摘要：数据采集技术广泛应用于工业生产的各个领域，对于工业现场的检测和控制至关重要，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。近年来，数据采集及其应用受到人们越来越广泛的关注，数据采集系统也有了较快的发展。本文笔者主要探讨基于Cortex‐M3内核的STM32F103VC微处理器，通过WIFI无线网络通讯实现数据传输的数据采集系统设计。
关键词：STM32；数据采集；系统设计
引言
随着科学技术的飞速发展，数据采集技术被广泛应用于电力系统，仓储管理，航空航天等各个领域。数据采集系统是指将温度、湿度、压力、位置等传感器的电信号采集后，经过一定的数据处理分析，再控制其他设备的运转，常用来监测和报警。数据采集的发展有很长的一段历史，传统的采集是通过笔和纸张的记录进行的，这种工作方式效率非常低，同时由于受环境、设备质量、人员水平等因素影响，所以往往采集的数据是不精准的。随着科技的快速发展，微型计算机与集成采集装置集成系统成了改变人工采集数据的方式。这类自动采集系统极大地提高了数据采集的效率，使得数据变得更加可靠，从而为产品的分析提供了强有力的支持。因此，采用STM32F103VC嵌入式作为控制核心的数据采集系统，采集的数据精确度高，并且其能对所采集到的数据进行分析处理。
1 无线网络数据采集系统的方案设计
此无限网络数据采集系统的控制核心采用了32位的ARM处理器STM32F103VC，该处理器不用内置与计算机内，是一格独立的采集设备，能有效实现对采集信号的响应，外显液晶屏可以显示相关数据和运行的状态，结合无线网络通信模块，将通讯协议嵌入微处理器中，通过采集器的无线模块和无线路由器实现WIFI远程数据传输至上位机显示，供用户查看和分析。
该系统选用的处理器是意法半导体推出的增强型系列处理器STM32F103VC。该处理器主频为72MHz，带有16通道的12位A／D转换器、片内RAM和串口RS232接口等丰富的外设。本数据采集系统仅需一片该处理器和部分外围电路即可完成采集与传输功能，电路结构简单紧凑。无线传输通过串口连接无线网卡，通过WIFI实现与上位机的无线通讯。
2 硬件设计
2.1 电源电路设计
本数据采集系统的电源电路原理：+24V恒定直流电源经电容滤波，进入DC‐DC降压电源模块KIS3R33后降压为+4V，进入AMS1117-3.3电源稳压芯片，得到+3.3V的稳定电压输出后供给ARM核心控制模块和其余部分电路使用；再进入AMS1117-1.2电源稳压芯片，得到+1.2V的稳定电压输出后供给显卡芯片使用。IN4148是为了防止输出端并接高于本稳压模块的输出电压而烧坏稳压芯片AMS1117-1.2而特别设计的，达到了可靠性电源设计的目的。系统采用双电源供电，提供了系统正常工作所需的电源电压。
2.2 温湿度采集模块设计
系统集成设计了DHT11数字式温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能８位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。超小的体积，极低的功耗，信号传输距离可达20m以上，使其成为各类应用场合的最佳选择。微处理器STM32F103VC内部带有16通道的12位A/D转换器，因此采集信号不管是数字量还是模拟量，经光电隔离后可以直接经ARM处理来采集温湿度数据。
2.3 LCD模块设计
液晶屏采用群创AT070TN92型号，该7寸液晶屏适用于仪器仪表、广告显示、工业控制等，其显示效果逼真、性能稳定。LCD屏是数据采集系统人机交互界面的物理基础，主控单元ARM对其控制需要显卡芯片SSD1963和触摸芯片TSC2046等。
2.4 RS232串口通讯模块设计
采用MAX3232串口芯片可把串口RS232信号电平转TTL信号电平，实现串口通讯，其电路设计如图1所示。该串口芯片采用专有的低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.2-5.5V电源供电时能够实现真正的RS232性能，器件仅需4个0.1μF的外部小尺寸电荷泵电容。MAX3232可以确保在120kb/s数据速率下维持RS232输出电平，具有两路接收器和驱动器。
图1 MAX232电路
2.5 无线WIFI通讯模块设计
无线网络通讯模块采用深圳海凌科电子的HLK-RM04，基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口、以太网、无线网（WIFI）3个接口之间的转换。HLK-RM04_CONFIG是通过串口配置模块的工具。
3 数据采集系统软件配置及硬件调试
数据采集系统不仅需要硬件设置，还需要软件的相应配置才能调试好硬件，使系统正常工作。硬件电路的调试与硬件设计和软件配置息息相关。在硬件设计时必须确保所有的元器件都设计正确后方可把元器件焊接上进行调试。软件配置和硬件调试基于KeiluVision4软件以及相应的SWD仿真器、万用表等等，系统硬件包括电源电路、串口电路、网络电路、液晶屏显示及触摸电路、数据采集部分电路等。
图2 HLK-RM04接口电路
4 上位机应用软件设计
数据采集系统采集的数据经WIFI无线网络传输至上位机显示在应用软件界面上。上位机的应用软件采用LabVIEW开发。本系统可将数据采集器的液晶屏上显示的温度、湿度等采集数据经WIFI传输显示在上位机应用软件的文本框中，还可实现对采集器执行元件的反向控制功能。
TCP网络连接函数
TCP网络关闭函数
TCP数据读取函数
TCP数据写入函数
5结语
此无线网络数据采集系统已经过多个温度采集、湿度采集的践应用测试，在使用过程中该系统正常工作，达到了预期效果，满足数据采集控制与数据无线传输的功能，其与无线通讯的结合安装维护方便、成本降低、效率提高，也是当前发展的必然趋势。
参考文献：
［1］罗俊．无线传感器网络性能建模与优化设计［D］．上海:上海交通大学，2010．
［2］程明明．智能家居无线传感器网络设计与实现［D］．大连:大连理工大学，2011．
［3］周立功．AＲM嵌入式系统基础教程［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2005．
［4］张逢雪，王香婷，王通生，等．基于STM32单片机的无线智能家居控制系统［J］．自动化技术与应用，2011，(8):98～101．
论文作者:刘哲,韩俊威
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/21
标签：数据论文; 采集系统论文; 串口论文; 电路论文; 模块论文; 数据采集论文; 硬件论文; 《基层建设》2019年第20期论文;