STM32大气波导数据采集和传输系统设计与实现

张 瑜， 朱双龙， 任 朔， 王方方

(河南师范大学电子与电气工程学院，河南 新乡 453000)

0 引 言

低空探测和通信已成为现代战争的主要方式之一。由于受到地球凸起曲率的影响，低空无线电波传播距离一般只能达到几十公里。为了扩大无线电系统的作用范围，利用大气波导效应实现无线电超视距通信或探测是目前较为有效的方法之一[1]。这种方法也是目前岸基和舰船无线电系统实现超视距作用的主要方法。

岸基、舰船上的无线电系统主要的环境是近海面大气，大概率产生的大气波导是蒸发波导。为了实现低空无线电系统的超视距作用，关键是要得到蒸发波导的特征参数。测量蒸发波导的方法主要分为3类[2-4]：第一类是利用蒸发波导预测模型得到反映蒸发波导信息的折射率剖面，进而得到其特征参数。目前这类方法的主要模型有PJ模型、伪折射率模型和海气通量模型等[5]。由于这些模型都是依靠经验公式得到的，存在较大的误差，其预测精度都不高，不能精确获得蒸发波导特征参数。第二类是采用直接测量系统。这类测量设备主要有两种，一种是利用气象测量仪器测量不同高度处的大气温、压、湿参数，再通过相关公式得到折射率剖面，主要有高精度气象仪和GPS探空仪。由于这种设备受传感器精度和相关计算公式误差的影响，获得大气波导特征参数的精度也不高。另一种是利用高精度的微波折射率仪直接测量大气折射率，这种方法得到的折射率剖面是目前精度最高的。第三类是基于雷达海杂波的反演算法[6]。这类方法由于反演算法目前还不成熟，且算法本身的缺陷也制约了反演精度，同时也会受到海杂波中其他干扰信号的影响，因此精度较低。相比较而言，直接测量方法是获得高精度蒸发波导特征参数较为实用的方法。

直接测量大气折射率剖面常采用测量设备随高度升高的方式，这就需要将测量数据进行采集与传输到地面处理设备中。鉴于目前常用的采集和传输速率较低[7-8]，传统的数据传输方式为有线传输。有线传输在实验或者使用过程中，由于线缆的杂乱无章会带来一些使用的麻烦。同时现代无线数传技术也在飞速发展，目前主要有蓝牙无线数传、WLAN无线数传、ZigBee无线数传和串口无线数传等等。但是自身也都存在着不足之处，蓝牙无线数传存在传输距离短，传输速率低等问题，WLAN无线数传和ZigBee无线数传在传输距离和速率上满足要求，但存在安全系数不高，成本较贵和功耗较高等问题。串口无线数传是一种常见的无线数传方式，能满足本系统对传输距离和传输速率的要求，且成本和功耗较低，可长时间连续工作，操作简单等，是最为符合本系统的无线数传方式。

为了获得高精度的详细大气波导参数，研制了基于STM32的高速蒸发波导数据采集和传输系统。不仅能够满足数据采集速率和数据处理速度的要求，也通过采用无线数传系统，解决了传统有线传输线杂乱无章的问题。另外，为了防止采集数据因其他故障而丢失数据，增加了实时数据存储单元，方便备份，随时存取。

1 高速数传系统的总体设计

测量大气波导的主要传感器为微波折射率仪、气象传感器和高度传感器。微波折射率仪输出参数为大气的折射率，气象传感器输出参数为大气的温度、气压和湿度，高度传感器输出参数为测试设备的离地高度。由于这些传感器输出都是数字信号，因此不需要进行A/D转换。

高速数传系统主要由各类传感器、RS485转换模块、STM32F103模块、实时存储模块、无线传输模块、上位机、电源等硬件和对数据进行整理编辑、通信等软件组成，如图1所示。

图1 高速数传系统组成

高速数传系统在工作时，首先将微波折射率仪、气象传感器和高度传感器采集到的数据通过RS485模块信号进行格式转换，然后再传输到STM32F103模块中。在STM32F103模块中不仅对数据进行处理和编辑，按照约定的数据帧格式进行排列，以满足无线传输对数据格式的需要，而且也将编辑后的数据在实时存储模块中进行存储，同时，也通过RS485模块将数据传输到无线传输模块进行数据无线传输。无线接收模块接收到数据后传输到上位机，上位机数据进行处理，最后得到相关的蒸发波导特征参数。

2 高速数据采集系统构成和数据编辑设计

2.1 高速数据采集系统构成

高速数据采集系统的主控核心是STM32F103单片机，在这里所使用的单片机是32位的控制器[9-11]，相比之前的4位和8位单片机，具有高性能、高速率、实时性强和低功耗等优点，可满足系统的采集精度和数据处理编辑速度。

折射率仪传感器是自主研发的一款能精密测得大气折射率的仪器，使用该传感器可以得到目前最为精准的大气折射率参数。

折射率仪传感器可直接输出大气的折射率。高度传感器采用激光测距传感器，其测量参数为测试设备当前位置的离地高度H。

气象传感器测量到的温、压、湿等气象参数可由下式计算出折射率N：

式中：N——折射率；

P——大气压强，hPa；

T——大气温度，K；

e——大气湿度(水气压)，hPa，可由相对湿度计算出来[12]。

根据高度传感器得到的高度H和折射率N值可得到修正折射率M剖面：

式中：M——修正折射率；

N——折射率；

H——测量高度，m；

R——地球半径，一般取6 371 km。

3个传感器采集的数据信息通过RS485模块直接传输到STM32F103单片机控制系统进行处理。系统软件程序采用模块化编程思想，利用 Keil uVision5 开发环境，使用C语言编写实现。系统主程序分为数据采集模块、存储模块和控制输出模块。

在Keil uVision5中进行程序设计如下，在系统上电后，首先进行各个模块的初始化，为了使数据稳定，在等待30 s后进行数据采集和传输。随后判断是否接收到上位机转换指令，若无指令，则开始进行大气波导测量系统的正常数据的采集和传输，传输频率以默认的10/s进行工作；若接收到指令，则进入折射率仪实时监控子程序，进行折射率仪传感器的单独测量模式。在此单独测试模式中，可以选择实时采集的发送的频率，共设有1/s、4/s、10/s、100/s 4个频率可供自主选择，频率选择指令将从上位机发送到主控中心，主控中心进行采集和发送频率的切换，开始进行以自主选的择频率进行折射率仪传感器的实时监控，流程如图2所示。

图2 程序流程图

2.2 数据编辑设计

传感器采集的数据信息传输到STM32F103单片机时，由于传感器传输的数据不能被单片机直接识别处理，因此需要数据格式的转换。在传感器和单片机之间需要接入RS485转换电路[13]，传感器传输的数据信息通过该转换电路到达单片机。RS485转换电路如图3所示。

图3 RS485转换电路图

RS485转换电路将把传感器发出的RS485电平转换为单片机可以进行识别和操作的TTL电平，通过单片机对数据进行编辑后再将单片机发出的TTL电平转换为可以在线缆中高速通信的RS485电平。

电路采用TD5（3）21S485H转换模块，将连接外设的传感器所传输的数据信息通过传输线缆和传感器接口航空头连接到P4P和P4N上，通过此电路完成数据信息从外设传感器到RS485数据接口上，在TD5（3）21S485H数据接口上有引脚3、4分别为TX和RX，将这两个引脚接到主控单片机的串口，以上两个过程同时进行，就完成了数据信号从传感器到主控模块单片机的传输。

数据信息到达单片机后，单片机对各类传感器的数据信息进行综合处理，对数据格式进行编辑，按照一定的格式发送到上位机或存储到本地实时存储模块中。各类数据信息编辑的格式如下：

1)串口参数：9 600，8，1。

2)上电默认标准模式：每秒传输10帧常规数据，帧头0x4E，校验位0xFB，帧格式详见表1。

表1 帧结构

3)常规数据帧采用HEX格式直接连续发送，帧长固定12B，无效数据用FF填充，气象和高度传感器以最新读取数据为准，帧结构如表1所示。

数据信息在单片机整理编辑完成后，串口发送输出，再经过RS485转换模块到无线数传模块发送到上位机。

3 数据传输单元与存储单元设计

3.1 数传单元的设计

传统的数据采集和通信过程中，采用的都是有线传输，有线传输的优点是可靠性高。但是在一些特定的条件下，无法进行有线传输（如在高空进行信号的采集，传输线太长且重而无法使用等）时，无线传输优点就很明显[14]。无线传输克服了有线传输的缺点，随着无线通信技术的发展，采用无线传输也可以保证通信的可靠性。

在大气波导高速数据采集和数传系统中，采取的信号传输方式是无线传输，采用的无线传输结构是对称结构，收发一体，自动选择的，因此无需区分发射端和接收端，方便实用。在实际测量中，只需要在接收端（任意一段）连接上位机，发送端（另外一端）连接数据采集系统，二者进行采集系统与上位机之间的信号传输，上位机通过无线传输发送指令，控制系统的工作状态。图4给出了无线传输原理图。由数据采集器将采集到的数据通过串口接传输线连接到无线模块1进行发射，在接收端是由无线模块2接收，再通过传输线连接上位机串口进行数据处理。

图4 无线数传示意图

本设计使用的是AS30-TTL-100无线传输模块，AS30-TTL-100是一款433 MHz、100 mW，具有高稳定性，工业级的无线数传模块。采用Silicon Labs的Sl438设计开发，TTL电平输出。模块共有4种工作状态，并可以在运行时自由切换，在省电工作状态下，消耗电量极低，非常适合超低功耗使用。引脚连接图如图5所示。

AS30-TTL-100无线传输模块在使用过程中，发送端与串口相连接，连接方式见图5，发送模块必须工作在唤醒工作状态下，默认波特率为9 600 B/s，可调节。使用之前，首先进行两端的配对连接，配对连接完成后，再进行数据传输。发送数据后，具有相同地址和相同信道的模块均可接受，发送与接受数据完全相同，所发即所收。在发送时，也可指定模块接收，与指定模块具有相同地址和相同信道的模块均可接受，允许多模块接收。当在无工作状态时，发射模块处于省电工作状态下，需要唤醒码唤醒，发送端在“监听”过程中受到唤醒码，等待2 s，进入唤醒工作状态，开始工作。此时发送端处于唤醒工作状态，接收端处于省电状态，当开始发送数据前，发射模块可以在空中点醒接收模块，此时发送端和接收端都处于工作状态，收发数据。若无唤醒码，则发送端和接收端则一直处于省电状态，低功耗运行，直至收到唤醒码。

图5 引脚连接图

在接收端可以通过串口连接到上位机端，在上位机可以通过串口助手进行数据解析或者参数设置。在大气波导测量系统中，连接到上位机后，通过大气波导参数分析软件进行数据解析和处理，得到大气波导参数。经过试验证明，此无线数据传输通信系统十分符合大气波导测量系统的需求，传输数据方便快捷，传输距离可达几百米。

3.2 存储单元的设计

本设计存储模块采用的是Flash存储器[15]，保证数据存储，实施掉电保护。设计采用AT24C02的128MbitFlash存储器，在实际测量过程中，可以通过软件界面操控存储数据的格式，格式一是所有数据全部存储，这样存储可以避免数据的丢失，但是存储数据量大，所占空间大；格式二是合并存储，并不是每组数据都进行存储，而是在单片机内部将每4组或者每10组数据计算平均值，形成一组数据进行存储，这样可以最大地减少存储字节数量，延长存储器每次存储的时长，在存储器存储容量不够时，可时及时取出和清空。

4 实验测试与分析

在软硬件设计完成后，对本设备的各类指标进行了设计，在能保证系统性能的情况下，尽可能小型化。主要对以下几方面进行设计，详细指标如表2所示。

表2 详细指标

为了验证系统的采集速率和处理速率能否满足要求，在日照市的海边进行了实验。高速数传系统实验流程如下：

1)系统上电等待30 s后，开始自动传输，上电默认每秒采集10次，实验测试所得原始数据如图6所示。

图6 原始数据16进制码

2)根据此16进制码，由固定的传输协议可得到具体的温、压、湿、高度、折射率值等信息。在上位机端把16进制转换为具体参数数据，再利用上位机软件进行数据分析得到蒸发波导的具体参数信息。

实验所得的修正折射率M随高度H变化如图7所示，得到的波导层分布如图8所示。

图7 折射率随高度变化信息

图8 获得的波导层信息

在图8中可得到蒸发波导参数信息（包括顶高、底高、厚度、强度）。针对获得的波导参数可在其他软件上进行电磁波在波导层内的超视距传播情形，再根据不同的天线高度和发射仰角得到不同的传播路径，最终实现无线电系统实现超视距传播功能。

通过实验，将所得数据与传统蒸发波导测量系统的数据相比较，结果如图9所示。

图9 一般数据采集系统和高速数据采集系统的测量结果比对

经过对比可以看出来，在高速数据采集和传输系统中，不仅得到了10 m以下的波导层，还在24～27 m之间存在较小的波导层。而一般的采集和传输系统只能得到10 m以下的波导层，此波导层的详细参数与高速数据采集和传输系统得到的波导层参数几乎一致，但是得不到24～27 m处的波导层。也就是说，一般的采集和传输系统只能获得蒸发波导强度较大时波导特征信息，而高速数据采集和传输系统由于采集的数据较多，速率快，可以得到强度小得多的波导层，因此无论蒸发波导强度的大或小，都能获得其特征信息。

5 结束语

基于STM32的高速蒸发波导数据采集系统是一种新型的数据采集和传输系统。使用的STM32F103单片机具有性能高、处理速度快、实时性强的优点，因此采集精度和采集频率也大为提高，采集频率可达到100/s，采用统一电源供电，大大提高了效率，同时也尽可能地降低了功耗。采用串口无线数据传输，避免了复杂的外部环境下传统传输线的局限性。因此该系统非常适合长时间、高精度、高频率、低成本的蒸发波导数据采集和通信工作。

本系统不仅仅适用于蒸发波导高速数传系统，还适用于其他的数据采集和传输系统，在其他的数据采集和传输系统中只需要对传感器和软件进行稍加改动即可。