栗克國，李志飛

（1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，天津300456）

波浪測量是水運(yùn)工程物理模型試驗(yàn)的一項(xiàng)重要工作，對(duì)于需要布設(shè)數(shù)十只甚至上百只波高傳感器的試驗(yàn)環(huán)境，傳統(tǒng)的有線波高傳感器存在的布線繁瑣、信號(hào)串?dāng)_等問題日益凸顯。為解決該問題，本文設(shè)計(jì)了基于STM32的自容式無線波高傳感器，將波浪采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線數(shù)據(jù)傳輸、電池供電等功能集成在一起，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備布設(shè)的便利化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線化。測試表明，該傳感器滿足設(shè)計(jì)要求，具有良好的使用效果。

1 波高測量原理

波高的測量原理，常用的有電阻式、電容式、超聲式、激光式等，隨著技術(shù)的進(jìn)度，電容式波高傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)獲得了較廣泛的應(yīng)用。電容式波高傳感器的基本原理如圖1所示[1]。

圖1 電容式波高傳感器原理Fig.1 Principle of capacitive wave height sensor

當(dāng)電容器膽絲線在水中時(shí)，一般情況下可將水體視為導(dǎo)體，膽絲線電芯與水體及膽絲線絕緣層形成圓筒形電容，該電容容量值與電芯直徑、絕緣層介電常數(shù)、膽絲線沒入水中深度有關(guān)，且與膽絲線沒水深度成正比，由于電芯直徑和絕緣層介電常數(shù)均可認(rèn)為是常數(shù)，因此電容值與膽絲線沒水深度成正比，通過測量電容值的變化即可獲得波高的變化。

2 傳感器硬件設(shè)計(jì)

傳感器的硬件原理框圖如圖2所示，以STM32F103C8T6 為主運(yùn)算控制器，膽絲線作為電容器接入CAV444 電容測量芯片，CAV444 通過C/V變換輸出直流電壓信號(hào)，直流電壓信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理后，輸入STM32 單片機(jī)ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將數(shù)據(jù)存入FLASH 存儲(chǔ)器，通過OLED 顯示器顯示采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)指令通過無線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。同時(shí)設(shè)置有鍵盤，可設(shè)置或調(diào)整參數(shù)配置。

圖2 硬件原理框圖Fig.2 Hardware block diagram

2.1 電容檢測模塊設(shè)計(jì)

傳感器使用電容電壓測量線性轉(zhuǎn)換集成電路CAV444 作為電容檢測模塊的核心，該集成電路可以把電容式的信號(hào)轉(zhuǎn)換成線性的查分電壓輸出。通過調(diào)節(jié)零點(diǎn)和滿度可方便調(diào)準(zhǔn)。

圖3 為零點(diǎn)和滿度可調(diào)的完整的CAV444 檢測電路，其中R1為滿度調(diào)準(zhǔn)電阻，R3為零點(diǎn)調(diào)準(zhǔn)電阻。在本設(shè)計(jì)中，電容量變化范圍為定值，因此將這2 個(gè)調(diào)準(zhǔn)電阻均使用固定阻值電阻代替。

圖3 CAV444 典型電路圖Fig.3 Typical circuit diagram of CAV444

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

從CAV444 的Vout引腳輸出的電壓信號(hào)，由于受到外界干擾及電源穩(wěn)定度影響，輸出精度噪聲較大，同時(shí)與Vref引腳的參考電平存在共模電平，為此，分別以Vout和Vref信號(hào)作為輸入信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)。

圖4 位信號(hào)調(diào)理電路，使用LM324 四運(yùn)放組成差分儀表放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大處理后對(duì)外輸出。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)Fig.4 Design of signal conditioning circuit

2.3 主控電路

傳感器采用STM32F103C8T6 作為主控芯片，主頻最高可達(dá)72 MHz，具有64 K 的Flash 和20 K的SRAM，三路USART 接口，具有性能高、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[2]。外部擴(kuò)展W25Q64 Flash 存儲(chǔ)器、SPI 接口OLED 顯示模塊、啟用外部晶振、啟用ADC、設(shè)計(jì)2 路串口通信，設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)鍵盤復(fù)合接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路和總體管理控制。

2.4 顯示電路

傳感器使用0.91 寸OLED 顯示屏作為顯示器件，其支持SPI 總線，支持3.3 V 供電，功耗低，使用方便，最少僅需要4 根線即可實(shí)現(xiàn)控制，可方便集成到電路板中。本設(shè)計(jì)中，使用MCU 的PB10、PB11腳作為SPI 總線的SDA 和SCL 腳，采用軟件模擬方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和顯示控制。

2.5 通信電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 種通信方式，一是通過FT232RLRL芯片將一路UART 信號(hào)轉(zhuǎn)換成USB 信號(hào)，可通過USB 口連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，二是通過一路UART 連接433 M 無線模塊，通過433 M 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和采集控制。為了降低系統(tǒng)待機(jī)功耗，使用控制管腳對(duì)無線模塊進(jìn)行工作模式設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，控制無線模塊進(jìn)入低功耗模式。

2.6 電源電路

傳感器采用26650 鋰電池供電，通過TP5400充電管理及5 V 升壓芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池充放電管理和提供5 V 系統(tǒng)供電。TP5400 為一款單節(jié)鋰離子電池充電器和恒定5 V 升壓控制器，充電部分集高精度電壓和充電電流調(diào)節(jié)器、預(yù)充、充電狀態(tài)指示和充電截止等功能于一體，可以輸出最大1 A 充電電流。而升壓電路采用CMOS 工藝制造的空載電流極低的VFM 開關(guān)型DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器[3]。同時(shí)，支持通過USB 口進(jìn)行充電。另外，使用ASM1117-3.3穩(wěn)壓芯片為傳感器提供3.3 V 電源。

2.7 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，膽絲線一端固定在支撐桿上，另一端通過掛簧與手柄主體連接，進(jìn)入手柄內(nèi)部信號(hào)倉，手柄主體由信號(hào)倉、電池倉、電路倉三部分組成，其中，電路倉部分，在外側(cè)面設(shè)計(jì)有顯示屏，頂端設(shè)計(jì)有天線和USB 接口。

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Structure design of sensor

3 傳感器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用Keil uVision5 集成開發(fā)環(huán)境使用C 語言開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)初始化、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等功能模塊。

3.1 總體軟件流程

軟件主流程如圖6所示，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢和初始化，從Flash 讀取儀器配置參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)設(shè)置儀器狀態(tài)，初始化完成后進(jìn)入While（1）循環(huán)程序，循環(huán)處理鍵盤響應(yīng)、狀態(tài)維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸工作。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信采用中斷響應(yīng)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)。

圖6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

3.2 中斷服務(wù)程序

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍵盤響應(yīng)中斷、串口接收中斷、定時(shí)器中斷3 個(gè)主要中斷，其中設(shè)置串口接收中斷為最高優(yōu)先級(jí)，定時(shí)器中斷為第二優(yōu)先級(jí)，鍵盤響應(yīng)中斷為最低優(yōu)先級(jí)。

3.2.1 鍵盤中斷服務(wù)設(shè)計(jì)

鍵盤中斷主要處理鍵盤事件，包括啟動(dòng)停止采集，翻頁查看屏幕顯示，關(guān)閉設(shè)備3 個(gè)主要功能，其中斷服務(wù)流程如圖7所示。

3.2.2 定時(shí)器中斷服務(wù)設(shè)計(jì)

使用Timer2 作為數(shù)據(jù)采集間隔中斷定時(shí)器，根據(jù)采集間隔參數(shù)配置定時(shí)器的中斷時(shí)間間隔。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，讀取ADC 數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)簡單處理后將數(shù)據(jù)存入Flash 存儲(chǔ)器。

3.2.3 串口接收中斷服務(wù)設(shè)計(jì)

串口接收中斷用于響應(yīng)串口事件，當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的串口指令后，根據(jù)串口指令控制儀器進(jìn)行不同的操作，本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)包括設(shè)置地址、設(shè)置采集參數(shù)、設(shè)置時(shí)鐘、控制采集、停止采集、讀取歷史數(shù)據(jù)等。為了便于處理，上位機(jī)指令采用“幀頭+命令字+數(shù)據(jù)域+校驗(yàn)位+幀尾”的格式。

圖7 鍵盤中斷服務(wù)流程Fig.7 Keyboard interrupt service flow chart

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

傳感器采集到的數(shù)據(jù)，默認(rèn)存入Flash 存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)每512 個(gè)字節(jié)為一段，共計(jì)4096 個(gè)數(shù)據(jù)段。每段由起始標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)時(shí)間，采集參數(shù)，數(shù)據(jù)段、結(jié)束符組成，每段可存儲(chǔ)250 組數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

傳感器支持無線方式方式和串口方式上傳數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)指令后，傳感器根據(jù)設(shè)置參數(shù)按段上傳采集數(shù)據(jù)。支持一次傳輸100 段以內(nèi)數(shù)據(jù)。

4 驗(yàn)證及分析

使用波浪模擬裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，同時(shí)安裝交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院的BG-40 波高傳感器進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，采集數(shù)據(jù)如圖8所示，為連續(xù)4 個(gè)周期的采集數(shù)據(jù)，兩個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)曲線基本重合。

圖8 自容式波高比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.8 Experimental data of self contained wave height sensor

為了測試傳感器精度，使用多路波高傳感器自動(dòng)率定系統(tǒng)對(duì)40 cm 量程傳感器和60 cm 量程傳感器分別進(jìn)行精度試驗(yàn)。多路波高傳感器自動(dòng)率定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡潔，率定數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，性能穩(wěn)定可靠，對(duì)不同量程，不同類型的波高傳感器具有很高的兼容性[4]。經(jīng)率定，測量結(jié)果如表1、表2所示。

表1 40 cm 量程自容式波高精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Accuracy test data in 40 cm range

表2 60 cm 量程自容式波高精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Accuracy test data in 60 cm range

分析表1 及表2 數(shù)據(jù)，40 cm 傳感器最大誤差不超過1.6‰，60 cm 量程傳感器最大誤差不超過3.3‰，儀器精度滿足實(shí)際要求。

5 結(jié)語

本文通過軟硬件設(shè)計(jì)，研制了一種基于STM32的自容式無線波高傳感器，將傳統(tǒng)波高傳感器與無線數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)結(jié)合起來，相較于傳統(tǒng)的有線波高傳感器，避免了現(xiàn)場大量布置線纜帶來的各種問題，能夠提高物理模型試驗(yàn)的效率，從而減小試驗(yàn)成本加快試驗(yàn)進(jìn)度。