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STM32设计的变送器海洋观测网络化智能接口模块

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楼主: wangjiahao88
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:11 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:12 | 只看该作者
    2.软件设计要求
    (1>编程语言
    首先应该确定软件的编程语言,不同的语言有不同的风格,不同的优缺点,
选用一种适合的语言来进行软件开发,可以有效缩短开发时间。
    (2)编译和调试环境
    其次是确定软件程序的编译和调试环境,选用一款对应硬件的软件开发平
台,可以有效地避免不必要的问题和麻烦。
      (3)层次化
    采用层次化架构设计,把整个系统软件划分为若干层次,可以最大限度地实
现软件的高内聚和低祸合,提高软件的可移植性、可重用性和可靠性,节省软件
开发时间,提高软件开发效率。
    (4)模块化
    把整体软件结构划分为若干个功能模块,每个模块完成一个功能,这些模块
的集成就能完成系统的总体任务[29]。软件的模块化与层次化,可以使软件结构清
晰明了,层次之间、模块之间相对独立,使整体系统软件具有较高的可维护性,
减少了软件漏洞,提高了软件的开发效率。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:12 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:12 | 只看该作者
    根据IEEE 14_51.1标准定义的网络化智能变送器模型,将要设计的接口模块
在总体系统上分为网络适配处理器(NCAP和智能变送器接口模块(TIM)两
大部分,以及这两部分之间的接口模块。在测试阶段设计客户端应用程序,对网
络化智能接口模块发送命令进行功能测试。
    系统框图3-1基本描绘了网络化智能接口模块的软硬件层次结构,整个模块
的核心是NCAP和TIM的核心处理器以及它们的主控程序,TIM的微处理器接受
来自NCAP的命令,控制着TEDS的读写和传感器的数据采集,NCAP起着系统中
枢的作用,接受来自网络客户端的命令,控制TIM的运行,接收TIM上传的原始
数据并对其进行处理,将处理之后的数据上传至网络客户端。
    1. NCAP主控程序模块:
    负责管理NCAP中的各种任务,包括与客户端的网络通信、调用数据处理模
块、与TIM通信等,控制着NCAP整个程序的流程。
    2.网络通信模块:
    此处首先选择硬件芯片,然后选择适合的网络通信协议来实现与上位机的网
络通信功能,所有的客户端与网络化智能接口之间的通信都由此模块来管理和调
度。
    3.数据处理模块:
    对底层传感器采集的原始数据进行特定的应用处理,以满足客户端的要求,
例如数据解析、数据校正等。
    4.数据传输驱动模块:
    此模块实现NCAP与TIM之间的通信功能,IEEE 14_51标准的各个子标准定义
的接口并不相同,此处选择IEEE 14_51.2定义的TII接口,由于相较一般串口通信
比较复杂,具体需要对其进行改进。
    _5. TIM主控程序模块:
    此模块是TIM控制的核心,控制着整个TIM程序的流程,对TEDS的读写、
传感器通道的选择、数据的采集和传输等起着管理和协调的作用。
    6. TEDS模块:
    此模块是IEEE 14_51标准的关键技术之一,是实现变送器智能化的重要手段。
此模块主要进行TEDS的管理,包括TEDS的写入和读取。
    7.数据采集主程序模块:
    解析和处理来自TIM主控程序的命令,实现具体传感器的数据采集,或者对
执行器的控制。
    8.变送器接口驱动模块:
    通过解析具体传感器的通信协议,设计数据和命令的接收、发送函数,实现
具体传感器与TIM微处理器的通信连接。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:13 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:13 | 只看该作者
    传统的8位、16位单片机虽然不断地在提高处理能力,但是其内核能力的不
足限制了单片机未来的发展,人们对于仪器智能化、网络化的需求促使人们将目
光转移到功能更加强大的微处理器上,随着32位ARM微控制器和微处理器成本
的降低,采用ARM芯片己经成为了主流设计趋势[[30]0
    目前,市场上的32位ARM处理器的类型有很多,本课题选用意法半导体集
团(ST)推出的STM32F103ZET6微处理器作为TIM的核心处理器,此类型的
STM32微处理器是ARM公司为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计
的ARM Cortex-M3内核,与其他微处理器相比,具有如下性能上的优势:
    1.内核为ARM 32位的Cortex-M3 CPU
    Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM内核,具有成本低、引脚少、性
能强、中断响应系统先进和功耗低等优点。其运算速度快,工作频率最高为72MHz
(执行速度可达1.2_SDMips/MHz,而 ARM7和ARMS只有0.9DMips/MHz ,
Cortex-M3与之相比效率高出30070,并且在相同的主频下能处理更多的任务。
    2.内置高速存储器
    包括_512K字节的闪存程序存储器,高达64K字节的SRAM,带4个片选的静
态存储器控制器。
    3.丰富的接口,具有很好的扩展性和灵活性
    3个A/D通道、2个D/A通道、PWM、定时器、RTC, WDT以及112个I/O端口,
包含标准和先进的通信接口:_5个USART接口、3个SPI接口、2个I2C接口、2个I2S
接口、一个USB接口和一个CAN接口,在扩展性上支持CF卡、SRAM, PSRAM,
NOR和NAND Flash存储器。
    4.低功耗
    STM犯提供了三种低功耗模式:睡眠、停机和待机模式,必要时选择三种模
式之一进行功耗的节省。Cortex-M3内核的主要设计目标之一就是低功耗,非常
适用于离岸海洋观测设备。
    5.低成本
    价格与8位、16位单片机相差不多。
    6.便于使用
    更简单的编程模型和更透彻的调试系统,具有串行单线调试((SWD)和JTAG
接口两种调试模式,为人们大大减轻了编程和调试的负担。
    7.其他
    宽电压范围:2.0 }-3.6V;内置温度传感器,直接与内部ADC相连,能够对
芯片内部温度进行监测。
    STM32系列ARM芯片使用的Cortex-M3内核,是基于最新的ARMv7架构而设
计的,是为更加省时省力地完成单片机的应用而设计的,完全可以作为加强版单
片机来使用。除此以外,还具有低功耗、低成本、高处理效率以及极速中断反应
等优点。因此,STM32非常适用于海洋观测系统的应用,其丰富的数据采样、转
换和通信接口,既可以作为TIM的核心处理器,又可以实现NCAP的功能,本文
基于此芯片进行海洋网络化智能接口模块的设计,其模块框图如图4-2所示:

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:14 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:16 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:16 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:16 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:16 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:17 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:21 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:21 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:25 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:25 | 只看该作者
    在海洋观测领域,为了观测到各种环境因素,如温度、湿度、光、声音等等,
目前的趋势是开发部署由大量传感器组成的海洋观测网络,由这些传感器来采集
相关数据。而在海洋观测系统中,由于采集数据的位置并不固定,而是根据观测
的需要分布在整个观测区域中,因此只有当定位信息被获取时,传感器采集的数
据才会有效[[47]。由于全球卫星定位系统一一GPs技术在海洋观测领域中不可或缺
的重要性,本文将其与IEEE 14_51标准相结合进行接口技术研究。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:32 | 只看该作者
    GPS接收模块用来接收卫星发送的GPS信号,而核心芯片的选取决定着GPS
模块的性能和技术指标。当前,GPS芯片正向低功耗、高灵敏度、A-GPS、多模
方向发展,影响力较大的有SiRF与u-blox等公司。
    u-blox公司成立于1997年,是世界知名的瑞士GPS系统专业制造公司。u-blox
公司身为欧洲GPS委员会及伽俐略制定委员会的委员,参与了伽俐略产品的标准
制定及研发工作,在GPS领域的专业水准非常高,而且目前是欧洲最大的GPS供
应厂商。其生产的GPS模块导航性能出色、稳定性和可靠性高,在全球GPS模块
市场上销量第一。
    2009年9月u-blox公司将自身的核心技术升级到u-blox 6平台。基于该平台的
产品最明显的特点就是大大降低了功耗。对于海洋观测应用来说,低功耗将显著
延长电池寿命,提高海洋仪器的工作时间。除此以外,还提高了微弱信号的捕获
能力,缩短了首次定位时间。
    鉴于海洋观测领域对于功耗的要求以及u-blox芯片比较高的定位精度和极高
的性价比,本系统决定选用u-blox公司生产的GPS模块,其核心芯片为基于u-blox
6代技术产品中性价比最高的NEO-6M芯片。NEO-6M芯片外形及封装图如图4-13
所示。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:32 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:32 | 只看该作者

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-5-15 15:33 | 只看该作者
    TEDS技术是实现变送器“即插即用”的关键,是整个IEEE 14_51系列标准
的核心。我们通过选用一款存储器来储存与变送器相关的TEDS信息,当变送器
插入到整个观测系统中时,系统会自动调用存储器中TEDS信息,对变送器进行
自识别,从而减少人为操作,实现一定的智能化。
4.6.1 TEDS存储芯片选型及概述
    Flash没有出现之前,ROM, EPROM, EEPROM等一直都是嵌入式系统存
储设备的主力军。然而近年来相比EEPROM,  FLASH面积小、功耗低的特点,
使得Flash全面代替了ROM在嵌入式系统中的地位。
    20世纪80年代诞生了Flash存储器,称为闪速存储器。它是一种新型的半
导体存储器,同时有着RAM和ROM两者的优点,不仅具备电子可擦除可编程
只读存储器(EEPROM)的性能,既可以在线擦除、改写,又能够在掉线之后保
持数据的完整性。
    目前Flash主要有两种,分为NADN Flash和NOR Flash o NAND Flash没有
采取内存的随机读取技术,通常是一次读取_512个字节,读取速度比较慢。与之
相比,NOR Flash具有随机读取速度快、可以单字节或单字编程、允许CPU直
接从芯片中读取代码执行、可靠性高等优点。因此,嵌入式系统一般比较喜欢使
用NOR Flash。
    与并行Flash相比,串行NOR Flash存储器具有体积小、低功耗等优点,它
用比并行flash更少的引脚传送数据,降低了系统空间、功耗和成本。它内部的
地址空间是线性的,随机访问速度快;它的传输效率高,在1 }32Mb的小容量时
具有很高的性价比。而且串行NOR Flash的读写操作十分简单,这点对于系统开
发能够节省很多时间。
    考虑到功耗以及芯片内储存数据的读取速度,本设计选用SST公司生产的
NOR Flash芯片SST2_5 VFO 16B,它是一款8位SPI接口的Flash存储芯片,容量
为16Mb,分为_512个扇区,每个扇区大小为4KB,芯片地址空间如图4-16所示。



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