孫 濱 ， 周育輝

（1.泰山職業(yè)技術(shù)學院，山東 泰安 271000；2.江西生物科技職業(yè)學院，江西 南昌 330200）

0 引言

記錄儀是智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常使用的一種實時數(shù)據(jù)記錄、過程監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析的常用設(shè)備，對于智慧農(nóng)業(yè)的環(huán)境檢測及后期數(shù)據(jù)分析具有十分重要的作用。早期的機械式記錄儀效率低下，既無法適應現(xiàn)在智慧農(nóng)業(yè)測量數(shù)據(jù)的大容量、實時查看、直觀分析、圖標顯示、遠程傳送的要求[1]，也無法作為智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的一個節(jié)點使用。隨著智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)場測量技術(shù)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)對環(huán)境數(shù)據(jù)的測量和處理要求記錄儀具有智能化、自動化、網(wǎng)絡化、遠程化等特點。

基于智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)場控制的要求，設(shè)計了一款基于以太網(wǎng)接口的無紙實時記錄儀，該記錄儀可以實時在線記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并可以通過以太網(wǎng)通信方式與上位機進行通信，與上位機進行雙向信息傳送。無紙記錄儀與農(nóng)業(yè)環(huán)境傳感器等組成測量系統(tǒng)，可完成各個被測量數(shù)據(jù)的實時采集與記錄。本設(shè)計使用STM32 作為主控制器，配合鐵電存儲器、USB 接口電路、AD 傳感器、以太網(wǎng)接口，使記錄儀具備大容量存儲，實時數(shù)據(jù)記錄、查詢，以太網(wǎng)通信功能，并具有多種顯示界面可切換，實現(xiàn)了友好的人機界面設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

無紙記錄儀總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，主要包括以STM32 為核心的現(xiàn)場控制采集電路和上位機[2]。現(xiàn)場控制采集模塊主要由電源電路、內(nèi)部存儲電路、5 mA～10 mA 信號采集電路、隔離輸出4 mA～20 mA電路、USB 接口電路、以太網(wǎng)接口電路、儀表溫度控制電路、顯示觸摸電路組成。

圖1 無紙記錄儀總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)上電工作時，初始化后系統(tǒng)首先完成中斷向量表的建立，完成堆棧設(shè)置、時鐘選擇，開始執(zhí)行用戶代碼。如果沒有接收到上位機的新的控制命令和參數(shù)設(shè)置要求，則按照上次的設(shè)置或默認設(shè)置開始工作。系統(tǒng)上電完成后將溫度等相關(guān)變送器生成的5 mA～10 mA 測量信號送入AD 轉(zhuǎn)換器，并通過STM32 控制器進行數(shù)據(jù)處理，保存在存儲器FM25CL64 中。如果采集的數(shù)據(jù)量非常多超過本機存儲容量，可以通過U 盤讀取數(shù)據(jù)進行備份，或通過以太網(wǎng)遠程上傳到上位機[3]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 大容量數(shù)據(jù)快速存儲電路

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時存儲可以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及分析，常規(guī)的存儲方式是將數(shù)據(jù)存放在EEPROM中，但是常規(guī)的EEPROM 存在一定的缺點，隨著擦寫次數(shù)的增加，擦寫速度降低，并且存在最大擦寫次數(shù)的限制。在本設(shè)計中采用FRAM 來進行數(shù)據(jù)的存儲。FRAM 具有存儲速度快、掉電后數(shù)據(jù)立即保存、讀寫時需要的功耗低等優(yōu)點[4]，并且不存在如EEPROM 的最大寫入次數(shù)問題。根據(jù)實際需要，選用了FM25CL64B（存儲容量8 kB*8 bit），F(xiàn)M25CL64鐵電存儲器接口電路如圖2所示。

圖2 FM25CL64 鐵電存儲器接口電路

2.2 CH376 USB接口電路

本記錄儀可以把采集的數(shù)據(jù)存儲到常規(guī)的U 盤中。常規(guī)情況下，嵌入式系統(tǒng)在進行USB 讀寫數(shù)據(jù)時，需要用戶熟悉USB 相關(guān)的底層協(xié)議，編寫相關(guān)的驅(qū)動程序[5]。為提高系統(tǒng)開發(fā)進度，避免復雜的驅(qū)動程序編寫，系統(tǒng)設(shè)計時采用了一種集成USB 讀寫固件的芯片方案CH376T。CH376T 內(nèi)置了讀寫U 盤和SD 卡中文件的相關(guān)函數(shù)，用戶只需要在應用代碼中調(diào)用固件中的函數(shù)即可。CH376T 與控制器進行連接時有8 位并行接口、SPI 接口、異步串口等多種方式[6]，為節(jié)省控制器引腳使用，本設(shè)計中的CH376T與控制器之間采用SPI 接口，CH376T 接口電路如圖3 所示。

圖3 CH376T接口電路

2.3 隔離電流5 mA～10 mA采集電路

本設(shè)計中5 mA～10 mA 電流通過前端電路中的R48、R49、R47、R51 變成差分電壓信號，然后送入AMC1200 全差分隔離放大器進行隔離放大，再送入精密儀器運放INA333 進行電壓放大后輸出電壓VOUT，最后送入控制器的AD 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。隔離電流5 mA～10 mA采集電路如圖4所示。

圖4 隔離電流5 mA～10 mA 采集電路

2.4 隔離485電路及抗干擾電路設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用ADI 的ADM2582E 方案，體積更小，屬于芯片級，在其芯片內(nèi)部集成了隔離電源，便于應用。經(jīng)過實際測試，采用ADM2582E 的隔離485通信電路在距離1 km 時誤碼率比較低，能夠滿足智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)場通信需求。同時為提高485 通信電路傳輸數(shù)據(jù)的抗干擾能力，在傳輸線路上設(shè)計了瞬態(tài)抑制二極管、高壓放電管。隔離485 電路如圖5 所示，抗干擾電路如圖6所示。

圖5 隔離485電路

圖6 抗干擾電路

2.5 以太網(wǎng)接口電路

本設(shè)計中測量系統(tǒng)需要接收上位機發(fā)送的遠程控制命令并上傳測量數(shù)據(jù)。在智慧農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的測量環(huán)境中，電磁環(huán)境比較惡劣，常規(guī)的RS232 串口通信在性能上不能滿足需要。本設(shè)計中上位機與記錄儀之間采用以太網(wǎng)連接方式進行遠程網(wǎng)絡通信[2]，利用了以太網(wǎng)通信的高傳輸速度、適應惡劣環(huán)境、電路簡單可靠的優(yōu)點。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)接入方式往往采用主控制器連接物理層接口芯片（如DM9000A），在主控CPU 中嵌入以太網(wǎng)通信協(xié)議的方式。這種方式需要編寫煩瑣的網(wǎng)絡協(xié)議程序，并且要耗費大量的時間進行調(diào)試，難以實現(xiàn)系統(tǒng)的快速開發(fā)和穩(wěn)定運行，更不利于系統(tǒng)的更新升級[7]。本文設(shè)計的通信電路采用CH395 以太網(wǎng)芯片，CH395 芯片自帶10/100M 以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY），完全兼容IEEE802.3 10/100M 協(xié)議[8]，芯片內(nèi)部已經(jīng)固化了常用的以太網(wǎng)協(xié)議棧，因此利用CH395 單片機系統(tǒng)實現(xiàn)以太網(wǎng)通信非常便捷，避免了復雜的協(xié)議棧移植，非常適合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員使用。CH395 核心電路如圖7 所示，CH395 接口電路如圖8 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本記錄儀的軟件設(shè)計主要包括以太網(wǎng)通信、USB讀寫文件、系統(tǒng)在線升級程序等。

3.1 以太網(wǎng)通信程序

本記錄儀進行網(wǎng)絡通信時采用了TCP/IP 協(xié)議，使用C/S 模式[9]。在進行以太網(wǎng)通信時，無紙記錄儀工作在Server 模式，上位機工作在Client 模式。工作過程中首先由無紙記錄儀等待上位機（客戶端）發(fā)起連接要求，記錄儀接收到上位機的請求連接要求后，兩者建立連接，然后按照通信流程進行數(shù)據(jù)傳輸[10]，以太網(wǎng)通信流程如圖9所示。

圖9 以太網(wǎng)通信流程

3.2 USB讀寫文件程序

本設(shè)計中的USB 通信電路采用了CH376 集成芯片。CH376 支持多種USB 通信方式，內(nèi)部已經(jīng)固化有相應的通信協(xié)議和文件系統(tǒng)[11]，CH376 內(nèi)部以命令的形式提供了USB 移動存儲設(shè)備的文件級接口，可方便地移植到各種嵌入式系統(tǒng)中，其主要程序流程如圖10所示。

圖10 USB讀寫文件流程圖

3.3 U盤升級固件程序

系統(tǒng)設(shè)計完成投入使用后，在設(shè)備運行過程中，由于用戶需求的改變或者系統(tǒng)軟件設(shè)計有問題，就需要進行系統(tǒng)軟件升級，一般的客戶自行升級程序比較困難，為解決這一難題，采用了通過U 盤進行系統(tǒng)固件升級的方法。通過U 盤進行系統(tǒng)固件升級，基本思路是寫一段引導代碼，把代碼起始地址設(shè)置為0X8000000，大小設(shè)置64 K，它的主要功能是復制U盤或者通信中的數(shù)據(jù)寫入到起始地址為0X8010000的用戶程序區(qū)，將用戶程序覆蓋，固件升級基本流程如圖11所示。

圖11 固件升級流程圖

4 結(jié)語

課題組設(shè)計了一種基于以太網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)無紙記錄儀并進行了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，系統(tǒng)以STM32 為核心，擴展了USB、以太網(wǎng)接口。上位機可以通過以太網(wǎng)接口將控制命令及采集參數(shù)下發(fā)至記錄儀，并控制各功能模塊完成數(shù)據(jù)測量功能。