李長(zhǎng)才1,2,肖金球1,2,，張少華1,2

　　(1. 蘇州科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院,，江蘇 蘇州 215009；2. 蘇州市智能測(cè)控工程技術(shù)研究中心,，江蘇 蘇州 215009)

　　摘要：為了準(zhǔn)確掌握氣象動(dòng)態(tài),，實(shí)時(shí)可靠獲得風(fēng)速信息，設(shè)計(jì)了基于STM32微控制器的風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用三杯式風(fēng)速傳感器作為傳感設(shè)備,，STM32芯片作為主控制器,SP3485收發(fā)器和HAC-UM數(shù)傳模塊作為通信傳輸模塊。給出了基于STM32風(fēng)速測(cè)量技術(shù),、硬件設(shè)計(jì)的總體框架以及系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法,。通過STM32定時(shí)器捕獲脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)速實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè),。經(jīng)測(cè)試,，該系統(tǒng)具有功耗低、性能穩(wěn)定,、測(cè)量精度高,、功能擴(kuò)展方便等特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：STM32,；風(fēng)速測(cè)量,；三杯式風(fēng)速傳感器；輸入捕獲

0引言

　　江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技項(xiàng)目（2014JH12）,；汽車電子功率元件批量自動(dòng)測(cè)試裝置的研制（XKZ201413）風(fēng)速作為一項(xiàng)關(guān)鍵的氣象要素,，其數(shù)據(jù)的檢測(cè)分析越來越受到人們的重視。在工業(yè),、農(nóng)業(yè),、氣象等領(lǐng)域，也需要對(duì)風(fēng)速信息進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè),。傳統(tǒng)的風(fēng)速測(cè)量［1］大多采用8/16位單片機(jī),，其在網(wǎng)絡(luò)通信功能、數(shù)據(jù)查詢與存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)性等方面有所欠缺,。本文采用32位ARM處理器,，因其在功耗、可靠性,、實(shí)時(shí)性以及運(yùn)行速度等方面有明顯的優(yōu)勢(shì),，更適合于風(fēng)速測(cè)量。采用三杯式風(fēng)速傳感器具有啟動(dòng)風(fēng)速小,、抗風(fēng)強(qiáng)度好,、線性度和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用,。本文研究的風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)速采集,，并將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與保存,，為氣象監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及自然災(zāi)害預(yù)防提供有力的幫助,。

1三杯式風(fēng)速傳感器與測(cè)量技術(shù)

　　1.1三杯式風(fēng)速傳感器

　　風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是由3個(gè)處于同一平面,、互成120°的半球形空杯組成的。3個(gè)風(fēng)杯被裝在一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上,，軸上裝有磁棒盤,，在水平風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)下風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)磁棒盤旋轉(zhuǎn),，產(chǎn)生若干個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過霍爾磁敏元件感應(yīng)出脈沖信號(hào),，信號(hào)變換電路為霍爾集成電路［23］,。

　　本系統(tǒng)采用EC91系列風(fēng)速傳感器［4］，該系列傳感器具有線性精度高,、互換性好,、測(cè)量范圍寬、抗風(fēng)強(qiáng)度大等特點(diǎn),，啟動(dòng)風(fēng)速小于0.5 m/s,，測(cè)量范圍為0~60 m/s，最大允許誤差±（0.3+0.03V）m/s,，分辨率小于0.1 m/s,，其風(fēng)速轉(zhuǎn)化的計(jì)算公式為：

　　υ=0.1×f（1）

　　其中，υ為風(fēng)速,，f為脈沖頻率,。

　　1.2脈沖信號(hào)測(cè)量技術(shù)

　　STM32定時(shí)器輸入捕獲功能不僅能準(zhǔn)確測(cè)量脈沖信號(hào)頻率，而且操作方便,。在測(cè)量低頻信號(hào)時(shí),，可以通過配置PSC預(yù)分頻器對(duì)TIM的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，降低計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率,，獲得合適的頻率測(cè)量范圍,。TIMx_CNT的計(jì)數(shù)范圍為0~65 535，足夠用于測(cè)量傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率,。

　　風(fēng)速傳感器輸出脈沖信號(hào),，輸入STM32定時(shí)器3的通道1，配置TIM3為輸入捕獲模式,。如圖1所示,，TI1信號(hào)輸入硬件濾波電路［5］，通過控制其采樣次數(shù),，濾除因抖動(dòng)等原因產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào),，利用了STM32內(nèi)部資源,，簡(jiǎn)化了外圍電路。設(shè)置通道1邊沿檢測(cè)為上升沿捕獲,，通過觸發(fā)捕獲/比較寄存器,，捕獲TIM3_CNT計(jì)數(shù)器的值到TIM3_CCR1寄存器中，讀取計(jì)數(shù)值,，等待進(jìn)行下一次捕獲,。

　　若fck_psc經(jīng)預(yù)分頻器（PSC）分頻后的頻率為fck_cnt，如圖2所示,，兩次捕獲完成后得到的計(jì)數(shù)值為N, 則輸入脈沖信號(hào)頻率的計(jì)算公式為：

　　f=fck_cnt/N（2）

　　其中,，fck_cnt為計(jì)數(shù)器頻率,N為計(jì)數(shù)值?！?/p>

2硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由ARM處理器,、EC91風(fēng)速傳感器及接口、RS485通信接口,、HACUM數(shù)傳模塊,、LCD顯示、鍵盤和電源等組成,，如圖3所示,。ARM處理器采用STM32F103VC作為核心處理器?！?/p>

　　2.1CPU模塊

　　CPU模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心,，控制各部分分別完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算,、顯示,、通信以及存儲(chǔ)等功能。STM32搭載ARM公司的具有先進(jìn)架構(gòu)的CortexM3內(nèi)核［6］,，具有多達(dá)8個(gè)定時(shí)器,，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)用于輸入捕獲或脈沖計(jì)數(shù)的通道。STM32具有獨(dú)立時(shí)鐘的滴答定時(shí)器,，產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)拍,，不占用CPU資源。本系統(tǒng)利用STM32的DMA通道實(shí)現(xiàn)內(nèi)存風(fēng)速數(shù)據(jù)與USART外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸,，速度快,，節(jié)省CPU資源；關(guān)閉沒有使用的STM32管腳時(shí)鐘,，把功耗降至最低,；利用滴答定時(shí)器分配各模塊執(zhí)行順序，提高程序的執(zhí)行效率。

　　2.2信號(hào)采集模塊

　　如圖4所示,，D1為3144單極開關(guān)型的霍爾傳感器［7］,，只感應(yīng)南極磁場(chǎng)，電平翻轉(zhuǎn)為低電平的條件是南極磁場(chǎng)的強(qiáng)度大于其設(shè)定的開啟點(diǎn),。它采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造的磁敏電路,，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是一個(gè)數(shù)字電壓信號(hào),，波形為方波信號(hào),。LM393電壓比較器對(duì)電壓信號(hào)處理后，輸出為穩(wěn)定的TTL電平,，可直接輸入STM32第31引腳,，進(jìn)行信號(hào)頻率測(cè)量?！?/p>

　　2.3通信模塊

　　系統(tǒng)提供兩種通信方式：一種是短距離無線通信,，采用無線傳輸提高應(yīng)用的靈活性并節(jié)省鋪線成本；另一種是RS485通信方式,，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)3 000 m，抗噪聲干擾性好,，具有多站能力,可方便地建立起通信網(wǎng)絡(luò),。

　　無線通信采用HACUM數(shù)傳模塊，此模塊具有可靠性高,、體積小,、重量輕的特點(diǎn)，具有多信道,、智能數(shù)據(jù)控制的優(yōu)勢(shì),。硬件連接如圖5所示，STM32的68管腳（RXD）和69管腳（TXD）分別與數(shù)傳模塊的TXD和RXD連接,，利用串口通信,，實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能?！?/p>

　　RS485通信采用SP3485作為收發(fā)器,，最大傳輸速度可達(dá)10 Mb/s，支持32個(gè)節(jié)點(diǎn),。如圖6所示,，RO是接收輸出端，連接STM32的第26管腳,；DI 是發(fā)送數(shù)據(jù)收入端,，連接STM32的第25管腳；RE是接收使能端（低電平有效）；DE是發(fā)送使能端（高電平有效）,。D1~D5是瞬態(tài)電壓抑制二極管,，用于浪涌保護(hù)、防雷擊,，保護(hù)SP3485芯片及內(nèi)部接口電路,。

　　軟件設(shè)計(jì)包括初始化程序、主程序,、定時(shí)器輸入捕獲子程序,、LCD顯示子程序、RS485通信子程序,、HAC-UM數(shù)傳模塊無線通信子程序,。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)軟件采用C語言開發(fā),，使程序便于閱讀,、修改與維護(hù)，編輯環(huán)境為Keil MDK4.10,，而且可采用JTAG或者ISP在線下載與調(diào)試,。

　　STM32的初始化程序主要是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘大小進(jìn)行配置，對(duì)USART1,、USART2的傳輸模式及波特率進(jìn)行設(shè)置,，對(duì)TIM3工作模式、計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率進(jìn)行配置,，對(duì)DMA通道目標(biāo)地址與源地址,、傳輸方向等進(jìn)行設(shè)置。LCD顯示子程序主要是進(jìn)行LCD驅(qū)動(dòng)程序的編寫,，主程序中調(diào)用LCD顯示函數(shù),。

　　定時(shí)器輸入捕獲子程序是軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，脈沖頻率的測(cè)量,、風(fēng)速的計(jì)算與存儲(chǔ)都是在其中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的,。程序流程圖如圖8所示，中斷函數(shù)如下：

　　float speed［256］;//全局變量存儲(chǔ)風(fēng)速數(shù)據(jù)

　　void TIM3_IRQHandler(void)

　　{

　　static u8 CaptureNumber = 0;//捕獲次數(shù)

　　static u8 i = 0;

　　static u16 IC3Value0 = 0;

　　//定義第一次輸入捕獲值局部變量

　　static u16 IC3Value1 = 0;

　　//定義第二次輸入捕獲值局部變量

　　float freq = 0;//脈沖頻率

　　u16 counter = 0;//計(jì)數(shù)值

　　if(CaptureNumber == 0)

　　{

　　CaptureNumber = 1;

　　IC3Value0 = TIM_GetCapture1(TIM3);

　　//第一次捕獲

　　}

　　else if(CaptureNumber == 1)//處理第二次捕獲

　　{

　　if(TIM_GetFlagStatus(TIM3,TIM_FLAG_Update) != SET)//沒有溢出的處理

　　{

　　IC3Value1 = TIM_GetCapture1(TIM3);//讀取捕獲值

　　counter = IC3Value1- IC3Value0;//計(jì)算兩次捕獲的計(jì)數(shù)值

　　}

　　else

　　{

　　TIM_ClearFlag(TIM3,TIM_FLAG_Update);//產(chǎn)生了更新事件

　　counter=0xFFFF-IC3Value0+TIM_GetCapture1(TIM3)+1;//有溢出的處理

　　}

　　CaptureNumber = 0;

　　if(couter!=0)

　　{

　　freq= 120000/counter;//計(jì)算頻率

　　speed［i］ = 0.1 * freq;//轉(zhuǎn)化成風(fēng)速

　　i++;

　　if(i ==255)

　　i = 0;

　　}

　　}

　　TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_CC1);

　　//清除TIM3中斷標(biāo)志位

　　}

　　圖8捕獲中斷程序流圖RS485通信子程序和無線通信子程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳輸,。應(yīng)用STM32的DMA功能模塊［8-9］,，通過DMA控制器實(shí)現(xiàn)內(nèi)存中的風(fēng)速數(shù)據(jù)直接通過總線傳輸至USART的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。傳輸過程不經(jīng)過CPU處理,，大大提高了軟件系統(tǒng)運(yùn)行的效率,。

　　主程序中，通過掃描按鍵來選擇通信方式,，通過使能無線通信或RS485通信實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸,。

4結(jié)論

　　本文針對(duì)風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了基于STM32三杯式風(fēng)速傳感器的風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)充分發(fā)揮了STM32芯片的優(yōu)勢(shì),，創(chuàng)新性地使用了STM32定時(shí)器輸入捕獲功能,，檢測(cè)輸入脈沖頻率，提高了系統(tǒng)的可靠性,。巧妙地利用了STM32的DMA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。此外,，利用豐富的片上資源,，簡(jiǎn)化了外圍接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)速實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量,，擁有很好的應(yīng)用價(jià)值,。

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