【《堪察记录仪的硬件和软件设计案例》8500字】

堪察记录仪的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u31459堪察记录仪的硬件和软件设计案例 188871堪察记录仪硬件设计 1164661.1勘察记录仪硬件结构框图 1174521.2勘察记录仪硬件组成 137831.2.1微处理器 2102231.2.2GPS系统 4161921.2.3温湿度传感器 5102081.2.4数据传输方式选取 675371.2.5电源模块 9155801.2.6显示模块 11294262勘察记录仪软件设计 1255302.1温湿度传感器软件 1264242.2GPRS模块软件 12239812.3GIS数据应用 13118902.1.1GIS相关技术 13321392.1.2GIS数据库 14136232.1.3数据形式矢量化 1591512.1.4建库制图一体化的实现 16189922.1.5GIS地图 161堪察记录仪硬件设计勘察记录仪主要需要完成数据获取和数据传输的功能，主要表现在利用GPS技术接收到全球卫星精确的定位信息，利用温湿度传感器对周围环境进行实时检测，以及将处理后的数据和地理信息发送至远程终端，远程终端接收信息利用GIS数据库对其进行收集，储存，GIS地图进行轨迹回放。1.1勘察记录仪硬件结构框图勘察记录仪硬件构造釆用基于STM32微处理器进行外接GPS、GPRS模块，整体系统结构框图见图3-1，系统的硬件结构主要包括ARM微处理器，外接的GPS模块、温湿度传感器、GPRS模块、存储和显示模块，以及便携式供电模块。GPS模块主要用来接收GPS数据来获取勘察记录仪实时位置信息,温湿度传感器实时获取并监控温湿度数据变化避免其对于勘察人员以及数据采集带来影响，GPRS模块的功能是数据传输，利用其功能将处理好的勘察数据以及转台信息发送至远程客户端。本文的整体硬件实在STM32微处理器的基础上建立，微处理器完成了硬件段所需的大部分功能，包括对于所得到的数据进行处理，形式转换，对于各个模块发送命令，控制各个模块进行各项工作。勘察记录仪设计了其显示模块，主要以经纬度的形式显示记录仪当前的经纬度信息，同时清晰的表现周围的温湿度。最后，通过在记录仪的终端设计储存器，将过程中信息和轨迹进行储存,便于事后进行查询信息和在GIS地图上轨迹回放。1.2勘察记录仪硬件组成由于实际电力线路勘察环境的特殊性，应用于电力线路勘察记录仪的硬件一般需满足满足小体积便于携带，并能够低功耗进行工作。本次设计创新之处主要创新之处便是提高了定位监测的精确度，主要包括位置信息的准确性温湿度数据更新的实时性以及数据的传输储存的工作质量在不同的环境下需要得到保证，以下介绍其硬件元器件的选取主要的考虑方向。（1）定位监测精度：在静止状态下，现有的GPS元件一般定位精度在5至15米之间，在实际环境中受勘察地点信号，杆塔等实际情况干涉，有可能不能达到规定精度，因此除了设计可以接收GPS信号实时更新地理信息的GPS模块以外，还需要改进GPS的算法，应用高动态的GPS定位滤波算法等新型技术，并保证处理器的运算速度能够满足要求，提高硬软件综合应用能力。（2）便携式功能本次设计考虑到实际勘察作业需求，从提高勘察质量和效率的角度出发，采用便携式24V应急电源进行供电，应用本系统电源模块转换成5V、2.2V等系统元件所需工作电压。（3）良好的扩展性和兼容性：电力线路勘察记录仪的硬件设计不能忽略其扩展性，同时要满足兼容硬件的能力，以便随时应对软硬件更新换代，同时有足够的接口应对硬件升级，另外足够的接口保证了外接设备的多样性，可以硬度各种工作需求。根据本次设计的要求和相应的技术参数，设计了以下勘察记录仪的各种硬件模块并对于其结构、功能和原理做了描述。图3-1系统总体设计框图1.2.1微处理器ARM微处理器构成了硬件系统主要部分，是硬件系统的核心，基于处理器连接GPS、传感器模块、GPRS模块对其发布命令和完成数据传输交换，实现信息在系统的流动，同时在处理器的外界接口上连接显示单元和SIM卡单元，可连接液晶屏进行显示或对信息进行储存。目前市面上主要应用的是单片机作为微处理器，随着电子设备不断发展及其相应的技术手段不断进步，以ARM处理器为核心的新型微型计算机开始逐渐占据主流，将其命名为ARM单片机。ARM单片机的命名主要来自其专门从事芯片设计与授权的公司AdvancedRISMachine的简称，该公司设计了ARM系列产品；在实际的研发过程中ARM带来了技术上的革新；虽然本身仍是32位传统处理器，32位的地址空间依旧保留但其地址空间的映射有了很大的提升。同时可以自动从储存空间中获取指令。当前ARM系列的处理器在嵌入式的研究方面应用十分广泛，其能成为32位微处理器的典型代表正是因为其具有强大的指令集同时工作工程中功耗极低。目前，在工业、通讯、电子等各个领域基于32位的ARM系列产品迅速抢占了市场，占有极高的市场份额，在各类控制领域凭借其强大的功能和特性应用极广，与传统的X86相比以展现出巨大的优势。ARM9系列的单片机当下应用十分广泛，特别是应用在便携式设备生产以及当下最流行的数字消费产品，本系统中选取的是ARM9系列微处理器。ARM微处理内涵大量的寄存器，主要可以按照其功能分为两种，除传统的通用寄存器外，还拥有状态寄存器可以直观的展示程序的运行状态是否良好，同时显示出CPU的工作状态。与传统单片机相比，ARM单片机在内核处理器的层面上较为领先，其主要应用新兴的32位处理器，与传统的51系列单片机相比其总体结构和调试技术较为先进、可以在低能耗的情况下工作还具有更高的性价比可以节省成本，同时ARM单片机创新性的采用了芯片内部集成的方式，具有大量的片内外设，便于连接外射丰富其功能提高工作时的可靠性和稳定性。考虑到在本次设计的实际应用环境中，考虑到基于ARM设计的勘察记录仪具有顺势反应较快，同时相应的功耗小便于野外作业，因而本系统决定釆用STM32F103系列微处理器来完成设计。STM32F103RBT6由意法攻公司设计生产，内核采用ARM32位的Cortex-M3CPU，封装形式为64引脚的LQFP封装，常规进行工作频率大约72MHZ，同时能耗较低，工作电压低于1.3V，还具有较大的便利性，无需指定的操作系统支持，编译程序十分便利，代可直接用keilC进行高效率编程，系统对于功率要求较低，同时可减轻开发人员的工作负担和压力。作为嵌入式处理器的最新成果，可以提供丰富的变成资源同时为开发人员提供便利的廉价开发平台，在各项指标上都领先于其它系统。下文将介绍STM32F103RBT6的主要区别于其他系统的特点：拥有较多数量I/O端口，超过五十个I/O端口都可以与终端项链，均支持通过5V电压输入进行供能，另外其还具有输入、输出以及其他的外设功能，可以通过外界软件进行配置。在其内部集成内置了32k大小的FLASH储存器;同样内置20k的SRAM;芯片内部采用了上电复位和掉电复位电路集成的方式，同时配备了电压检测器保证其正常工作;具有通用的直接内存存取，七路DMA的应用提高了在其内部存储器和设备数据传输的稳定性，数据传输过程不需CPU进行控制，减少了CPU工作功耗；DMA控制器还具有防止控制信号传输出现错误，被传输至缓冲区尾部的缓冲区管理功能。图3-2STM32F103BRT6的外围电路图支持定时器进行独立输出的功能，内置四个定时器其中包含一个高级控制定时器；具有复杂的数据传输结构，包括I2C总线接口、2个SPI接口，以及USART异步串行通讯接口，以此保证信息传递的多样性;可以兼容目前市面上的ARM相关软件进行开发。1.2.2GPS系统本次电力线路勘察记录仪设计的GPS模块决定采用JP7-T进行设计，相较于其他GPS接受模块，FALCOM的公司的产品集成了SiRFstarl工芯片集，设计尺寸较小极大程度上节省了设计空间，便于携带，很适合用在勘察记录仪硬件设计上。下文将介绍JP7-T适于本次设计的特点：（1）具有可以同时接收十二颗卫星的十二并行通道;（2）具有三种供电启动模式，可以根据环境的温度情况不同选择不同的启动方式以及重新捕获,可适应不同实际工作现场温湿度变化带来的影响;(3)引脚与JP-LP可以很好地兼容;(4)支持NMEA-0183数据输出协议。其信号处理流程见图3-3。图3-3JP7-T信号处理流程图在本次设计中，对于GPS模块的正常工作，ARM处理器起到了保证信道分配正确运转能力，通过接收定位得到的地理位置信息，调用内部GPS模块进行计算和格式转变，将处理好的发送到记录仪的微处理器进行下一步指示。JP7-T模块的外围电路图见图3-4，引脚21是负责与电源相连接，接收到供电模块传输的3V电压，在断电的情况下可以保留RAM数据极大的加快再次捕获的时间。常规的工作模式下引脚3需通过电阻进行接地。1.2.3温湿度传感器在本次设计中出于对于性能功耗的需求，以及实际工作环境的考虑，因而决定采用AM2303型号的温湿度传感器来完成硬件结构设计，该型号的处理器的内部结构由两个温度感应元件组成,分别为电容式的HCO2以及DS18B20两个感应元件，内部结构较为复杂，包括内置的8为单片机和信号放大器，同时还可以利用内部的A/D转换器共同完成对于采集信号的放大和转换，将校准信息以程序的形式存储在OTP内存中，实时对于输出和调用的信号进行校验，确保校准系数正确。图3-4GPS模块外围电路图AM2303采用标准单总线接口，体积小节约空间，可以在低能耗的情况下工作，符合作业要求，适合安装在记录仪硬件终端，完全可满足于勘察记录仪的设计要求。AM2303为四针单排引线封装，引脚1为电源端，保证其正常工作需接入1.3V-6V电压,电源通电后需在1s的不稳定时间保持不动，才能继续进行操作。引脚2作用是串行数据的发送和接收，串行数据发送通讯时间约为5s，必须在串行时钟上升沿才能有效工作。当实际工作状态中出现小于20米数据线的使用情况时，必须将其拉到高电平进行工作，同时线路上接入5k的电阻。引脚3在处于工作状态应当悬空。引脚4接接到电源负极或通过电阻进行接地处理。1.2.4数据传输方式选取目前较为常见且成熟的数据通讯方式包括第三代移动通信、第四代移动通信以及卫星通信、CDMA、GSM、GPRS等。在早期实际应用的过程中，常规方式存在误码率低等重大问题但因其低廉的价格和简单的组网技术得以被广泛使用。与其他的方式相比较卫星通信具有很高的可靠性，同时传输速度很快可以保证其实时性，但考虑到其高昂的运营维护成本最终未能得到广泛的应用。GSM通信网络是一种电路交换系统，应用GSM进行通讯可以最大限度上节约成本同时具有很广的应用覆盖面，但受限于短信传输的单一形式，以及实时性较差的特点不满足设计的要求。GPRS是建立在GSM的基础上运用了其无线分组交换技术的新技术，在向着第三代网络的发展过程中逐渐衍生的产物，其特性与2G、3G均不相同，与GSM网络相比无论是传输速率、资源利用率等方面均有巨大的优势，同时较短的接入时间更保证了其应用的广泛性。第三代移动通信业务也就是我们常说的3G技术时技术革新的新一代成果，可以实现全球漫游同时在数据和音频、视频的处理上具有处理方式和速度上的优势，但是将其应用的记录仪终端还存在部分技术问题。因而经过上文对于各类通讯技术的讨论分析比较其优劣，可以得出结论，GPRS技术更适合用于本次设计进行数据传输。本次设计的GPRS在综合考虑工作状态和成本等方面因素后决定采用SIM900系列的双频GSM/GPRS模块来完成设计，该模块在设计中的主要功能是提供无线数据接口来保证信号的传递，不仅仅可应用于电力线路勘察，在电力系统无线抄表，车辆轨迹检测系统等方面具有广泛的应用。SIM900内嵌TCP/IP协议栈模块，釆用标准的工业接口，工作频率为其主要的工作频率为850/900、1800/1950MHZ，支持SIM卡接口，SPI接口，I2C、ADC、串行接口以及模拟音频接口。其封装尺寸较小，节约设计空间便于将其应用到记录仪这类便携式产品，同时在待机模式下具有低能耗的优点适于野外作业。SIM900的外围电路图见图3-5。BVAT为三个电源输入引脚，15个GND引脚直接接地。IGT（引脚1）外接到地的模拟开关，当拉低该引脚保持一秒后可以开启模块。LED隔800ms闪烁一次时，SIM900未进行网络注册，LED隔3秒闪烁一次时，SIM900注册到GSM网络，LED隔300ms快速闪烁时，SIM900注册到GPRS网络，LED熄灭时，SIM900未开始工作。RF（引脚60）外接SMA接口的射频天线，本系统中使用胶棒天线，与SIM900相匹配，工作频率为890—960MHz、1710—1880MHz。RI（引脚4）外接LED指示语音呼叫或短消息到达状态，待机情况下为高电平。当收到SMS时，RI脚拉低，持续120ms后又变回低电平。MICP和MICN（引脚20、21）为麦克风输入脚，SPP和SPN（引脚22、23）为音频输出脚。图3-5SIM900外围电路图图3-6SIM卡接线图SIM900可应用两种类型的SIM卡，分别为其提供1.8V以及1.3V，工作时自行对两种模块进行选择,可以直接连接同名段。SIM900与SIM卡的部分接口电路图见图3-6。在10口串联10K的电阻来进行阻抗匹配，为了保证工作过程中可以稳定读取SIM卡，在走线时要尽可能选择靠近SIM900的引脚连接SIM卡的引脚，避免出现引线过长而带来的无法识别的问题。SIM900和STM32F103之间通过串口使用AT指令集进行通信。由于SIM900串口电平标准为2.8V,SRM32F103的串口电平为1.1.V,可以在相应引脚间串联一个1K的电阻进行匹配。1.2.5电源模块处于勘察现场便于携带的考虑，本设计选用DL-G50便携式24V移动电源，考虑到本次设计的电力线路勘察记录仪中硬件部分的处理器和传感器都需要1.3V供电，本设计的数据传输模块的工作电压确是2.2V。因此本系统的电源模块的任务是先将24V转为5V,然后再分别转2.2V和1.3V。24V转5V的电路见图4-7，该电路釆用了LM2576开关稳压芯片，其内部安装的基准稳定器可以保证52KHz稳定工作的振荡器，可以保证工作过程中异常情况下对输入电流起到限制作用，可以将最多40V的输入电压进行转换，输出电压在其区间内处处可调，最大输出电流3A。图3-724V转5V电路5V转1.3V电路见图4-8，釆用了AS1117三端可调低压差线性稳压器，该芯片可在极宽的温度范围内工作，并具备过流保护功能，同时使用修正技术,保证输出电压的误差小于百分之一。图3-85V转1.3V电路SIM900模块的供电电路见图3-9。图3-95V转2.2V电路SIM900的工作电压为1.4V—2.5V,在模块正处于电线数据传输的工作状态时，可能会有2A的瞬时电流峰值,要保证记录仪能够安全稳定的工作必须保证电源的供电稳定性，因而本次设计考虑到稳定性因素选取了MIC29302作为供电芯片，利用其低压稳定器的特定稳定输入在2.2v。同时MIC29302还具有提供反向电流的功能，在发生电压瞬变时，可以快速瞬态反应进行过压保护。1.2.6显示模块本次设计的显示模块采用便携式液晶屏来支持，根据实际需求选择了LPH7366液晶屏，显示模块实时进行数据的接收，可以支持多种串型通信协议，具有较快的传输速率。同时将其安装在记录以上可以接入电源模块传输的1.3v电压，当工作电压较小时还会自动进行掉电，保护设备的安全稳定工作。LPH7366的外围电路图见图3-10。图4-10LPH7366外围电路图2勘察记录仪软件设计2.1温湿度传感器软件AM2303的工作需要等待STM32对其发出指令，传感器在初始化完成后须向处理器发送物理地址，为保证正常进行工作至少要将总线拉低800us,而释放总线则需等到处理器停止发送命令，处理器对于传感器的响应信号具有判定的作用，需要判定它的准确性，在确准无误后传感及开始采集温度湿度实时数据，再根据I/O点电平变化来进行接收工作。处理器与传感器之间采用单总线的形式进行通信和同步，在接收到发送的约40bit的数据后，对其得到的数据进行计算，对于峰值进行总和校验。完成一个周期的采样工作后，传感器转入非工作状态对外输出50us信号，等待处理器对其发出终止信号停止工作，直至再次得到处理器的起始信号。在数据的采集过程中，对于传感器数据的读取要有一定的时间间隔，若间隔的时间小于2s会造成数据难以成功传输且存在误差。本次设计所选用的温湿度釆集程序流程图见图4-1。图4-1温湿度釆集程序流程图2.2GPRS模块软件GPRS作为用于进行数据信息传输的交换的通路，负责将记录仪硬件系统所采集到的信息实时传输。本文所设计的GPRS模块主要包含晶振、定时器、时钟等，在工作前仍要进行模块的初始化，同时启动前还要先行设定时钟频率保持一致，保证数据准确传输。该模块的主要任务是完成将数据传输至处理器以及接收处理器的指令信息，设定单片机串口的工作方式为x,UART,8位，数据传输速率实时变化，定时器的工作方式用y来表示,数据传输速率约设置为9650b/s,在模块SIM900启动以后，接收来自单片机的指令，在接收到AT指令后完成初始化，同时向单片机发送反馈信息，处理器需要对反馈信息做出判断成为初始化成功的判据。GPRS模块软件设计流程图见图4-2。图4-2GPRS软件流程图2.3GIS数据应用2.1.1GIS相关技术基于GIS广泛的数据源，这导致了GIS技术的应用过程依赖于其他信息技术的复合使用，针对GIS数据的分析处理能力和与GIS协同工作的方式，将其区分为一下分类，主要包括：桌面制图、计算机CAD、RS、GPS以及DBMS。（1）桌面制图桌面制图是利用地图作为工具来组织数据的信息系统，在用户交互方面也有很广的应用。系统的任务就是利用制作地图来产生数据库。但在空间分析和数据关系上桌面制图系统具有很大的局限性，缺乏相应的个性化能力。桌面制图系统的操作主要是局限于计算机上。（2）CAD计算机辅助设计(CAD)系统在建筑、水力、勘探行业应用十分广泛。随着技术的不断成熟和进步，CAD开始逐渐更多的被应用于地图设计领域，其本质也是设计地图作为数据库，可以进行简单的分析，但仍缺少管理数据的工具。（3）RS和GPS技术RS技术测量地球的各类信息主要应用传感器、照相机等，应用GPS、RS技术综合使用收集各类图像信息，方便对其进行数据分析和利用，为之后的进程更有利于研究，缺少了RS、GPS对GIS数据进行更新，难以真正的利用GIS技术。（4）数据库管理系统(DBMS)\t"/item/GIS%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"数据库管理系统是专门被开发用于储存和管理数据，可以管理不同类型的数据，包括矢量型的地理数据。应用DBMS使得储存管理数据以及针对数据进行调用和回放变得更加便捷、直观，许多GIS系统基于它进行使用。2.1.2GIS数据库自从GIS系统逐渐得到应用，对于堪察所得空间数据开始可以进行合理的储存和管理，可以应用数据库调取数据有效的进行决策，因而对于GIS的定义也可以是通过分析和应用数据更好的管理。应用GIS的核心就是先建立GIS数据库。GIS数据库建立过程用框图的形式表示见图4-3。一个数据库系统最重要的部分是其功能和用途，数据库的功能和用途有管理数据的结构来决定。高效的应用组织、和管理数据可以减小构建数据库的复杂工作量，更有利于实现预定的功能设计。信息系统所储存有庞大的数据其中关系复杂，想要建立系统满足实际应用的要求，需要事前缜密的计算同时有明确的目标，经过长时间的复杂工作才能得以完成。（1）信息系统中的数据复杂多样，涉及的数据源来源很广泛，应该明确数据信息的属性，针对此建立数据描述结构，统一进行描述；图4-3建立GIS数据库过程框图（2）数据库中数据统一进行管理的举措必不可少的一项就是具有统一性的编码，对于编码的设计再简单便于管理的同时还需要满足国家标准和同行业所制定的规范；（3）地理信息中图片形式也占有很大的比重，图片表达必须要具有统一的形式；（4）数据并非在数据库中封存，数据的意义在于不断读取和交换共享，在交换共享的过程中离不开数据形式的灵活转换，需适应各类常见的数据形式。2.1.3数据形式矢量化为实现将数据进行一体化并在数据库中统一管理，需要将信息导入数据库中这里的信息指的是对要素图层编辑而得到的制图数据，应用这种方式，录入数据库的数据可以统一管理，统一检查数据的精确程度，确定数据的精确程度便可以更好的分析数据，同时在录入之后仍要进行检查确保数据的精确。通常我们都是利用ArcGIS软件来完成数据的矢量化，但应用其中的编辑工具条所得到的数据质量较低，这是由于矢量化过程的构造工具十分有限，面的要素不够平滑，在操作过程中需要遵守，如合理的进行分割要素，合理应用构造工具构造要素等。在属性录入的过程中，数据库先通过各类位置信息、坐标位置等进储存空间实物，使其拥有独特的属性数据，在数据矢量化的过程中进行在自动赋值，同时对于不可避免的不能自动赋值的信息进行手动赋值。2.1.4建库