[基于stm32的2401之间的传输程序]基于STM,32的高铁无线数据采集系统.docx

[基于stm32的2401之间的传输程序]基于STM,32的高铁无线数据采集系统摘要本文采用互感器的方式来实现大电压大电流的采集，并通过程序对采集误差的不断校正，提高了检测的精度；采用无线模块传输的方式解决了有高速铁路通过时无法近距离测量牵引电流电压的问题；采用组态王做为上位机监测界面，可实现无人值守、不用任何操作的自动采集和存储关键词】高速铁路无线数据采集互感器组态王为了安全的测试高速铁路线路上的牵引电流、电压，设计了一款无线采集传输设备本文采用STM32F103RBT6嵌入式处理器作为主控制器，Zigbee无线传输模块、互感器、液晶显示屏等，采用组态王作为上位机软件，设计了一款高铁无线数据采集系统，很好的实现了高速铁路线路上的测试牵引电流、电压的要求1高铁无线数据采集系统高铁无线数据采集系统由微控制器、互感器、信号放大跟随及转换电路、Zigbee室外无线模块、TFTLCD显示、Zigbee室内无线模块、组态王上位机等部分组成，高铁无线数据采集系统结构框图如图1所示2高铁无线数据采集系统的硬件设计2.1主控芯片及其外围接口的设计由于需要采集多路信号、TFT显示模块对于微控制器的处理速度和外部资源要求很高，因此微控制器采用了ST公司的STM32系列。

主控芯片采用新一代低功耗高速工业级芯片STM32F103RBT6，该芯片为“增强型”系列，时钟频率达到72MHz，具有ROM512K字节、RAM64K字节，普通I/O口为80个，具有8个定时/计数器，3个SPI、2个IIC、3个UART、1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART等，该处理器完全可以满足高铁无线数据采集系统的整体设计需求电源电路采用DC-DC模块作为初级电压转换，将12V转换为+5V和-5V，为外围芯片供电采用AMS-3.3芯片作为末级电压转换，为微控制器STM32供电，此芯片的输出电流可以达到1A，输入电压调节率小于0.2%，负载调节率小于0.4%，输出电压稳定看门狗电路采用美国IMP公司生产的系统μP监控芯片IMP706，IMP706能在上电、掉电期间或手动情况下产生复位信号，该器件内含有1个1.6s的看门狗定时器和4.4V的电源电压监视器主控芯片及其外围接口设计电路图见图2所示2.2互感器高速铁路轨道线路上的牵引电压范围约0-500V，轨道线路上的牵引电流的电流范围约0-1000A，电压和电流值较高，单片机不能直接采集，因此采用电压互感器和电流互感器来将原始模拟信号转换为单片机可以采集的信号。

2.2.1电压互感器电压互感器采用HWPT01微型精密电流型电压互感器HWPT01是一种电流型电压互感器，初级串入电阻，将电压转换成电流，经互感器后，次级输出电流信号经取样电阻转换为电压其输入电压范围为0-1000V，输入电流范围为0-3mA，频率范围为45-1250Hz典型应用电路如图3所示2.2.1电流互感器由于需要测试的最高电流过大，因此采用两级电流互感器，第一级为1000A到5A的转换，第二级为5A到5mA的转换，互感器分别采用KHCT9B1L系列开合式穿芯精密电流互感器和HWCT微型精密电流互感器KHCT9B1L系列开合式穿芯精密电流互感器初级输入电流范围为0-1000A，次级输出电流范围为0-5A，非线性度≤0.2%，此电流互感器可将最大1000A的输入电流转换为5A的输出电流HWCT微型精密电流互感器初级输入电流范围为0-5A，次级输出电流范围为0-5mA，精度：<0.1%，非线性度：<0.1%此电流互感器可将最大5A的输入电流转换为5mA的输出电流典型应用电路如图4所示2.3信号放大跟随及转换电路信号放大跟随及转换电路如图5所示，测试电压信号、电流信号经过互感器后，输出信号先通过LM158运算放大器进行反馈调节，在输出端得到对应的电压；然后再通过LM158组成的电压跟随器，使得输出信号与输入信号幅值和相位保持一致，且输入阻抗变低，提高带载能力。

跟随电路输出的信号经过AD637，得到信号的真有效值，方便单片机A/D转换器直接采集AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%宽带宽允许测量200mV均方根、频率最高达600kHz的输入信号以及1V均方根以上、频率最高达8MHz的输入信号2.4Zigbee无线模块发送、接收电路Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术其主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展本设计采用顺舟科技SZ05系列Zigbee嵌入式无线串口通信模块，采用了加强型的Zigbee无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组MESH型的网状网络结构。

Zigbee无线模块发送、接收电路连接电路如图6所示2.5TFTLCD显示互感器虽然在量程范围内不是完全线性，非线性误差较小，但1000A到5A的转化倍数为200，仍然会产生较大的误差，因此，在数据显示时还应增加数据校正功能，用来调整采集值的准确性数据显示采用TFTLCD显示，接口电路如图7所示　　TFTLCD采用了26万色的TFTLCD屏幕，分辨率为320×240，可以实现友好的人机接口界面显示，TFTLCD屏幕自带电阻式触摸屏，利用压力感应进行控制TFTLCD采用了Ilitek公司生产的ILI9320，可以通过多种并行通信方式与微控制器通信本设计采用TI公司生产的ADS7846作为触摸屏控制芯片，ADS7846内部集成了12位逐次逼近型A/D转换器，转换速率为125KHz使用时，ADS7846通过两次A/D转换得到触点位置的X、Y坐标，通过SPI总线与STM32通信，完成对控制信息的输入3高铁无线数据采集系统的软件设计3.1采集及传输设备软件设计方案采集及传输设备程序流程框图如图8所示，其软件大体分为数据采集与处理、数据显示与采集参数、无线数据的收发等三部分组成数据采集与处理：采用循环分通道采集，逐个将采集到的数据按顺序存放在数组中，将所有通道采集完后，进行数据处理。

由于电压互感器和电流互感器的线性指标不一致，因此电压和电流的采集量应分开处理数据显示与采集参数：由于电压互感器或者电流互感器的线性系数会随着输入信号的不同有影响，经过不断实验数据，最终将互感器的线性系数进行分段处理，这样有助于提高精确度在触摸屏采集到外部输入微调整系数后，再次将分段处理过的数据进行微调整，进行误差的矫正，以将误差减小到0.5%以下无线数据的收发：上位机通过串口将读取指令发送到Zigbee无线模块上，无线模块将读取指令下发，室外设备上的Zigbee无线模块接收到指令后，发送到单片机的串口上，单片机此时进入串口中断，通过对指令的解析，判断要读取的数据地址，然后将处理好的数据上传3.2组态王上位机软件设计方案组态王上位机与设备的通信协议采用组态王的通用单片机通用串口协议本设计共采集两路电流、两路电压值，在组态王上分别采用电压表和电流表的实时数据直观显示，并设计数据自动存储功能，历史数据报表，实时报表，实时曲线，历史曲线其中存储格式按照“年月日+时分秒+每路的电压/电流值”组态王上位机显示界面如图9所示4结语本文详细介绍了基于STM32F103RBT6的高铁无线数据采集系统设计方法。

该采集系统具有高精度、高灵敏度、人机交互、自动采集、设备安装使用方便等优点，适用于人无法靠近的危险场合的测试，具有广阔的应用前景参考文献[1]BruceCarter，RonMancini主编，姚剑清译.运算放大器权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2010.作者简介陈谊，工程师，主要研究领域为铁道信号作者单位西安思源科创轨道交通技术开发有限公司陕西省西安市710054。