基于STM32的无线瞬态温度测试系统

２０１４年第３期仪表技术与传感器ＩｎｓｔｍｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ２０１４Ｎｏ．３基于ＳＴＭ３２的无线瞬态温度测试系统李立煌，张志杰，梁杰，轩志伟，张霞（中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原０３∞５１）摘要：针对现行瞬态温度测试方法的不足，设计了一种基于嵌入式和ｗＩＦＩ技术的具有无线控制与数据传输功能的温度测试系统，实现了多路数据同时采集、数据存储以及远距离传输。文中对该测试系统硬件和软件都做了具体阐述，并对它进行了相应的具体实验。试验证明，该测试系统体积小、功耗低、操作简单、数据可靠、传输距离远、可行性高。关键词：ＳＴＭ３２；ＷＩＦＩ；瞬态温度测试系统；实时传输中图分类号：’ｒＰ２９文献标识码：Ａ文章编号：１００２一１８４ｌ（２０１４）０３—００９６—０２Ｗｉｒｅｌｅｓｓ（ＮｏｒｔｌＩＵＩｌｉＶｅ璐ｉｔｙＴｒａｎｓｉｅｎｔＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴｅｓｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ＬＩＬｉ—ｈｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧｚｈｉ－ｊｉｅ，ＬＩＡＮＧｊｉｅ，ＸＵＡＮｚｈｉ—ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧＸｉａ０ｆＣｍｎａ，ＫｅｙＬａｂｏ隋ｔｏｒｙｏｆＩ璐ｔ咖ｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆脚ｌａｍｉｃＭｅａ轴弛ｍｅｎｔ，Ｔａｉｙｕａｎ０３伽晤ｌ，Ｃｈｉｎａ）ａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂ鹊ｅｄｏｎｋｉｎｄｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｔｈｅＳＴＭ３２ａｎｄＷＩＦＩｔｅｃｈｎｏｌｏ斛，ｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．７１１ｌｅｓｙｓｔｅｍｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｄａｔａａｎｄａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔａｓｔｏｒａｇｅａｎｄｒｅｍｏｔｅｔＩａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｋｅｓａｍｕｌｔｉｐｌｅｓｐｅｃｍｃｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｍｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｓｍａｌｌｖｏｌｕｍｅ，ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ，ｓｉｍｐｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｌｅｄａＩａ，ｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｍｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｌｌｄｈｉｇｈｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２；ＷＩ兀；ｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ；ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌ无线瞬态温度测试系统总体结构总体结构分为：传感器适配电路、数据采集及状态检测模爆炸场温度测试的需要…。整个电路由电源管理提供＋５Ｖ的电压，传感器输出信号经过仪表放大器和程控放大器的放大，通过运算放大器及电阻、电容组成的带通滤波电路以达到电路ＡＤ的采样要求Ｂｏ。２．２块、ｗＩＦＩ无线模块、无线接入点、上位机软件等。系统总体结构如图１所示。无线接入点２ＳＴＭ３２现行的测试系统控制电路多采用ＦＰＧＡ或ｃＰＬＤ芯片作为温度传感器貅Ｈ耋记录彼无线接入点１核心控制器，文中设计的测试系统采用了一块基于ＡＲＭ处理器的ＳＴＭ３２芯片。ＳＴＭ３２系列采用高性能、低成本、低功耗的ＡＲＭｃｏｎｅｘ—Ｍ３内核。它的功耗仅为３６ｍＡ，是３２位市场上功耗最低的产品，相当于０．５ｍＡ／ＭＨｚ．根据实际需要，设计中图ｌ无线瞬态温度测试系统总体结构该系统选用的是ｓＴＭ３２Ｆ１０３ＣＢ芯片。该芯片性能参数：工作温度范围为一４０—８５℃；最高７２ＭＨｚ工作频率；内含１２８Ｋ字节的闪存程序存储器；内嵌２个１２位模数转换器，转换时间为ｌ仙ｓ（多达ｌＯ个输入通道）＂１。２．３控制电路控制电路主要由电源管理、复位电路、存储电路、下载串口电路、ｕｓＢ接口电路、ｗＩＦＩ接口电路等构成。电源管理为ｓＴＭ３２Ｆ１０３ｃＢ提供３．３Ｖ的工作电压，该芯片由１个８ＭＨｚ和１个３２．７６８ｋＨｚ的外部晶振为系统提供基本的时钟信号。芯片内置的ＡＤ将适配电路信号转换为数字信号，然后将数据存储到ＦＬＡＨ中，或无线传输给上位机。控制电路硬件设计框图如图２所示。２．４无线电路无线电路主要由射频模块及无线接入点构成。射频模块选用一款成熟的ｗＭ００ｌｓｗＩＦＩ模块。该模块集成微控制器和８０２．１ｌ工作原理：温度传感器检测到信号的变化后，经过适配电路的放大及滤波，达到采样的要求；由Ｓ１Ｍ３２对信号进行ＡＤ转换；转换后的数据通过无线局域网实时传输到上位机，或存储到ｎＡｓＨ存储器中，实验结束后使用ｕｓＢ接口进行现场采集。２硬件结构设计设计硬件主要由３部分组成：传感器适配电路、控制电路、无线电路。２．１传感器适配电路传感器适配电路主要由电源管理、程控放大器、运算放大器、低通滤波器等组成。瞬态温度测试环境下，采集温度的瞬时变化，要求温度传感器具有极快的瞬态温度响应，因此设计选用了Ｅ１２钨铼侵蚀热电偶。该型号热电偶瞬态温度响应时间仅为几百斗ｓ，温度测量范围高达０—２３２０℃，耐压程度高达６９ＭＰａ．完全能够满足收稿日期：２０１３一０８—２１收修改稿日期：２０１３—１０一ｌｌｂ／９２．４ＧＨｚ无线射频收发芯片为一体。模块通过串口万方数据第３期与控制电路进行通信。李立煌等：基于Ｓ１’Ｍ３２的无线瞬态温度测试系统面直观明朗，操作简单方便。在ＬａｂＶＩＥｗ中包含了所有ｓｏｃｋｅｔ通信模块。设计中将上位机作为服务器，测试设备作为客户端进行ｓｏｃｋｅｔ通信。ｓｏｃｋ—ｅｔ连接分为３个步骤：服务器监听即服务器实时监听网络状态；客户端向服务器ｓｏｃｋｅｔ提出连接请求；连接确认即服务器响应客户端请求ｐ・。设计软件功能主要包括：状态检测；参数设置；数据读取；数据保存；数据显示；数据分析。软件结构如图５所示。图２控制电路硬件设计框图无线接入点即无线ＡＰ（ＡｃｃｅｓｓＰ０ｉｎｔ），是用于无线网络的无线交换机，特别适合ⅥＦＩ网络覆盖及远距离无线传输。系统选用型号为ＮａｎｏＳｔａｔｉ佣Ｍ２的无线ＡＰ，工作在２．４ＧＨｚ频段，系统增益在１０．４～１１．２ｄＢ，支持８０２．１ｌｂ／ｇ、８０２．１ｌｎ多种传输协议”］。在实际测试中将所有ＡＰ设置在同一个信道，只需要对ｗＩＦＩ模块和ＡＰ进行简单的ＩＰ地址、子网掩码、网关及工作模式等设置，使带有ｗＩＦＩ模块的测试设备为客户端，ＡＰ为服务器。所有ＡＰ组成一个无线局域网，设备上电就会自动挂载到ＡＰ，实现测试设备与上位机的通信。无线网络框图如图３所示。图３无线网络框图３软件设计为了实现测试设备与上位机之间进行可靠的数据传输，选用ＴＣＰ／ＩＰ协议作为传输协议，测试设备作为客户端，上位机为服务器，进行单点对单点的数据传输。软件设计主要分为两部分：ｓＴＭ３２Ｆ程序及上位机软件。３．１Ｓ’ｎ位２ｎ∞ＣＢ程序设计编程软件选择界面简单、操作方便并同样适用于单片机的ＫＥＩＬ．程序编程主要包括ＡＤ通道配置、串口配置、ＤＭＡ中断控制、数据存储转发等。配置端口ＰＡｌ—ＰＡ６为ＡＤ输入端，可以将输入的信号转化为数字信号进行存储等处理；ｕｓＡＲＴｌ配置为普通串口，可以使用该端口下载程序，也可以使用ｕＳＡＲＴｌ作为ＷＩｎ模块的控制端口，将采集到的数据转发出去。程序流程图如图４所示。图４程序流程圈３．２上位机软件设计设计上位机软件选用图形化编程语言ＩＪａｂＶＩＥｗ．它提供了丰富的外观与传统仪器类似的控件，采用数据流编程方法，界万方数据图５软件结构图实验选在１片１０ｋｍ２的空旷地带，电路设计选用６通道的ｍ，如图３连接，ＡＰｌ与ＡＰ２用网线连接，２ｋｍ外架设ＡＰ３。圈６传感器布设图用火药爆炸模拟瞬态温度测试环境，上位机在远端接受信号，实验实测温度曲线如图７所示。图７为一次实验中一只热电偶传感器捕捉到的温度变化曲线，表１列出了同一只传感器，其中两次实验的结果分析。表ｌ两次实验结果分析（下转第１００页）４实验结果ＡＤ输入信号。在该空旷场地沿直线架设３个ＡＰ，架设高度均为５在ＡＰｌ覆盖范围之内，以爆心为中心，离爆心不同距离的位置布设测试传感器，在ＡＰ３处连接上位机。布设图如图６所示。１００Ｉｎｓｔｍｍｅｎｔ７ＩｋｈｎｉｃｎＪｅ锄ｄＳｅｎ蚶ＭａＬ２０１４鲥ＤＧＮＤ露面ＧＮＤＥＮＡＧＮＤ摩：Ｃ笔呵ＩＩ甜∞轴焉三＝一．Ｄ图４一路超声波接收电路ＧＮＤＬＥＮＡＢＸＯＸｌ】【２ＶＣＣＥＮ、℃ＣＡＢＸ０Ｘ１）【２ＸＸＹｏＹｌＹ２ＹＹＯＹｌＹ２Ｙ图５峰值包络检波器电路ＶＣＣＢＸＯＸ１Ｘ２ＸＹＯＹＹｌＹ２ＧＮＤＶＥＥＧＮＤＶＥＥＧＮＤＶＥＥ占＿ＤＭ７蛆㈣５２Ｍｍ而圈６多路模拟转换开关［２］何希才．传感器技术及应用．北京：北京航空航天大学出版社，２００５．［３］王之海．数字化印刷设备接口技术开发：［学位论文］．北京：北京工业大学，２００８．（上接第９７页）的远距离无线数据采集系统。该系统克服了现行存储测试系统中数据读取繁琐、布设复杂、未能实时监测设备工作状态的蚪・。羞；■ａＥ缺点，操作员可以在离测试地点数公里外的安全地带实时监测和控制设备，给测试工作带来了极大的便利。参考文献：［１］张晶，基于ｃＰ【Ｄ的低功耗爆炸场温度测试系统．电子设计工程，２０１２，２０（２）：９ｌ一９３．［２］张哲，冲击波场无线传感器节点设计与实现．太原：中北大学，２００９．［３］ＹＩｕ、墨灌、型Ｉ型Ｉ。皇一壤、鬟一灌羔ｊｉｌ点ｊ｜Ｊ．，ｎｌｅＤ曲ｎｉｔｉｖｅＧｕｉｄｅｔｏｔｌｌｅＡＲＭｃｏｒｔｎ—ｈＢ．宋岩，译．北京：北京航空航天大学出版社，２００９：ｌ一３４８．［４］曾强．基于ＡＲＭ的ｗＩＦＩ无线传感器网络的设计与实现：［学位论文］．太原：中北大学，２０１２．图７实测数据［５］姚娟．基于ＩＪａｂｖＩＥｗ和ＴＣＰ的数据采集系统设计与实现．测控技术与仪器仪表，２０１２。３８（７）：７２—７４．作者简介：李立煌（１９８９一），硕士研究生，主要研究领域：电子与通信工程及可编程逻辑器件在测试系统中的应用。Ｅ・ｍａｉｌ：ｌｉｌｉ—ｈｕａＩｌ９０８０９＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ＿经过多次实验，结果证实：该系统的数据传输速度快、误码率低、工作稳定有效，具有很好的实际应用性。５结束语文中设计了一种基于ｗＩＦＩ无线通信和ＡＲＭ嵌入式技术万方数据基于STM32的无线瞬态温度测试系统

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

李立煌， 张志杰， 梁杰， 轩志伟， 张霞， LI Li-huang， ZHANG Zhi-jie， LIANG jie， XUAN zhi-wei， ZHANG Xia

中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051仪表技术与传感器

Instrument Technique and Sensor2014(3)

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