SBE39-IM型温盐深仪IO功能的模拟设计，

　　摘要：为解决实验室某些海洋观测类IO设备价格昂贵、体积较大、数量较少的问题, 文中设计了一款IO设备模拟器。IO模拟器是一款模拟IO设备指令与相应响应的模块, 系统以STM32F103为主控制器件, 将Keil MDK-ARM作为软件平台, 通过学习实际IO设备的指令与响应, 模拟出实际IO设备的通信协议。文中主要介绍了模拟器的硬件搭建及软件设计。经实验验证, 该模拟器可在实验室的系统联合调试中代替实际设备, 也可以解决实际设备数量不足的问题。

　　关键词：模拟器; STM32; FLASH; 设备学习;

　　近年来, 各国为各自利益逐渐加强了海洋研究, 海洋观测方法日趋多样化, 海洋观测平台成为研究海洋的重要途径[1]。海洋观测平台由MCU控制, 外围接若干海洋设备终端, 如采用温盐深仪传输海洋温度、盐度、压力;多普勒流速剖面仪传输海流流速、流向等数据。一个成功的海洋观测平台的开发需要首先经过实验室的联合调试。

　　若干个课题组协同工作时, 经常共同使用有限个设备终端, 或者存在订货周期过长、设备出海等问题, 导致联合调试时因某些设备缺位而延长系统调试周期, 而模拟器可以较好地解决这些问题[2]。此模拟器无需深入了解设备的通信协议与数据格式, 只需对实际设备实现一次操作, 即可学习实际设备的通信协议, 最终达到代替实际设备参与系统调试的目的。

　　1、总体设计

　　系统总体结构如图1所示。

图1 整体框图

　　本文设计的模拟器由STM32F103微处理器模块、供电模块、LED灯指示模块、存储模块、串口模块、按键构成。按键用于系统硬件复位, 拨动开关选择系统工作模式, LED灯指示系统的运行状态, 存储模块用于存储系统数据, 防止掉电丢失。其工作方式分为两种, 一种是学习实际设备的指令与响应及实际设备收到指令与发出响应的时间间隔, 学习数据存入FLASH;另一种是模拟实际设备, 在收到上位机指令后, 通过字符匹配FLASH中的指令, 延长实际设备收到指令与发出响应的时间间隔, 回复与指令对应的响应。模拟器工作简图如图2所示。

图2 模拟器工作简图

　　2、硬件设计

　　2.1、存储模块

　　STM32F103内核为Cortex-M3, 采用ARM V7构架, 是现今性价比最高的一款ARM微控制器, 最高工作频率可达72 MHz, 该芯片具有64 k B SRAM, 512 k B FLASH, 拥有快速的中断处理[3]。本设计使用了芯片的USART1、USART3、Timer3、Timer7及SPI接口。

　　串行外围设备接口 (Serial Peripheral Interface, SPI) 是一种全双工, 高速、同步的通信总线, 在芯片的管脚上只占用四根线。本设计使用STM32F103自带的SPI来实现对外部FLASH (W25Q128) 的读写操作[4]。如图3所示, W25Q128是华邦公司推出的大容量SPI FLASH产品, 容量为128 Mb, 即16 MB, 可用于存储字库和其他用户数据, 系统掉电后数据不丢失, 满足了本设计的数据存储要求。设置SPI为全双工、主机模式、8位帧格式传输, 高位在前, 具有CRC校验功能[5]。SPI波特率预分频值为256分频, 传输速度为36 MHz/256=140.625 k Hz。

图3 W25Q128连接电路图

　　2.2、串口通讯部分设计

　　仪器通讯通常采用串行通信和并行通信两种方式[6]。串行通信方式具有使用线路少、成本低的优点, 在远程传输时, 避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用[7]。计算机和单片机都具有串行接口, 可以完成上位机与模拟器、模拟器与实际设备之间的通讯任务。如图4所示, 模拟器串口1可以实现两种不同的通讯模式, 通过跳线帽或者拨动开关选择相应的通信方式, 即RS 232, RS 485, 理论上可实现不仅限于海洋仪器的模拟, 具备较强的延伸性。

图4 串口1模块电路图

　　此设计使用SP3232芯片作为TTL转RS 232芯片。数据传输速率最高为20 kb/s, 最大距离为15 m。可供两路串口共同使用, 接口为延伸通讯接口, 可同时使用DB-9与三线制连接法, 两者均使用RXD、TXD、GND三条信号线, 程序设计中未使用握手信号, 可直接发送和接收数据。RS 485隶属于OSI模型物理层电气特性的规定, 为两线、半双工、多点通信的标准。其电气特性和RS 232不一样, 而是用缆线两端的电压差值来表示传递信号, 通讯距离为1 200 m[8]。本设计使用MAXIM公司生产的MAX3471, USART_RE为发送使能端, 接STM32的GPIOA_8, 高电平发送数据, 低电平接收数据, 接收和发送均由软件控制。串口3与串口1的电路图基本相同, 处于学习模式时与实际IO设备连接。

　　2.3、状态控制部分设计

　　系统运行状态由STM32的GPIOE_3的输入逻辑电平控制, 连接外部三脚拨动开关, 通过判断该引脚的输入逻辑电平来决定模拟器的工作方式, 电平状态改变则系统工作状态改变。运行状态指示灯 (红色LED灯) 连接引脚GPIOB_5, 系统运行状态不同则指示灯闪烁运行方式改变。

　　2.4、供电设计

　　供电电路采用电平转换芯片AMS1117-3.3, 这是一个5 V转3 V稳压电源芯片, 内部集成有过热保护与限流电路。通过该芯片, 可以实现对模拟器的3.3 V供电与5 V供电, 同时也可以使用USB供电, 保证了模拟器在多供电环境的使用。供电模块还具有供电状态指示灯 (蓝色LED灯) 。

　　3、系统软件设计

　　(1) 程序初始化:初始化包括串口初始化, 定时器初始化, W25Q128初始化。程序中加入了看门狗, 可防止系统因外界环境的干扰而出现程序跑飞的现象[9]。为保证模拟器正常稳定地工作, 程序采用轮询方式确定是否改变模拟器的工作状态。

　　(2) 定时器在串口通信中的软件设计:USART1和USART3采用中断接收字符方式共同使用Timer7, 通过判断接收到的两个字符间的时间差来断定是否为连续的数据[10]。Timer7是STM32F103自带的两个基本定时器之一, 定时器中断优先级为0, 高于串口优先级, 采用由下至上的计数方式, 10 ms进入一次定时器中断, 定时器中断中串口接收标记设置为接收完成, 两个字节接收时间间隔小于10 ms即认为这两个字节属于同一字符串, 通过定时器来判断接收的字节是否属于同一次数据, 避免两次数据间的干扰。将USART1和USART3接嵌入式模块。Timer3是通用定时器, 在本设计中用来记录USART1开始透传数据至USART3到USART3收到外部数据之间的时间间隔, 即实际设备的响应时间, 定时器中断每隔1 s进入一次, 在中断时间间隔执行自加操作, 以一定的格式将时间间隔写入FLASH保存, 便于后续读取。

　　(3) 为了保证上位机指令与设备响应正常匹配, W25Q128中的数据存储格式如图5所示。

图5 数据存储格式

　　模拟器模拟设备时析出有效数据, 程序流程如图6所示。

图6 程序流程图

　　4、结语

　　本设计以模拟美国TELEDYN分析仪表公司的多普勒流速剖面仪 (ADCP) 以及Sea-Bird公司的SBE39-IM型温盐深仪为例, 实现了对这些实际仪器IO功能的模拟。通过实验检验, 成功实现了实验室环境下模拟器代替ADCP在定时卫星通信系统中的作用以及代替SBE39-IM型温盐深仪在电磁耦合浮标系统中的作用。

　　参考文献
　　[1]谢东亚, 李欣.深海海底边界层原位监测中电源管理系统的设计[J].现代电子技术, 2013, 36 (6) :136-138.
　　[2]陈飞, 余烨.电子测量仪器IO模拟器设计[J].电子产品世界, 2008 (7) :87-88.
　　[3]丁力, 宋志平, 徐萌萌, 等.基于STM32的嵌入式测控系统设计[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2013 (S1) :260-265.
　　[4]STM32F1开发指南-库函数版本[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2014.
　　[5]高英.串行数控信号的模拟方法在仪器设计与维修中的应用[J].现代测量与实验室管理, 1999 (6) :54-55.
　　[6]底伟.C++Builder实现模拟器测控系统单片机与上位机之间的串口通汛[J].科技风, 2009 (5) :58, 60.
　　[7]欧阳斌武.电子测量仪器IO模拟器设计方案探讨[J].科技资讯, 2009 (17) :67.
　　[8]范逸之.C++Builder与RS-232串行通信控制[M].北京:清华大学出版社, 2002.
　　[9]陈宇泽, 宋绪勇.嵌入式测控系统的设计与应用[J].科技与创新, 2017 (15) :160-161.
　　[10]林倩.DHT11数字温湿度传感器通信协议的IO模拟[J].信息通信, 2017 (1) :206-207.