，命令字符串，數(shù)據(jù)字符串，校驗(yàn)位。并規(guī)定由主設(shè)備發(fā)送命令請(qǐng)求，從設(shè)備相應(yīng)命令請(qǐng)求。例如主設(shè)備發(fā)送獲取歷史記錄命令請(qǐng)求，從設(shè)備收到之后，把系統(tǒng)中保存在FLASH上的歷史數(shù)據(jù)依次發(fā)出，主設(shè)備接收后解析顯示。

2.2.2 安卓調(diào)試軟件設(shè)計(jì)

安卓軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Android Studio，由谷歌發(fā)布的一款非常好用的Android集成開(kāi)發(fā)環(huán)境工具。安卓端軟件設(shè)計(jì)需要有設(shè)置界面，可以設(shè)置通訊模式為OTG通訊或藍(lán)牙通訊，并在調(diào)試界面顯示接入方式；消息界面用戶記錄警告信息；調(diào)試界面顯示調(diào)試數(shù)據(jù)，可以繪制曲線。另外一些附加功能，待辦事件顯示需要調(diào)試的設(shè)備信息，包括設(shè)備地點(diǎn)、安裝位置、簡(jiǎn)介等；設(shè)備資料顯示當(dāng)前連接設(shè)備的詳細(xì)設(shè)備信息和歷史維修記錄等。為了保護(hù)數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)需要建立用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，配置用戶權(quán)限，采用賬戶登錄方式，方便管理整個(gè)系統(tǒng)。

OTG功能本為Android3.1及以上底層所支持，并提供了相應(yīng)的API[4]。對(duì)于安卓設(shè)備，OTG屬于系統(tǒng)功能，不需要另外開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)。使用安卓OTG功能需要設(shè)備打開(kāi)系統(tǒng)設(shè)置中的OTG功能，并設(shè)置成USB調(diào)試模式[6]。調(diào)試軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，首先在安卓系統(tǒng)中使用USB設(shè)備，需要獲取到明確的用戶許可，之后在程序界面列舉出已經(jīng)接入的USB設(shè)備，用戶選擇設(shè)備之后獲取該USB接口，并為它分配端點(diǎn)，打開(kāi)并連接USB設(shè)備，連接正常之后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖5 OTG通訊軟件流程圖

在藍(lán)牙4.0之前為傳統(tǒng)藍(lán)牙，從藍(lán)牙4.0開(kāi)始我們稱之為低功耗藍(lán)牙也就是藍(lán)牙BLE。需要android 4.3及以上版本才支持BLE API[11]，低版本只支持傳統(tǒng)藍(lán)牙。低功耗藍(lán)牙較傳統(tǒng)藍(lán)牙，傳輸速度更快，覆蓋范圍更廣，安全性更高，延遲更短，耗電極低等等優(yōu)點(diǎn)[7]。使用藍(lán)牙必須要打開(kāi)安卓設(shè)備藍(lán)牙功能。軟件流程圖如圖6所示，獲取權(quán)限和本地藍(lán)牙適配器之后就可以查找附近已配對(duì)或可用設(shè)備列表，再連接配對(duì)設(shè)備連接正常之后才能數(shù)據(jù)交互。

圖6 藍(lán)牙通訊軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本設(shè)計(jì)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)之后進(jìn)行通訊調(diào)試，文中所訴的安卓設(shè)備在這里采用的安卓手機(jī)做測(cè)試對(duì)象，選用的手機(jī)支持OTG通訊，系統(tǒng)為android 4.4，圖7為安卓手機(jī)調(diào)試界面圖。在設(shè)置界面選擇采用OTG通訊和藍(lán)牙通訊分別測(cè)試與膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備通訊情況，都能正常得進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備在實(shí)際項(xiàng)目使用中表現(xiàn)良好，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖7 安卓設(shè)備界面圖

4 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了采用STM32控制的USB HID通訊和藍(lán)牙模塊與安卓設(shè)備通訊，達(dá)到方便、靈活調(diào)試和配置自動(dòng)化設(shè)備的目的。系統(tǒng)采用USB HID OTG在安卓和Win7系統(tǒng)相當(dāng)于免驅(qū)，大大得減輕了開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)。針對(duì)設(shè)備需求開(kāi)發(fā)安卓端軟件可以方便操作人員操作和調(diào)試，使用賬號(hào)登錄方式可以大大提高數(shù)據(jù)的安全性。在整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定之后，膨脹節(jié)檢測(cè)設(shè)備端USB接口可以直接換成type USB母座，這樣只需要安卓設(shè)備充電線即可調(diào)試，系統(tǒng)簡(jiǎn)單便捷。采用藍(lán)牙通訊彌補(bǔ)了設(shè)備安裝位置不方便接線的缺陷。通過(guò)結(jié)果證明，本系統(tǒng)可以大大減輕設(shè)備安裝、調(diào)試、檢修時(shí)的困難，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。使用安卓設(shè)備調(diào)試還可以方便的將調(diào)試數(shù)據(jù)發(fā)往云端，方便數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)，還可以方便工程師遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等。