GD32F103 的多参数码头安全监控终端

发表于 2019-7-31 14:18

在港口码头船舶作业过程中，为了保证作业安全，需要对码头周围海流、潮位等水文参数及船舶靠离泊情况进行连续监测，为此研制了多参数码头安全监控终端。该终端以国产GD32F103C8T6为主控芯片，通过诺泰克AWAC采集海流数据，通过罗斯蒙特5402雷达水位计采集潮位数据，通过双路邦纳LT300激光测距仪采集船舶状态数据，通过GPRS将数据发送到服务器，实现对码头安全的实时监测。经过1年时间在某矿石码头的运行情况表明，该系统具有稳定性好、精度高、功耗低等特点，适用于港口码头安全监控作业。

发表于 2019-7-31 14:18

在港口码头生产作业中，船舶靠离泊作业是最容易出现安全风险的时候，传统上，这需要船长和引航员的经验和技术以及港口调度人员的工作经验[1]。但由于船舶大型化趋势日益明显，仅依靠传统的经验并不能直观了解船舶的航速、航向、以及码头的水流、气候状况，这些给码头及船舶安全带来了极大隐患。针对这一需求，设计了基于兆易创新GD32F103系统的多参数码头安全监控终端，可同时接入ADCP、雷达水位计、激光测距仪等设备，实现多参数的采集监测。

发表于 2019-7-31 14:18

该系统主要由GD32F103主控模块、供电模块、电流（电压）采集模块、串口采集模块、FLASH存储模块、电源控制模块、GPRS模块、人机交互模块组成。系统结构如图1所示。

发表于 2019-7-31 14:19

发表于 2019-7-31 14:19

监控终端支持4路电压（电流）采集通道，可采集1路水位数据、预留3路用于采集温湿度和大气压数据，设计一个UART传感器接口，使用MAX485芯片将信号转化为RS485格式，支持连接最多3种不同类型传感器，可同时采集3路ADCP数据和2路激光测距数据。终端拥有可独立控制的3路电源输出控制通道，可对外提供干接点或12V电源供电。其主要工作流程如下：初始化后，读取工作参数表，依据设置参数给对应的传感器上电，等待传感器工作稳定后，采集传感器数据，对采集数据进行解析和分析处理，根据数据处理结果调整下次采集启动时间和工作模式，通过GPRS模块将数据发送给上位机，接收到上位机确认信号后依据设置将数据存入FLASH或抛弃。控制传感器断电，控制MCU进入低功耗模式，等待下次运行时刻到来。

发表于 2019-7-31 14:20

本系统采用北京兆易创新科技股份有限公司推出的全新GD32F103C8T6微控制器作为系统核心，其采用第二代Cortex-M3内核，主频108MHz，具备实时时钟（RTC）、看门狗、上电复位、掉电复位、电压监测等功能，拥有丰富的外设功能，80%的可用GPIO，具备极佳的灵活性满足多种应用需求。其实现了内核对FLASH访问的零等待，据Dhrystones和CoreMark测试结果，其代码执行效率比市场同类产品提高30%～40%，适用于工业自动化、人机界面、电机控制、物联网等应用。GD32F103C8T6拥有64K的FLASH和20K的SRAM，采用LQFP48封装，拥有4个定时器，3路串口、2个看门狗、2路I2C、2路SPI和2路ADC单元，37个引脚可作为GPIO引脚，完全可满足本设计电流采集、RS485信号采集及设备动态控制要求。

发表于 2019-7-31 14:21

ADCP数据采集模块使用诺泰克AWAC2D浪龙，其采用窄带技术减少了海表或航道底部的干扰，紧凑的传感器使其能够安装在桩体或海堤上，测量范围可达100m，工作水深可到300m。其使用RS232或RS422通信，支持300～115200的通信波特率。将其RS232通信口使用ATC105模块转换成RS485信号连接到MAX487芯片，MCU即可通过串口收发程序接收ADCP的采集数据。电路原理如图3所示。

发表于 2019-7-31 14:22

发表于 2019-7-31 14:22

系统采用125Ω采样电阻将电流信号转换为0.5～2.5V的电压信号，经过OP747运放构成的电压跟随器进行信号隔离，然后再注入ADC通道。在采样电阻后端，增加二极管进行端口保护，如图4所示。

发表于 2019-7-31 14:23

为了更好地控制系统功耗，GPRS模块部分设计使用MCU连接西门子MC37i模块，通过MCU控制模块上电运行及工作状态，通过AT指令和参数配置设计GPRS模块支持实时在线模式和定时上传模式。在实时在线模式下，GPRS模块持续处于待机工作状态，可随时接收或发送数据，在定时上传模式下，MCU根据程序设定启动MC37i模块进行数据传输，数据传输任务完成后再进入休眠状态。电路原理如图5所示。

发表于 2019-7-31 14:23

为了实现试验过程数据采集存储，系统扩展32MB的NANDFLASH，选用GigaDevice公司的GD25Q32芯片，每页256bytes，支持SPI、DualSPI、QuadSPI3种工作模式，最大工作频率104MHz，页编程时间0.7ms，具有较低的工作功耗。本系统采用标准的SPI工作模式设置存储芯片。存储电路原理如图6所示。

发表于 2019-7-31 14:24

显示模块作为人机交互的重要部分，要求具有耐高低温、阳光下易读等特点，据此，选用肇庆金鹏实业有限公司OCMJ2*8C-5液晶模块，其分辨率128*32，操作温度最低可达-20℃，内置中文字库，支持并口和串口数据传输。为了节省端口资源，本系统设计使用串行数据传输方式，原理如图7所示。

发表于 2019-7-31 14:24

系统软件在RVMDK5.0环境下使用C语言开发，为了方便系统的调试和修改，软件程序的设计采用功能程序模块化的设计思路。主要功能模块包括MCU初始化模块、端口初始化模块、外围设备初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、数据通信模块。系统的主程序设计为休眠模式，通过定时器中断或外部中断唤醒主程序，根据中断事件选择执行不同的任务流程。主要的任务流程包括3个部分：数据采集处理任务；数据存储传输任务；系统工作参数设置任务。数据采集任务中，雷达水位计采集潮位、ADCP采集流速任务为定时任务，根据定时时间进行雷达水位计的上电和数据采集工作，采集间隔从1min～1h连续可调。激光测距仪采集靠泊数据为可变参数定时采集任务，根据每次采集的数据判断是否存在船舶靠近，当有船舶靠近时加密数据采集间隔到10s一次，当判定船舶离岸后降低数据采集间隔到1min一次，连续10min无船舶作业，则降低数据采集频率到5min一次。数据采集完成后，将数据按照特定格式存入FLASH存储器，同时启动GPRS模块，将数据按照特定格式（帧头、帧长、站点号、设备类型、时间戳、采集数据、帧尾）打包，控制GPRS模块将数据上传到服务器。上传任务完成后，并不立即控制终端进入休眠状态，而是保持GPRS设备在线3min，等待服务器的返回信息，根据返回信息可配置或调整终端工作参数.

发表于 2019-7-31 14:25

GD32F103 的多参数码头安全监控终端

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