于興晗

(中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038)

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SAMD20/21>+ATWINC1500的智能容柵位移傳感器設(shè)計(jì)

于興晗

(中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100038)

介紹了一款使用SAMD20/21+ATWINC1500方案設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的WIFI智能容柵位移傳感器，并詳細(xì)介紹其原理和相關(guān)技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的傳感器可以將測量的位移數(shù)據(jù)通過WIFI接口上傳到Internet，異地終端接收數(shù)據(jù)并處理，不但可以實(shí)現(xiàn)異地測量，而且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器智能組網(wǎng)、協(xié)同處理，擴(kuò)大了容柵位移傳感器的使用范圍。

容柵；位移傳感器；WiFi；SAMD20/21；ATWINC1500

引　言

目前，大部分的容柵位移傳感器(如千分尺、直線位移傳感器等)，都是直接通過電路轉(zhuǎn)換，將動(dòng)?xùn)拍K的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS232/RS485/USB等有線方式，上傳給電腦終端處理，或者是直接轉(zhuǎn)換成液晶讀數(shù)供使用者目測使用。使用RS232/RS485/USB集線器，可以將多個(gè)傳感器接入電腦終端。接入傳感器的數(shù)目越多，這種有線傳輸方式的弊端也越來越明顯，影響了容柵傳感器的使用范圍。其弊端主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

◆ 傳輸距離有限，一般限制在1.2 km以下。

◆ 多個(gè)接入困難，必須使用中間設(shè)備(集線器)才可接入多個(gè)傳感器。

◆ 占用空間，傳感器的接入需要外接電纜，電纜越長占用的空間越大，使用的局限性就越大。

◆ 使用地域有限，不支持異地測量。

隨著WIFI技術(shù)的發(fā)展，本文設(shè)計(jì)了一種基于WIFI技術(shù)的智能容柵位移傳感器，不但解決了上述弊端，還增加了容柵位移傳感器的使用范圍。

1　原　理

WIFI智能容柵位移傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)圖

電路設(shè)計(jì)主要包括5部分：容柵測量電路、SAMD20/21控制核心、ATWINC1500 WIFI驅(qū)動(dòng)電路、電源管理和電池管理電路，各部分電路說明如表1所列。

其工作時(shí)，系統(tǒng)上電時(shí)，由電池管理電路判斷并切換供電電源，輸出電壓經(jīng)電源管理電路轉(zhuǎn)換后分別向各個(gè)模塊電路單獨(dú)供電，此時(shí)由系統(tǒng)的控制核心SAMD20/21監(jiān)測容柵測量電路的輸出數(shù)據(jù)，接收到輸出數(shù)據(jù)通過控制核心程序，按照動(dòng)?xùn)艆f(xié)議轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的浮點(diǎn)數(shù)，最后啟動(dòng)WIFI驅(qū)動(dòng)電路，按照通信協(xié)議規(guī)定將數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到接收終端(PC機(jī))，接收終端在接收到數(shù)據(jù)后再進(jìn)行存儲(chǔ)或?qū)I(yè)處理。

表1　電路說明

2　程序設(shè)計(jì)

(1) 硬件程序

WIFI智能傳感器的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要解決的問題主要有：動(dòng)?xùn)拍K輸出數(shù)據(jù)解析，需要將動(dòng)?xùn)拍K的輸出數(shù)據(jù)讀入并解析成控制器可以識(shí)別的數(shù)據(jù)；參數(shù)存取，需要將一些系統(tǒng)工作需要的重要參數(shù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中；WIFI控制，該裝置將讀取的數(shù)據(jù)通過WIFI控制器上傳到數(shù)據(jù)終端(數(shù)據(jù)中心，移動(dòng)終端和智能手機(jī)等);任務(wù)運(yùn)行控制，用來控制整個(gè)程序的運(yùn)行和調(diào)度；功耗管理和其他處理。程序結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)換裝置程序結(jié)構(gòu)

(2) 專業(yè)處理軟件結(jié)構(gòu)

大部分的傳感器上傳數(shù)據(jù)都需要使用電腦終端機(jī)來處理，本文描述的終端機(jī)通過讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置WIFI上傳的數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)成文件并可進(jìn)行分析，由于篇幅有限，本文僅對其實(shí)現(xiàn)的一部分UDP數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行描述，其程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括6部分：端口監(jiān)視、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析。

圖3　終端機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3　實(shí)　現(xiàn)

3.1SAMD20/21

SAMD20/21采用ARM Cortex-M0+處理器核心，最高主頻為48 MHz， 2.14 Core mark/MHz，運(yùn)行模式下能耗低至70 μA/MHz，繼承了ARM Cortex-M0+高效能比的優(yōu)良特性。獨(dú)有的事件觸發(fā)系統(tǒng)(Event System)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中為功耗敏感的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的保障。內(nèi)部集成的存儲(chǔ)資源包含256 KB的Flash和32 KB的SRAM。在目前主流采用了ARM Cortex-M0+內(nèi)核的微控制器中，這已經(jīng)是相當(dāng)豪華的配置了。其還使用64引腳的QFN封裝，對于電子發(fā)燒友來說，這是一個(gè)可以方便焊接的封裝?；A(chǔ)通信總線接口方面，集成了6個(gè)通用串行通信接口(Serial Communication Interface, SERCOM)，每個(gè)接口均可通過軟件配置成 UART/USART、SPI 或I2C總線的任意一種工作模式。高級(jí)通信總線接口方面，內(nèi)置的嵌入式全速USB2.0模塊支持主機(jī)和設(shè)備兩種模式，配備96 MHz 音頻流分?jǐn)?shù)PLL的雙通道I2S接口。模擬外設(shè)方面，集成1個(gè)20通道的16位高精度ADC、1個(gè)12位的DAC、2個(gè)模擬比較器，以及豐富的GPIO和眾多功能強(qiáng)大的定時(shí)器模塊。

SAMD21J18A微控制器除了豐富特定的片內(nèi)資源，還具有從SAMD20系列向上兼容的特點(diǎn)，全速USB、高端定時(shí)器在特定的工業(yè)領(lǐng)域扮演著重要的角色，而高精度的ADC、DAC，保證了其在計(jì)量等專業(yè)領(lǐng)域的用武之地。

3.2ATWINC1500

Atmel SmartConnect——WINC1500 是一 種支持 IEEE 802.11 b/g/物聯(lián)網(wǎng)控制標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對低功耗移動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。 支持單流802.11n模式，提供了72 Mbps PHY 速率。片內(nèi)集成了功率放大器、 LNA、開關(guān)和功耗管理。 ATWINC1500內(nèi)部集成 了Flash 和外圍接口(包括UART、SPI、I2C總線) 。支持(12～32 MHz)寬范圍的外部時(shí)鐘源，支持QFN封裝。

3.3程序流程

工作流程圖如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)調(diào)度的核心為命令處理，整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)，一直處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)接收到命令數(shù)據(jù)時(shí)，按命令來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)的命令主要包括啟動(dòng)采樣、關(guān)閉、休眠和設(shè)置參數(shù)等，正常情況下，設(shè)備在接收到啟動(dòng)采樣命令才會(huì)讀取容柵傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過WIFI上傳到主機(jī)，主機(jī)在把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析。

3.4專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件

本文描述的數(shù)據(jù)分析軟件是在WIN10操作系統(tǒng)上，使用Visul studio 2013開發(fā)的，可以實(shí)現(xiàn)大部分的數(shù)據(jù)操作，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等，由于篇幅有限，本文只提供其主要界面和數(shù)據(jù)分析曲線，如圖5所示。4幅圖分別是：接收數(shù)據(jù)界面、實(shí)時(shí)曲線、系統(tǒng)事件記錄和數(shù)據(jù)分析曲線。此外，版本軟件還支持將數(shù)據(jù)導(dǎo)出存成EXCEL和記事本格式的文件，方便用戶做進(jìn)一步的分析。

圖4　程序流程圖

結(jié)　語

按照本文描述所開發(fā)出來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置，不但實(shí)現(xiàn)了容柵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基本功能，如現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送，而且利用其WIFI接口提供的強(qiáng)大功能和豐富的硬件資源，也可將一些復(fù)雜和實(shí)用功能(如與智能手機(jī)互聯(lián)、Email數(shù)據(jù)發(fā)送、Web數(shù)據(jù)發(fā)布和應(yīng)答式數(shù)據(jù)響應(yīng)等功能)集成到本系統(tǒng)中。通過本文描述開發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置，具備傳統(tǒng)裝置所不具備的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)如下：

① 可以應(yīng)用在現(xiàn)場無電源的野外，由于本系統(tǒng)支持鋰電池供電，在無外部電源的情況下也可以正常工作。

② 支持無網(wǎng)環(huán)境工作，在無Internet的環(huán)境下，只需對無線路由器進(jìn)行簡單設(shè)置就可使裝置正常工作。

圖5　版本1.0數(shù)據(jù)分析軟件運(yùn)行主界面和數(shù)據(jù)分析曲線

③ 自動(dòng)組網(wǎng)，當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)接入時(shí)，這些設(shè)備將自動(dòng)獲取IP，組成局域網(wǎng)，形成測試網(wǎng)絡(luò)，從理論上講，一個(gè)UDP端口可以接入253個(gè)傳感器，端口取值范圍為1～65 535，平臺(tái)可以接入65 535×253個(gè)傳感器，增大了測試系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

④ 支持異地測量，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，支持網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)也越來越多，因此異地測量就成為可能，在進(jìn)行異地測量時(shí)可以將MQTT通信數(shù)據(jù)集成到本系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)。

⑤ 可以與智能手機(jī)(iPad、平板電腦等)互連，本裝置可以使用UDP數(shù)據(jù)，或者是Email、TCP、MQTT利用web發(fā)布與智能手機(jī)建立連接。

隨著WIFI技術(shù)的發(fā)展，支持WIFI接口的設(shè)備也越來越多，WIFI技術(shù)本身的技術(shù)優(yōu)勢也使本裝置的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，而且本裝置使用的技術(shù)具有一定的典型性，非常適合在其他領(lǐng)域推廣。

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于興晗(水利工程師)，主要從事水利、數(shù)據(jù)采集和嵌入式開發(fā)方面的研究。

Smart Capacitive Displacement Sensor Based on SAMD20/21+ATWINC1500

Yu Xinghan

(China Institute of Water Resource and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

In this paper,a WIFI smart capacitive displacement sensor is designed which uses SAMD20/21 and ATWINC1500.The principle and related technologies are introduced in detail.The sensor can upload the measured data to internet through the WIFI,and the remote terminal can receive and process the data.The method not only can realize the remote measurement,but also can realize the multiple sensors network and the collaborative processing.So the design can expand the usage range of the capacitive grating displacement sensor.

capacitive;displacement sensor;WiFi;SAMD20/21;ATWINC1500

TP212

A

(責(zé)任編輯：楊迪娜2016-03-16)