李長才1,2,肖金球1,2，張少華1,2

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

　　摘要：為了準確掌握氣象動態(tài)，實時可靠獲得風速信息，設(shè)計了基于STM32微控制器的風速監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三杯式風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風速測量技術(shù)、硬件設(shè)計的總體框架以及系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方法。通過STM32定時器捕獲脈沖頻率，實現(xiàn)了對風速實時準確的監(jiān)測。經(jīng)測試，該系統(tǒng)具有功耗低、性能穩(wěn)定、測量精度高、功能擴展方便等特點。

　　關(guān)鍵詞：STM32；風速測量；三杯式風速傳感器；輸入捕獲

0引言

　　江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技項目（2014JH12）；汽車電子功率元件批量自動測試裝置的研制（XKZ201413）風速作為一項關(guān)鍵的氣象要素，其數(shù)據(jù)的檢測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，也需要對風速信息進行實時準確的監(jiān)測。傳統(tǒng)的風速測量［1］大多采用8/16位單片機，其在網(wǎng)絡(luò)通信功能、數(shù)據(jù)查詢與存儲以及實時性等方面有所欠缺。本文采用32位ARM處理器，因其在功耗、可靠性、實時性以及運行速度等方面有明顯的優(yōu)勢，更適合于風速測量。采用三杯式風速傳感器具有啟動風速小、抗風強度好、線性度和測量精度高等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用。本文研究的風速測量系統(tǒng)能夠快速準確地進行風速采集，并將測量結(jié)果實時傳送至上位機進行數(shù)據(jù)分析與保存，為氣象監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及自然災(zāi)害預防提供有力的幫助。

1三杯式風速傳感器與測量技術(shù)

　　1.1三杯式風速傳感器

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

　　本系統(tǒng)采用EC91系列風速傳感器［4］，該系列傳感器具有線性精度高、互換性好、測量范圍寬、抗風強度大等特點，啟動風速小于0.5 m/s，測量范圍為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，其風速轉(zhuǎn)化的計算公式為：

　　υ=0.1×f（1）

　　其中，υ為風速，f為脈沖頻率。

　　1.2脈沖信號測量技術(shù)

　　STM32定時器輸入捕獲功能不僅能準確測量脈沖信號頻率，而且操作方便。在測量低頻信號時，可以通過配置PSC預分頻器對TIM的時鐘進行分頻，降低計數(shù)器的計數(shù)頻率，獲得合適的頻率測量范圍。TIMx_CNT的計數(shù)范圍為0~65 535，足夠用于測量傳感器產(chǎn)生的脈沖信號頻率。

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

　　若fck_psc經(jīng)預分頻器（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數(shù)值為N, 則輸入脈沖信號頻率的計算公式為：

　　f=fck_cnt/N（2）

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

2硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由ARM處理器、EC91風速傳感器及接口、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模塊是整個系統(tǒng)的控制中心，控制各部分分別完成數(shù)據(jù)采集、計算、顯示、通信以及存儲等功能。STM32搭載ARM公司的具有先進架構(gòu)的CortexM3內(nèi)核［6］，具有多達8個定時器，每個定時器有4個用于輸入捕獲或脈沖計數(shù)的通道。STM32具有獨立時鐘的滴答定時器，產(chǎn)生系統(tǒng)運行的節(jié)拍，不占用CPU資源。本系統(tǒng)利用STM32的DMA通道實現(xiàn)內(nèi)存風速數(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管腳時鐘，把功耗降至最低；利用滴答定時器分配各模塊執(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，電平翻轉(zhuǎn)為低電平的條件是南極磁場的強度大于其設(shè)定的開啟點。它采用半導體集成技術(shù)制造的磁敏電路，其輸入為磁感應(yīng)強度，輸出是一個數(shù)字電壓信號，波形為方波信號。LM393電壓比較器對電壓信號處理后，輸出為穩(wěn)定的TTL電平，可直接輸入STM32第31引腳，進行信號頻率測量?！?/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，最大傳輸距離標準值可達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，具有多信道、智能數(shù)據(jù)控制的優(yōu)勢。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10 Mb/s，支持32個節(jié)點。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、防雷擊，保護SP3485芯片及內(nèi)部接口電路。

　　軟件設(shè)計包括初始化程序、主程序、定時器輸入捕獲子程序、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，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系統(tǒng)時鐘大小進行配置，對USART1、USART2的傳輸模式及波特率進行設(shè)置，對TIM3工作模式、計數(shù)器時鐘頻率進行配置，對DMA通道目標地址與源地址、傳輸方向等進行設(shè)置。LCD顯示子程序主要是進行LCD驅(qū)動程序的編寫，主程序中調(diào)用LCD顯示函數(shù)。

　　定時器輸入捕獲子程序是軟件設(shè)計中的關(guān)鍵部分，脈沖頻率的測量、風速的計算與存儲都是在其中斷函數(shù)中實現(xiàn)的。程序流程圖如圖8所示，中斷函數(shù)如下：

　　float speed［256］;//全局變量存儲風速數(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;//計算兩次捕獲的計數(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;//計算頻率

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

　　i++;

　　if(i ==255)

　　i = 0;

　　}

　　}

　　TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_CC1);

　　//清除TIM3中斷標志位

　　}

　　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)向上位機傳輸。應(yīng)用STM32的DMA功能模塊［8-9］，通過DMA控制器實現(xiàn)內(nèi)存中的風速數(shù)據(jù)直接通過總線傳輸至USART的數(shù)據(jù)寄存器進行數(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通信實現(xiàn)向上位機的數(shù)據(jù)傳輸。

4結(jié)論

　　本文針對風速測量系統(tǒng)的應(yīng)用要求，設(shè)計了基于STM32三杯式風速傳感器的風速監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)充分發(fā)揮了STM32芯片的優(yōu)勢，創(chuàng)新性地使用了STM32定時器輸入捕獲功能，檢測輸入脈沖頻率，提高了系統(tǒng)的可靠性。巧妙地利用了STM32的DMA模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)運行效率。此外，利用豐富的片上資源，簡化了外圍接口設(shè)計，實現(xiàn)了對風速實時準確的測量，擁有很好的應(yīng)用價值。

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