基于STM32的管道變形檢測數據采集系統的研究與實現

熊治坤 陳金忠 馬義來 李春雨

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

油氣管道幾何變形檢測是油氣管道內檢測工作必不可少的一道工序，油氣管道幾何變形檢測設備的檢測能力直接影響幾何變形檢測結果的準確性和可靠性[1-2]。油氣管道的幾何變形檢測，一般需要若干變形傳感器實時并行采集管道變形數據[3-4]。尤其對于大管徑油氣管道，可能有數百個傳感器同時工作。為了解決多路并行數據實時采集問題，目前國內外設備多采用FPGA+ARM的架構方式[5]，基于此架構的設備存在結構復雜、調試煩瑣、功耗高、設備體積大、運行時長受限等弊端[6]。筆者針對以上存在的弊端，研究并實現了基于意法半導體32位微控制器（STM32）的多通道數據采集系統，成功研制了體積更小、功耗更低、結構簡單、操作便利的智能化油氣管道幾何變形檢測設備[7]。

1 硬件系統設計

1.1 硬件系統整體架構

系統以STM32F407VET6為核心處理器，通過ADC1的通道IN0～IN15連接16個變形傳感器。該處理器擁有SDIO接口，可以將采集的數據實時存入SD/TF卡中。存儲數據通過USB拷貝到電腦或者其他存儲介質中，也可以取出SD/TF卡進行數據拷貝。該系統還具有程序下載/調試功能（SWD）、慣導系統（INS）數據接口（RS422）、上位機通信調試功能（RS232）等。以STM32F407VET6為主控的硬件系統架構如圖1所示。相比以往的FPGA+ARM結構，該架構不使用FPGA和獨立的ADC芯片，因此功耗可以降低50%以上，操作也更加便捷。

圖1 硬件系統架構設計

1.2 數據采集與存儲設計

STM32F407VET6處理器具有3個12位模數轉換器（ADC），每個ADC可共享16個外部通道，支持單次轉換或掃描模式。ADC支持DMA控制器服務功能。為了同步A/D轉換和定時器，ADC可以使用TIM1、TIM2、TIM3、TIM4、TIM5或TIM8定時器中的任何一個觸發。該處理器自帶ADC，同時具有控制功能，無須使用額外ADC，節約硬件占用空間。

當VDDA= 2.4～3.6 V時，ADC的采樣時鐘支持0.6～36 MHz。ADC支持6、8、10、12 bit四種分辨率，分辨率越低，全部轉換時間越小。在fADC為 30 MHz，分辨率為12 bit的條件下，全部轉換時間（含采樣時間）為0.5～16.4 μs，這完全滿足油氣管道變形數據采樣率1 ksps的要求。

因此本系統通過定時器觸發ADC1采集傳感器信號，數據每秒存儲1次，通過SDIO方式存儲在TF/SD卡中，可支持儲存卡容量高達256 GB。數據采集與存儲原理圖如圖2所示。

圖2 基于STM32的數據采集與存儲原理

1.3 系統供電與其他接口設計

系統的處理器內核采用ARM? 32-bit Cortex?-M4 CPU，帶有FPU，工作主頻最高可達168 MHz；自帶存儲：1 MB Flash，192+4 KB SRAM，支持擴展NOR/NAND Flash、SRAM等；具有16-stream DMA，并帶有FIFO和支持突發模式。

系統采用內置鋰電池和外置電池組雙電源供電模式，其中內置鋰電池為主板供電，外置鋰電池組同時為系統主板、傳感器和INS供電，雙電源模式提高了系統的穩定性與可靠性。系統工作電壓設計為3.3 V，通過AMS1117-3.3芯片進行電源轉換并提供3.3 V工作電壓，具體原理圖設計如圖3所示。

系統通過USB實現上位機PC對信號數據的拷貝。INS提供設備運行姿態、里程等重要數據，其接口通過串口2經過MAX490ESA芯片轉換為RS422接口，具備抗干擾能力強、傳輸距離遠、適應環境條件更苛刻的特點。系統的程序下載與調試接口采用了SWD方式，相比常規調試接口，節約IO資源。系統擁有2個指示燈，LED2常亮標識系統供電正常，LED1常亮標識系統處于運行模式，1 s閃爍1次標識系統處于調試模式。原理圖設計如圖3所示。

圖3 電源供電與其他接口

2 軟件系統設計

2.1 軟件整體功能結構

軟件系統主要包括系統初始化、調試模式、運行模式。系統初始化部分主要包括HAL初始化、系統時鐘配置、延時初始化、GPIO初始化、RTC初始化、UART初始化、USMART初始化、TIMER初始化、SRAM初始化、SD初始化、USB初始化、AD初始化、DMA配置等。系統上電完成初始化，通過外部輸入進入調試狀態或運行狀態。調試模式包括參數配置、信號調試及系統供電檢測。運行模式包括4個功能：數據采集、數據存儲、供電檢測、日志文件。軟件系統功能模塊如圖4所示。

圖4 程序功能結構

2.2 ADC數據采集功能實現

系統的嵌入式程序基于MDK V5平臺進行開發，主頻配置為168 MHz，APB2時鐘配置為84 MHz，ADC采樣時鐘配置為21 MHz。ADC采集支持多種模式，為提高速度和性能，本系統啟用ADC1時，采用定時+DMA模式。ADC1基于定時器TIMER2每1 ms觸發1次采集，配置DMA2傳輸數據。

3 實驗驗證與現場應用

3.1 ADC全部轉換時間

系統配置ADC1的通道IN0～IN15進行數據采集，通過嵌入式程序配置系統時鐘為168 MHz，TIMER2定時間隔為1 ms，ADC采樣時鐘為fADC=21 MHz，分辨率配置為12 bit。數據采集通過DMA方式啟動，一次采集16個通道的數據。使用高速示波器（Tektronix MSO58）測量系統輸出低電平脈寬，實現16個通道數據全部采集并完成轉換使用的總時長的測量。本文驗證了6種采樣時間，分別為3、56、84、112、144、480個采樣時鐘，分別對應圖 5中（a）～（f）。全部轉換時間通過高速示波器（Tektronix MSO58）捕獲測量系統輸出低電平脈寬，具體如圖5所示。圖5中（a）～（f），使用示波器測量不同采樣周期下，ADC采集16個通道數據的總計使用時間，并與理論耗時進行對比驗證。實驗驗證了6組數據，計算了數據采樣率范圍在2.66～86.2 ksps，為后續變形設備數據采樣率選取提供了依據。

圖5 ADC總采集轉換時長

圖5 ADC總采集轉換時長（續）

將圖5中數據整理到表 1中并進行分析，可以得出實際測量值比理論值略大，因系統輸出狀態翻轉、函數調用還需要消耗時間。總體誤差在1%以內。16個通道最長的轉換時間約為375.378 μs（480個采樣時鐘），據此計算，16通道的數據采樣率可以達到2.66 ksps，滿足油氣管道變形數據采樣率的要求。16個通道最少的轉換時間不超過11.538 μs（3個采樣時鐘），則16個通道的數據采樣率可以達到86.67 ksps，若將采樣時鐘頻率提高，數據采樣率還可以進一步提高。

表1 理論值與測量值對比

3.2 ADC數據采集測試

系統通過ADC采集14種不同的電壓數據，同時采用是德科技KEYSIGHT高精度萬用表3458A測量電壓數據，并將2組進行統計和對比（見表 2），并繪制2組數據曲線（如圖6所示）。數據對比結果表明，ADC數據采集整體一致性良好，線性度良好，采集數據誤差在0.6‰以內，結果符合預期，滿足油氣管道變形數據采集精度要求。

圖6 ADC 數據采集實驗

表2 實測值與ADC采樣值對比

3.3 工業現場應用

該系統應用于φ355 mm油氣管道變形內檢測，在多個現場進行了多段工業應用，對于油氣管道變形特征的識別率高，能清晰地識別油氣管道的典型特征。系統在現場應用時，采集到如圖7所示的一些典型特征，可見信號特征辨識度高。

圖7 管道缺陷典型特征

從某地φ355 mm油氣管道變形內檢測數據分析報告中，提取了3處較大變形，見表3。

表3 管道幾何變形分析數據點

根據表3的數據分析結果進行了開挖驗證，實際開挖情況見圖8。

圖8 管道內檢測幾何變形開挖驗證

通過對表3與圖8的數據進行對比分析，系統變形檢測數據與實際開挖驗證數據有一定誤差，開挖數據最大誤差為0.71 mm，精度滿足項目要求。

4 結論

本文設計的基于STM32片內ADC實現多通道數據實時采集系統，對電壓信號采集實時性好、分辨率高（12 bit）、精度高（0.6‰）、采樣率高（2.66～86.67 ksps）。本文通過純ARM架構解決了結構復雜、調試煩瑣的問題。對比FPGA+ARM架構，本系統整體功耗降低了50%以上，從根本解決了功耗問題。本系統利用STM32片內ADC，更高效地進行數據采集，節省了獨立的ADC，從而也節約了硬件成本。整個系統使用元器件數量更少，解決了設備小型化難題。因此本文研制的設備特點如下：功耗低（<110 mA@5V）、體積小（核心PCB尺寸：40 mm×50 mm）、成本低、可靠性高、安全性好、抗干擾性好。該系統支持多種實時操作系統，如UCOS、FREERTOS、RT-Thread等。其為后續系統級聯奠定了基礎，該系統的可擴展性增強，更加靈活適用于油氣管道內檢測。