田炳麗　胡坤　王肖闖

摘要：實(shí)時(shí)潛標(biāo)目前是研究的熱點(diǎn)之一。基于低功耗要求，提出采用ARM STM32F103、Max3221和LT8610芯片來完成硬件的CPU、串口和電源芯片的選型;用上位機(jī)喚醒下位機(jī)的方式，完成ADCP數(shù)據(jù)的傳輸。該潛標(biāo)實(shí)時(shí)采集嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際的海洋潛標(biāo)中，獲得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)潛標(biāo);STM32F103;Max3221;LT8610

0 引言

海洋潛標(biāo)是觀測海洋參數(shù)最重要的平臺之一，其中觀測的主要參數(shù)是流速流向，使用的傳感器是多普勒流速儀ADCP。大多數(shù)潛標(biāo)系統(tǒng)是自容系統(tǒng)，非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，也就是說潛標(biāo)布放后，傳感器自動采集數(shù)據(jù)保留在存儲卡中，需要等回收后再人工把數(shù)據(jù)從傳感器存儲卡中下載下來。這類潛標(biāo)系統(tǒng)無法把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸回來，數(shù)據(jù)失去了時(shí)效性，無法為預(yù)測預(yù)報(bào)服務(wù)。因此，提出一種潛標(biāo)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后通過表面浮標(biāo)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站。本文設(shè)計(jì)了一種潛標(biāo)實(shí)時(shí)采集的嵌入式系統(tǒng)，并用ARM STM32F103芯片實(shí)現(xiàn)[1-3]。

1 系統(tǒng)原理

潛標(biāo)實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要包括海表面浮標(biāo)子系統(tǒng)和水下的潛標(biāo)子系統(tǒng)，其中浮標(biāo)子系統(tǒng)包括上位機(jī)、通信模塊、浮標(biāo)體等，潛標(biāo)子系統(tǒng)包括下位機(jī)、ADCP、潛標(biāo)浮球等。

ADCP每小時(shí)采集一次海流剖面數(shù)據(jù)，并且通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)收到一定數(shù)量的ADCP數(shù)據(jù)后，保存在存儲卡中，等待上位機(jī)要數(shù)據(jù)。上位機(jī)每3 h通過串口向下位機(jī)要數(shù)據(jù)，要到數(shù)據(jù)后，通過通信模塊把數(shù)據(jù)從浮標(biāo)端發(fā)送給岸站中心，供客戶使用。實(shí)時(shí)潛標(biāo)具體如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)及選型

考慮到水下潛標(biāo)系統(tǒng)目前設(shè)計(jì)是電池供電，且ADCP數(shù)據(jù)量較大，因此低功耗和數(shù)據(jù)存儲是需要考慮的重點(diǎn)。

2.1 ? ?CPU選型

適用于本項(xiàng)目的CPU系統(tǒng)，需要具有足夠大的RAM存儲區(qū)，可以作為讀取的ADCP數(shù)據(jù)的緩存;要有方便實(shí)用的SD卡接口方案，可以快速上手并能保證可靠性;要有串行口喚醒和時(shí)鐘喚醒功能，具有多種低功耗工作模式。經(jīng)綜合比對，CPU選擇STM32F103，STM32F系列由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，屬于32位ARM微控制器，它的內(nèi)核是Cortex-M3。

芯片集成CAN、ADC、SPI、I2C、USB、定時(shí)器、UART等多種功能，具有MCS51、AVR、PIC等系列單片機(jī)無法比擬的優(yōu)勢。

2.2 ? ?RS-232電平變換電路選型

根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，除有CPU外，還需擴(kuò)展兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-232作為輸入輸出接口，由于系統(tǒng)需要支持串口喚醒功能，232電平轉(zhuǎn)換芯片需要總是處于偵聽狀態(tài)，其偵聽狀態(tài)功耗在系統(tǒng)中顯得非常重要，因而232電平轉(zhuǎn)換芯片的選型十分重要。經(jīng)與市面上常見的多種232電平轉(zhuǎn)換芯片對比，最終選擇Max3221芯片作為232電平轉(zhuǎn)換芯片。

Max3221是Maxim公司研制的RS-232收發(fā)器，具有自動關(guān)閉特征并實(shí)現(xiàn)1 μA維持工作電流。為了達(dá)到節(jié)能的目的，當(dāng)Max3221輸入端沒有接收有效信號電平時(shí)，芯片電源和驅(qū)動器自動關(guān)閉。Max3221芯片由一個(gè)高效、雙電荷泵的電源供電，實(shí)現(xiàn)單路3～5.5 V電源的RS-232性能。Max3221在3.3 V工作時(shí)只需外接0.1 μF電容，而且在3～5.5 V輸入電壓范圍內(nèi)均可工作，可應(yīng)用于RS-232串行接口的單路3.3 V和5.0 V混合系統(tǒng)、單路5.0 V系統(tǒng)、3.3 V系統(tǒng)。其管腳圖如圖2所示，管腳功能如表1所示。

2.3 ? ?電源管理芯片的選型

為使電路的功耗指標(biāo)達(dá)到要求并盡可能降低，對系統(tǒng)的電源管理電路的靜態(tài)功耗也提出了較高要求。經(jīng)過仔細(xì)對比多種常見的電源管理芯片，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)選擇了LT8610。

LT8610在無負(fù)載備用情況下，突發(fā)模式（Burst Mode）工作可保持靜態(tài)電流低于2.5 μA，同時(shí)其同步整流可提供高達(dá)96%的效率。

LT8610的16引線耐熱增強(qiáng)型MSOP封裝和高開關(guān)頻率允許使用很小的外部電感器和電容器，從而能構(gòu)成占板面積緊湊的高熱效率解決方案。LT8610采用內(nèi)部上管和下管高效率電源開關(guān)，在單芯片中集成了必要的升壓二極管、振蕩器、控制和邏輯電路。低紋波突發(fā)模式工作在低輸出電流時(shí)保持了高效率，同時(shí)保持輸出紋波低于10 mVpp。LT8610還有其他特點(diǎn)，包括過熱保護(hù)、輸出軟啟動/跟蹤、電源良好標(biāo)記、內(nèi)部補(bǔ)償功能。圖3所示為LT8610典型的應(yīng)用電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

標(biāo)記：浮標(biāo)CPU為上控A0，潛標(biāo)CPU為下控A2。

3.1 ? ?上控與下控通信過程

上控與下控的通信過程如表2所示。

3.2 ? ?命令及數(shù)據(jù)包格式

下控接收到的命令如表3所示。

下控向上控發(fā)送的命令如表4所示。

以D2 33 33 33 31 38 30 33 31 35 38 37 36 30…為例，數(shù)據(jù)包如表5所示。

系統(tǒng)通信及程序運(yùn)行流程如圖4所示。

4 結(jié)語

基于ARM STM32F103芯片設(shè)計(jì)了一款低功耗的潛標(biāo)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對ADCP的實(shí)時(shí)采集，下位機(jī)通過串口把ADCP數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)通過通信系統(tǒng)把ADCP的數(shù)據(jù)發(fā)送給岸站。此系統(tǒng)經(jīng)過海試，效果良好。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 毛祖松.海洋潛標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].海洋測繪，2001，21（4）：57-58.

[2] 趙忠生，袁志偉，黃磊，等.深海潛標(biāo)ADCP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[J].海洋科學(xué)，2012，36（8）：94-97.

[3] 海重.新型實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)系統(tǒng)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2006（1）：17.

收稿日期：2021-01-28

作者簡介：田炳麗（1976—），女，山東高密人，碩士，講師，主要從事自動化控制、數(shù)字信號處理方面的研究工作。