基于STM32的气象采集系统的模块化设计

石林羚

摘要：为满足当前海洋气象数据参数的多样化，传感器种类增多的需求，设计了一种基于STM32处理器的模块化浮标数据采集处理系统。介绍了基于主机单元、传感器和北斗通讯系统的模块化数据采集处理的硬件电路，给出了各模块的软件流程。实际测试表明，该系统具有实时性、智能组合和扩展、高可靠性和维护性等特点，可靠运用于浮标系统的海洋气象数据的监测和传输。

关键词：STM32;模块化;气象数据;采集系统

0 引言

随着我国“数字海洋”建设不断深入推进，海洋观测已进入到对海洋动力、大气、环境、突发事件等实行全天候立体观测阶段，观测参数已从传统的风、温、湿、压、波浪观测扩展到盐、流、水质、碳氢、幅射、光照度等，传感器数量类型繁多，接口包括模拟、脉冲、数字（232、485、422等）等。复杂化带来了监测传感器的专业化和多样化，传统浮标单一采集系统已不适应传感器多样化的搭配组合，数据采集和处理的实时性已难以满足要求。

基于以上要求，本文研究的主要内容是基于CAN总线的模块化浮标数据采集处理系统。包括下位机软件和硬件的设计，以及CAN总线通信的应用。

1 系统硬件主要模块设计

1.1 系统硬件组成框图

1.2 系统的硬件部分主要由主控模块、采集模块和U盘存储模块和电源模块组成。硬件的组成框图如图1所示。

1.2.1电源供电模块

电源模块的电路设计考虑其输入电压范围应满足DC12V～20V，输出电压一方面作为控制器工作电源，另一方面为配置的传感器提供电源。从系统电源的负载来看，DC12的负载包括控制器、实时传输设备和大多数传感器，每个浮标的配置不同，总功耗不同，根据具体配置设计太阳能電池板的功率和蓄电池的容量。电源模块的输出负载根据目前配置过的负载，考虑一定的扩展容量，DC5V输出电流2A; DC24V输出电流为5A。

1.2.2主控模块

主控模块为设备控制中心，集数据处理、存储、通讯于一体，主要功能是采集与之连接传感器的数据，同时通过CAN总线与各采集模块通讯，接收各采集模块采集的传感器的数据，将所接收的所有数据进行处理后，存储在存储设备中，并通过北斗终端按工作周期发送至岸站。

1.2.3数据采集处理模块

模块的MCU采用超低功耗STM32 L4系列 - ARM CORTEX-M4 ULTRA-LOW-POWER MCUs为核心控制器。

采集模块的输入电源为DC5V，电源电路将DC5V通过自恢复保险连接5V转3.3V电路，DC3.3V为主控模块的数字电路供电，输出电流为0.5A;基准电压由3.3V转2.5V电压基准电路实现，为A/D转换提供基准。

采集模块对外设计了多路RS232电路、RS485通道。所有通道的电源为可控，电源为DC12V、DC24V、DC5V、DC3.3V可选，根据系统配置的传感器可将电源设置为间断上电或常通电。采集模块将采集的数据处理后通过CAN总线向主控模块传输。

2 系统软件主要模块设计

该系统软件是基于ARM Cortex-M4内核的，集嵌入式技术、CAN总线技术和模块化结构于一体的STM32低功耗单片机进行开发;使用具有友好交互界面的Keil 编译器进行编译。后续将开发基于操作系统的浮标采集系统软件。

该系统软件通过CAN总线网络将气象传感器的数据与主采集系统通信，和具有高可靠性、实时性和灵活性的优点进行模块化设计，具有可智能扩展A/D、RS232和RS485接口的各型传感器。该软件主要包括主控软件和采集板软件。

2.1 主软件组成框图如图2。

主控软件流程图如图3所示：

主控软件主要将数据采集板接受到的气象数据，按照预先定义的软件协议进行解析后，送实时数据显示，将周期数据进行打包，形成周期存储数据和周期传输数据。气象数据存储模块通过对SD卡的操作，将打包好的周期数据，存储至U盘。该通过CAN总线通讯，将同步信号发送至采集板，使主控板和采集板之间同步传输。采集板通过同步信号，判断是否开启传感器电源或传输数据至主控板。在数据传输方面，运用CAN总线传输技术;CAN总线传输采用非破坏性仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据。

2.2 采集板软件组成框图如图4。

采集板软件流程图如图5所示：

分别通过采集板的串口和AD口，按照时序接收到传感器传输的气象数据进行解析。采集板将采集到的传感器数据通过CAN总线传送至主控板。主控板按照规定的协议进行U盘数据打包和远程数据打包。

3.测试结果

在PC机上显示的测试结果如图6所示。将采集的气象、水文等数据通过CDMA网络、北斗卫星接收进行处理、存储及显示。

4.结束语

本文提出了一种基于STM32的气象采集系统的模块化设计方法，介绍了采集系统的硬件电路设计和软件结构设计。模块化设计和分层设计，保证软件的实时性和可靠性。

本系统于2016年10月至12月，进行了海上试运行试验，对设备全部功能进行全方位、长时间的测试。经测试，其性能稳定，测试数据准确，具有广阔的应用前景。

参考文献：（略）