SAMD20/21>+ATWINC1500的智能容柵位移傳感器設計

于興晗

(中國水利水電科學研究院, 北京 100038)

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SAMD20/21>+ATWINC1500的智能容柵位移傳感器設計

于興晗

(中國水利水電科學研究院, 北京 100038)

介紹了一款使用SAMD20/21+ATWINC1500方案設計并實現的WIFI智能容柵位移傳感器，并詳細介紹其原理和相關技術。本文設計的傳感器可以將測量的位移數據通過WIFI接口上傳到Internet，異地終端接收數據并處理，不但可以實現異地測量，而且可以實現多個傳感器智能組網、協同處理，擴大了容柵位移傳感器的使用范圍。

容柵；位移傳感器；WiFi；SAMD20/21；ATWINC1500

引　言

目前，大部分的容柵位移傳感器(如千分尺、直線位移傳感器等)，都是直接通過電路轉換，將動柵模塊的輸出數據轉換成標準的RS232/RS485/USB等有線方式，上傳給電腦終端處理，或者是直接轉換成液晶讀數供使用者目測使用。使用RS232/RS485/USB集線器，可以將多個傳感器接入電腦終端。接入傳感器的數目越多，這種有線傳輸方式的弊端也越來越明顯，影響了容柵傳感器的使用范圍。其弊端主要表現在以下幾個方面:

◆ 傳輸距離有限，一般限制在1.2 km以下。

◆ 多個接入困難，必須使用中間設備(集線器)才可接入多個傳感器。

◆ 占用空間，傳感器的接入需要外接電纜，電纜越長占用的空間越大，使用的局限性就越大。

◆ 使用地域有限，不支持異地測量。

隨著WIFI技術的發展，本文設計了一種基于WIFI技術的智能容柵位移傳感器，不但解決了上述弊端，還增加了容柵位移傳感器的使用范圍。

1　原　理

WIFI智能容柵位移傳感器的硬件結構圖如圖1所示。

圖1　硬件結構圖

電路設計主要包括5部分：容柵測量電路、SAMD20/21控制核心、ATWINC1500 WIFI驅動電路、電源管理和電池管理電路，各部分電路說明如表1所列。

其工作時，系統上電時，由電池管理電路判斷并切換供電電源，輸出電壓經電源管理電路轉換后分別向各個模塊電路單獨供電，此時由系統的控制核心SAMD20/21監測容柵測量電路的輸出數據，接收到輸出數據通過控制核心程序，按照動柵協議轉換成計算機可以處理的浮點數，最后啟動WIFI驅動電路，按照通信協議規定將數據打包并發送到接收終端(PC機)，接收終端在接收到數據后再進行存儲或專業處理。

表1　電路說明

2　程序設計

(1) 硬件程序

WIFI智能傳感器的原理結構框圖如圖1所示，整個系統的實現需要解決的問題主要有：動柵模塊輸出數據解析，需要將動柵模塊的輸出數據讀入并解析成控制器可以識別的數據；參數存取，需要將一些系統工作需要的重要參數存儲在非易失性存儲器中；WIFI控制，該裝置將讀取的數據通過WIFI控制器上傳到數據終端(數據中心，移動終端和智能手機等);任務運行控制，用來控制整個程序的運行和調度；功耗管理和其他處理。程序結構圖如圖2所示。

圖2　轉換裝置程序結構

(2) 專業處理軟件結構

大部分的傳感器上傳數據都需要使用電腦終端機來處理，本文描述的終端機通過讀取數據轉換裝置WIFI上傳的數據，將其存儲成文件并可進行分析，由于篇幅有限，本文僅對其實現的一部分UDP數據的實現進行描述，其程序結構如圖3所示，主要包括6部分：端口監視、數據解析、數據處理、數據顯示、數據存儲和數據分析。

圖3　終端機數據處理平臺結構圖

3　實　現

3.1SAMD20/21

SAMD20/21采用ARM Cortex-M0+處理器核心，最高主頻為48 MHz， 2.14 Core mark/MHz，運行模式下能耗低至70 μA/MHz，繼承了ARM Cortex-M0+高效能比的優良特性。獨有的事件觸發系統(Event System)在實時應用中為功耗敏感的設計提供了強有力的保障。內部集成的存儲資源包含256 KB的Flash和32 KB的SRAM。在目前主流采用了ARM Cortex-M0+內核的微控制器中，這已經是相當豪華的配置了。其還使用64引腳的QFN封裝，對于電子發燒友來說，這是一個可以方便焊接的封裝。基礎通信總線接口方面，集成了6個通用串行通信接口(Serial Communication Interface, SERCOM)，每個接口均可通過軟件配置成 UART/USART、SPI 或I2C總線的任意一種工作模式。高級通信總線接口方面，內置的嵌入式全速USB2.0模塊支持主機和設備兩種模式，配備96 MHz 音頻流分數PLL的雙通道I2S接口。模擬外設方面，集成1個20通道的16位高精度ADC、1個12位的DAC、2個模擬比較器，以及豐富的GPIO和眾多功能強大的定時器模塊。

SAMD21J18A微控制器除了豐富特定的片內資源，還具有從SAMD20系列向上兼容的特點，全速USB、高端定時器在特定的工業領域扮演著重要的角色，而高精度的ADC、DAC，保證了其在計量等專業領域的用武之地。

3.2ATWINC1500

Atmel SmartConnect——WINC1500 是一 種支持 IEEE 802.11 b/g/物聯網控制標準的片上系統，該系統主要針對低功耗移動應用進行優化。 支持單流802.11n模式，提供了72 Mbps PHY 速率。片內集成了功率放大器、 LNA、開關和功耗管理。 ATWINC1500內部集成 了Flash 和外圍接口(包括UART、SPI、I2C總線) 。支持(12～32 MHz)寬范圍的外部時鐘源，支持QFN封裝。

3.3程序流程

工作流程圖如圖4所示。整個系統調度的核心為命令處理，整個系統在工作時，一直處于接收數據狀態，當接收到命令數據時，按命令來對數據進行處理。本系統的命令主要包括啟動采樣、關閉、休眠和設置參數等，正常情況下，設備在接收到啟動采樣命令才會讀取容柵傳感器的數據，并將數據通過WIFI上傳到主機，主機在把接收到的數據進行存儲、處理和分析。

3.4專業數據分析軟件

本文描述的數據分析軟件是在WIN10操作系統上，使用Visul studio 2013開發的，可以實現大部分的數據操作，包括數據存儲、數據分析等，由于篇幅有限，本文只提供其主要界面和數據分析曲線，如圖5所示。4幅圖分別是：接收數據界面、實時曲線、系統事件記錄和數據分析曲線。此外，版本軟件還支持將數據導出存成EXCEL和記事本格式的文件，方便用戶做進一步的分析。

圖4　程序流程圖

結　語

按照本文描述所開發出來的數據轉換裝置，不但實現了容柵數據轉換的基本功能，如現場數據的采集、存儲和發送，而且利用其WIFI接口提供的強大功能和豐富的硬件資源，也可將一些復雜和實用功能(如與智能手機互聯、Email數據發送、Web數據發布和應答式數據響應等功能)集成到本系統中。通過本文描述開發的數據轉換裝置，具備傳統裝置所不具備的優勢，主要表現如下：

① 可以應用在現場無電源的野外，由于本系統支持鋰電池供電，在無外部電源的情況下也可以正常工作。

② 支持無網環境工作，在無Internet的環境下，只需對無線路由器進行簡單設置就可使裝置正常工作。

圖5　版本1.0數據分析軟件運行主界面和數據分析曲線

③ 自動組網，當多個設備同時接入時，這些設備將自動獲取IP，組成局域網，形成測試網絡，從理論上講，一個UDP端口可以接入253個傳感器，端口取值范圍為1～65 535，平臺可以接入65 535×253個傳感器，增大了測試系統的應用范圍。

④ 支持異地測量，由于網絡技術的發展，支持網絡的地區也越來越多，因此異地測量就成為可能，在進行異地測量時可以將MQTT通信數據集成到本系統中來實現。

⑤ 可以與智能手機(iPad、平板電腦等)互連，本裝置可以使用UDP數據，或者是Email、TCP、MQTT利用web發布與智能手機建立連接。

隨著WIFI技術的發展，支持WIFI接口的設備也越來越多，WIFI技術本身的技術優勢也使本裝置的應用領域進一步擴大，而且本裝置使用的技術具有一定的典型性，非常適合在其他領域推廣。

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于興晗(水利工程師)，主要從事水利、數據采集和嵌入式開發方面的研究。

Smart Capacitive Displacement Sensor Based on SAMD20/21+ATWINC1500

Yu Xinghan

(China Institute of Water Resource and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

In this paper,a WIFI smart capacitive displacement sensor is designed which uses SAMD20/21 and ATWINC1500.The principle and related technologies are introduced in detail.The sensor can upload the measured data to internet through the WIFI,and the remote terminal can receive and process the data.The method not only can realize the remote measurement,but also can realize the multiple sensors network and the collaborative processing.So the design can expand the usage range of the capacitive grating displacement sensor.

capacitive;displacement sensor;WiFi;SAMD20/21;ATWINC1500

TP212

A

(責任編輯：楊迪娜2016-03-16)