便攜式野外傳感器原位數據采集系統設計

胡祥超, 李艷潔, 趙新華, 趙建偉, 朱寶良

(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

便攜式野外傳感器原位數據采集系統設計

胡祥超, 李艷潔, 趙新華, 趙建偉, 朱寶良

(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

針對地質水文勘測等領域對數據采集系統便攜性與時效性的需求，設計了一種便攜式野外傳感器原位數據采集系統。詳細介紹了系統的總體設計思路、軟硬件平臺架構、各組件實現方案等。系統具有小型化、原位化、低功耗、可移動、通用性強等突出優點，便于操作人員在野外快速開展參數就地測量或者定期巡檢。系統可自動保存采樣點時間、溫濕度、采樣點參數、傳感器類型以及采樣數據等相關信息，并通過運行于計算機上的數據管理系統實現采集系統的參數配置與采樣數據的離線管理。系統可靠便攜、人機交互和諧、數據存儲量大、性價比高、移動性能好、對不同傳感器適應性能優異，可較好滿足野外觀測學科領域的參數測試需求。

原位數據采集；野外觀測；離線數據管理系統；便攜式系統；SOC微控制器

0 引 言

在地質水文、土壤狀態監測等應用領域中，常常需要在野外環境中工作，保障困難，工作環境相對惡劣，各觀測點分布范圍較廣，測試系統、測量儀器設備等亦經常需要在各測點間移動，這些都對測試測量系統的電源供給、便攜性、可靠性、移動性以及體積、質量等性能指標提出了較高的要求[1～4]。傳統的野外觀測工作中的多類型參數的測試測量必須攜帶或布施多種不同儀器設備或系統，從而對電源供給、運輸保障、系統移動等帶來諸多不便，極大地增加了野外觀測工作的難度，降低工作效率[5,6]。由于在這些應用場合中所采用的傳感器一般均具有統一的信號輸出范圍，其中最常見的是4～20 mA的電流輸出型傳感器和0～10 V的電壓輸出型傳感器。因此，在對傳感器數據處理實時性要求不高的應用場合，比如：地下水位監測等，完全可以使用不同的傳感器搭配統一的傳感器信號調理與數據采集設備，這將極大地降低觀測任務中對儀器設備的硬性需求和對電源供給等保障措施的依賴程度。

基于小型化、集成化、原位化、便攜化的設計目標，本文設計了應用鋰電池供電的便攜式野外傳感器數據采集系統。系統基于嵌入式硬件系統架構，采用片上系統(SOC)微控制器，充分利用其豐富的片上資源與互聯總線性能，極大提高系統的集成性、低功耗性能與大數據存儲性能等[7,8]。系統能夠廣泛適用于常見的4～20 mA的電流輸出型傳感器和0～10 V的電壓輸出型傳感器，此外，系統還能在保存采樣數據的同時實時記錄系統內部運行溫度、系統外部的溫濕度環境參數以及采樣時間參數等相關信息，能夠為傳感器采樣數據的后處理提供相關參考信息。

1 系統總體設計

如圖1所示，系統包含軟件平臺與硬件平臺兩大部分組成。其中，軟件平臺包含數據采集終端的嵌入式主控軟件與PC機的離線數據管理軟件兩部分組成；硬件平臺主要為數據采集終端的嵌入式硬件系統，包含核心控制組件、傳感器組件、人機接口組件、離線接口組件、存儲器組件以及電源組件等，而傳感器組件由傳感器接口、傳感器信號轉換、傳感器信號調理以及傳感器信號采集四部分組成。

圖1 系統總體設計框圖Fig 1 Block diagram of system overall design

系統硬件平臺中，核心控制組件為數據采集終端的控制與數據處理核心，負責終端各組件的協調工作和數據處理與信息提取工作；傳感器接口包含兩類，4～20 mA電流輸出型傳感器接口與0～10 V的電壓輸出型傳感器接口；傳感器信號轉換為I/V變換電路，實現傳感器輸出的電流信號轉換成為電壓信號，便于后端的數據采集。傳感器信號調理主要是實現傳感器信號的幅度調節，濾波、噪聲抑制、沖擊信號限幅等相關工作，最終將信號調理至適合數據采集的電壓范圍；離線接口是終端與離線管理計算機的連接接口，實現二者的通信與數據傳輸；存儲器組件包含板載大容量Flash存儲器和外接擴展SD卡，用于實時保存傳感器采集數據、傳感器參數、采集系統參數以及采集點參數等；人機接口組件實現操作者與數據采集終端的交互，包含參數設定、系統狀態提示、操作流程引導等功能；電源組件包含鋰電池、電源轉換模塊以及電源管理模塊。系統軟件平臺中，終端嵌入式主控軟件實現終端硬件組件協調控制、人機交互、數據采集與存儲以及與離線數據管理軟件的通信與信息交互；離線數據管理軟件實現與終端的通信與信息交互，對終端采集數據與采集參數等相關信息的轉換與存儲等功能。

2 硬件平臺設計

為滿足野外條件下的現場原為數據采集需求，終端硬件應具有便攜性、集成化、小型化等特點，因此，硬件平臺采用嵌入式系統架構設計，核心控制器采用SOC處理器，充分利用其片上豐富的外設資源以期嚴格控制其體積，提高系統性價比、集成性、可靠性等技術指標。數據采集終端硬件平臺組成如圖2所示，由核心控制器、存儲器部分、電源部分、傳感器相關部分、人機交互部分等構成。

圖2 硬件平臺結構組成框圖Fig 2 Constitution block diagram of hardware platform structure

2.1 核心控制器

核心控制器采用基于ARM—CM3內核的型號為STM32F107VET6的STM32系列互聯型32位微控制器，該微控制器片上外設資源豐富，包含ADC,RTC,Watchdog以及USB-OTG,USART,CAN,I2C,SPI等種類眾多的互聯總線接口，能夠極大地降低系統體積、提高系統集成度與穩定性，此外,最高72 MHz的系統時鐘頻率，512 k字節內部Flash，64 k字節的SRAM都可完全滿足系統的設計需求；STM32F107VCT6片上具備2×12位ADC，高達1 MSPS的采樣率和最多16個采樣通道，完全滿足設計需求；片上集成溫度傳感器可以實時提供系統工作環境溫度參數，為系統的可靠運行提供監測依據[7,9,10]。

2.2 傳感器接口

傳感器接口用于區分電流輸出型傳感器與電壓輸出型傳感器，每種類型的傳感器固定有4個并行接口通道，最多可同時實現4路電流輸出型與4路電壓輸出型傳感器的并行數據信號采集，此外，傳感器接口還可以提供+24 V的電源，方便野外條件下對部分有供電需求的傳感器提供最大電流為100 mA的外部供電電源；ADC的參考電壓設計為外部+3.3 V標準參考電壓源供給，對應ADC的采樣信號為0～+3.3 V的電壓信號，因此，電流輸出型傳感器輸出的電流信號需要經過I/V轉換電路轉換成電壓信號,再經過信號調理電路調整到適應ADC的采樣范圍，電壓輸出型傳感器輸出的電壓信號直接通過信號調理電路調整至適應ADC采樣范圍。

2.3 人機交互

人機交互功能包含薄膜鍵盤和人機交互終端兩部分，其中人機交互終端采用三優合達公司型號為SHMT050T01BT的智能人機終端產品，具有5.0寸的四線電阻式觸摸屏與6萬5千色的真彩液晶顯示功能，RS—232串行通信接口便于系統集成與開發，薄膜鍵盤包含方向鍵與確認以及取消鍵，在觸摸屏可能出現故障的情形下代替觸摸屏實現人機交互的命令或參數輸入，當然,操作者也可以直接使用鍵盤與真彩液晶顯示器配合實現人機交互功能。

2.4 數據存儲部分

原位數據采集功能決定了系統的離線特性，因此，系統數據存儲器的容量決定了采集到的傳感器數據的數量。充分利用STM32F107VET6微控制器的互聯與大容量存儲特性，系統設計的傳感器采集數據存儲器包含內部Flash與外部SD卡兩部分組成。其中，內部Flash預留出64 k字節空間用于系統應用，剩余448 k字節空間用于采集數據存儲器(內部傳感器數據存儲器)，SD卡(外部傳感器數據存儲器)可根據現場應用需求選擇容量。傳感器數據存儲遵循先內部存儲器再外部存儲器，當內部存儲器存滿時自動切換到外部存儲器繼續存儲的原則。此外，系統還擴展有EEPROM存儲器，采用ATMEL公司的AT24C16B，用于存取系統配置信息、每次傳感器采樣的相關參數等，系統的運行參數和離線采集數據管理的相關背景信息均以EEPROM內存儲的信息為準。

2.5 離線通信接口

離線通信接口利用核心控制器STM32F107VET6的片上USB-OTG模塊實現分別與外部U盤與PC機離線管理系統的通信。當與U盤通信時，核心控制器將USB-OTG模塊切換到USB-HOST模式即可實現將采集數據信息傳輸至U盤存儲；當與PC機的離線數據管理系統通信時，USB-OTG模塊切換到USB-SLAVE模式即可實現采集數據信息上傳至PC機管理系統。離線U盤文件系統為FAT32格式，每次采樣的相關數據信息(包含設置參數信息、采樣參數信息以及傳感器采樣數據等)自動生成*.mar文件，文件名稱按照數據采集系統中傳感器采樣次序以數字命名，例如：1.mar，16.mar等。*.mar文件可以直接導入PC機離線數據管理系統提取出相關信息供操作人員后期分析處理。當系統直接與PC機相連時，操作人員可以通過數據管理系統提取相關傳感器采集的相關數據信息，同樣自動保存成*.mar文件。

2.6 其 他

系統硬件平臺包含由RTC(STM32F107VET6片上自帶實時時鐘模塊)和萬年歷構成的時間模塊，為系統運行提供時間基準，為每次采樣工作提供時間參數信息。傳感器的特性一般都受到工作環境物理參數的影響，系統通過外接的數字溫濕度傳感器SHT11實時監測傳感器工作環境的溫度與濕度參數，提供給每次現場采樣工作后作為后期數據處理的依據參數之一。

系統的便攜性與移動性決定了采用鋰電池作為供電電源是相對合理的，鋰電池組的基本參數為+27 V/3 000 mAh，同過電源轉換電路為整個系統提供+24,+12 V以及+3.3 V三路工作電源，核心控制器通過電源管理電路實現系統各部分電源的配給與管理，以實現系統功耗的最優化。

3 軟件平臺設計

系統的軟件平臺由數據采集終端的嵌入式主控軟件與PC機的離線數據管理軟件兩部分組成。二者相互結合，共同配合完成相關操作人員的前端數據采集現場工作與后期數據處理研究工作。

3.1 終端主控軟件

終端主控軟件運行于傳感器數據采集終端的嵌入式硬件平臺上，基于ST公司的CMSIS標準軟件架構[11](如圖3所示)，操作系統采用μC/OS—II并利用ST公司的標準外設函數庫構建底層驅動庫與中間層鏈接，系統的基本功能在用戶層實現，最大程度保證了系統的實時性、穩定性與可移植性。系統的主要功能均由終端主控軟件來實現，主控軟件由人機交互軟件模塊、時間管理軟件模塊、電源管理軟件模塊、環境參數管理軟件模塊、外部通信管理軟件模塊、操作權限管理軟件模塊、數據采集軟件模塊以及數據存儲軟件模塊共計8個功能組件。其中，操作權限管理模塊實現操作人員權限的分級管理機制，系統權限分成3個等級：系統管理員級、高級測試人員級以及普通測試人員級；人機交互模塊用于捕獲和處理操作人員的輸入信息以及輸出相關引導與指示信息提供給操作者；時間管理模塊用于管理時間信息，為系統的應用需求提供實時參數；電源管理模塊管理系統電源，實現系統的低功耗設計需求；環境參數管理模塊為系統提供基本環境參數，包括終端板上溫度與測試環境溫度以及濕度參數；外部通信模塊主要負責實現終端與外部設備(U盤或者PC機)的互聯通信與信息交換；數據采集模塊控制硬件平臺按照操作人員的參數設置完成數據采集工作，而數據存儲模塊負責存儲系統配置參數和采樣數據等。

圖3 終端采集系統主控軟件架構Fig 3 Architecture of main-control software of terminal sampling system

3.2 離線數據管理軟件

離線數據管理軟件主要包含兩大功能，對采集終端的參數配置和將采集終端的采樣數據格式轉換。終端參數配置功能使得操作人員能夠方便快捷的在計算機上完成對各個終端參數的初始化與個性化配置，主要涉及現場作業前期工作內容；采樣數據格式轉換功能主要是指為方便作業后傳感器采樣數據后處理而采取的信息提取、數據分類與打包存儲等功能；此外還包含與通信終端的通信接口驅動等輔助功能等。

4 驗證實驗

為驗證研制的野外傳感器原位數據采集系統的性能，搭建了實驗測試系統平臺。平臺由GE Sensing公司的型號為P3124的氣體活塞式壓力計，Agilent公司型號為34401A精密數字外用表，壓力專用砝碼和MICRO SENSOR公司型號為MPM480型壓阻式壓力傳感器組成。實驗結果如表1。

從實驗結果可以看出:數據采集系統測量結果相對誤差均小于0.08 %，系統精度滿足野外勘測測量需求。考慮到系統采用的AD位數為12位帶來的0.024 %的量化誤差，可以通過提高AD的采樣位數極大提高系統的測量精度。

5 結束語

面向野外觀測領域對傳感器數據采集的小型化、原位化以及低功耗、便攜可靠等應用需求，設計了基于嵌入式系統硬件架構的野外傳感器原位數據采集系統。系統充分利用SOC MCU的豐富外設于互聯性能，極大地提高了系統終端的集成性、小型化等性能，較好實現了對4～20 mA電流輸出型和0～10 V電壓輸出型的不同傳感器的通適性，可極大簡化在野外環境下的參數采集工作，配合運行于PC上的離線數據管理系統，可廣泛適用于地質水文、土壤狀態監測與成分檢測等野外應用領域的現場數據采集與后期的數據處理、信息提取等后期研究工作。

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Design of portable system for field sensor in-situ data acquisition

HU Xiang-chao, LI Yan-jie, ZHAO Xin-hua, ZHAO Jian-wei, ZHU Bao-liang

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an 710024,China)

Aiming at portable and efficient requirements for data acquisition system in geology inspection field,a set of portable system for field sensor in-situ data acquisition is designed.The overall design idea,hardware and software platform architecture and redization scheme of all the system components are introduced in detail.The designed system has the advantages of miniaturization,in-situ,lower power consumption,mobile and strong commonality,which are in favor of in-situ measurement and inspection periodically.The system can automatically save information of time,temperature,humidity,parameters of sampling point,sensor type,sampling data,and so on,and parameters configuration acquisition system and off-line management of sampling datas by data management system running in PC.The system is reliable,portable,man-machine harmony,a large amount of data storage,high cost-effective,good performance of movement is suitable for all the conventional sensors,and can meet the needs of parameter measurements in the field inspection fields.

in-situ data acquisition; field inspection; off-line data management system; portable system; MCU of system-on-chip(SOC)

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0069—04

2014—01—08

TP 216

A

1000—9787(2014)10—0069—04

胡祥超(1981-)，男，黑龍江佳木斯人，博士，主要研究方向為測控技術與智能儀器，信息與數字信號處理。