【滑坡监测系统的软硬件设计案例分析5400字】

滑坡监测系统的软硬件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u15433滑坡监测系统的软硬件设计案例分析 1298431.1系统硬件设计 1138721.1.1处理器模块设计 159771.1.2电源模块设计 244951.1.3惯性测量模块设计 4232451.1.4传感器接口电路设计 5257591.1.5PCB板设计 6120231.2系统软件设计 738931.2.1系统下位机软件设计 832261.2.2系统上位机软件设计 121.1系统硬件设计根据2.3.4章节硬件设计方案，系统硬件设计采用模块化设计思想，分模块对系统的硬件电路进行设计，监测系统模块包括：处理器模块、电源模块、电力载波模块、惯性测量模块、GPRS模块、SD卡模块、Lora无线通信模块和传感器接口电路，其中GPRS模块、SD卡模块、电力载波模块和Lora无线通信模块均选用现有的产品，本小节主要讨论剩余模块的设计。考虑到设备安装空间狭小，需要充分考虑PCB板尺寸和元器件体积，在满足功能的基础上尽量减少电路板所占空间。1.1.1处理器模块设计为实现系统多场特征参数监测需求，提高系统监测的实时性、准确性和可靠性，传感器采集的频率需要相对较高，测量节点与节点之间数据传输需要相对及时，对于传感器采集的初始数据，需要进行数字滤波等一系列处理，对于惯性测量单元采集的数据还需要进行复杂的姿态解算，鉴于系统工作在野外，还要求系统能够工作稳定可靠，实现滑坡体的长期稳定监测，这就要求处理器有较强的数字运算能力，较高的稳定性和可靠性，而高性能的单片机（MCU）具有较高的计算性能、丰富的外设资源，可靠性高，功耗低，本设计选用STM32F103RET6型号单片机作为各测量节点的处理器。STM32F103RET6系ST公司生产，基于Cortex-M3架构，主频72MHz，工作电压1.7V~3.6V，芯片存储为512KBFlash，64KBSRAM，并且拥有丰富的外设资源，有3个12位的ADC，5路串口，3路SPI，2路IIC，还集成CAN总线、外部时钟、内部时钟等各种外设，足以满足监测系统的使用需求。根据各测量单元功能需求，系统需要使用ADC、串口、IIC、SPI等外设。为增加系统的准确性，处理器模块选用12M晶振作为外部时钟标准；就下载调试接口而言，相比于JTAG接口下载方式和串口下载方式，SWD下载方式仅需4个接口，所用器件更少，占用空间更小，为遵循电路板小体积设计理念，采用SWD下载方式供电路板下载调试使用；为提供更稳定的电压给处理器使得处理器工作稳定可靠，采用100μF电容对3.3V电压进行滤波后接入STM32F103RET6各电源引脚上。如图1.1所示为处理器模块硬件电路图。图1.1处理器模块电路1.1.2电源模块设计地上测量单元与地下测量设备各个监测节点间通过一条48VAC/50HZ电力总线进行电能传输和数据通信。保证各监测节点正常工作并能稳定可靠传输数据，电源模块是至关重要的一环。由于总线采用交流电供电和通信，电源模块的设计除考虑满足各传感器、元器件所需的电压、功率等要求外，还需要考虑模拟电路和数字电路的隔离以及雷电隔离保护，保护设备在野外环境受到大电流冲击时不被破坏，保证数据传输稳定可靠。各个测量节点包括处理器、惯性测量元件、各类传感器、电力载波模块、GPRS模块、SD卡模块，涉及到12V、5V、3.3V不同幅值的电压，其中孔外测量单元对应的孔内测量节点还包括无线输电模块，所需的功率较大，电流较高，孔外四个卡爪总电流达2A，为设备工作可靠，设计最大3A的电流输出。由于总线采用48V交流电，若直接转成12V直流，压降过大，功率管发热严重，转换效率会降低并且会加大散热要求，因此采用先降压到24V直流电再逐步降压到所需的电压方案，对电源模块进行设计。电源模块设计采用TL783、MC7812、AZ1117-3.3和LD1085V50四款稳压芯片分别作为24V、12V、3.3V和5V的不同电压值输出芯片。图1.2为电源模块电路，主线48VAC/50HZ传入各模块后，经过整流桥、电容器整流滤波，将交流电转换成直流电。经过TL783后转换成24V直流，一方面直接输入到LD1085V50芯片转换成5V输出，另一方面输入到隔离稳压电源模块后连接到MC7812芯片，经MC7812芯片输出12V后输入到AZ1117-3.3芯片输出3.3V，供各模块、器件使用。在电路设计中，各芯片输入端和输出端两端各接一个滤波电容，目的在于保证芯片输入端电压的稳定和提高输出端电压的稳定性。图1.2电源模块电路表1.1所列为主要模块的工作电压和最大工作电流等工作参数，其它诸如电阻、电容等元器件功率消耗相对较小，可忽略不计，因此未列入表中。表1.1主要模块工作参数模块工作电压/V最大工作电流/AGPRS模块120.08SD卡模块3.30.08STM32处理器3.30.135mpu9250惯性测量模块3.30.025无线输电模块52Lora无线通信模块3.30.106CYY9振弦式土压力计120.02CYY2孔隙水压力计120.02EC-5土壤水分测量仪3.30.01选用VRB2424S-10WR3隔离稳压电源模块作为模拟电路和数字电路的隔离以及雷电隔离保护的模块，其参数如表1.2所示。表1.2隔离稳压电源模块参数隔离稳压模块最大输入电压/V最大输出电流/A隔离电压/V工作温度范围/℃VRB2424S-10WR3300.4171500-40~85表1.3所示为各电源芯片相关参数，由表可以看出，与各功耗器件相比，各部分芯片选型输出能力均有较大的冗余，设计满足功耗要求。表1.3电源芯片参数芯片名称最大输入电压/V最大输出电流/A工作温度范围/℃典型纹波抑制/dBTL7831500.70~12576MC7812401-40~12560AZ1117-3..3151-40~12570LD1085V50303-40~125721.1.3惯性测量模块设计惯性测量模块布设于孔内常规测量单元各个测量节点中，用于监测各测量节点的姿态信息，利用姿态解算算法和轨迹解算算法构建位移场监测模型，推演出滑坡体竖向位移变形情况，确定竖向位移分布。mpu9250芯片内部集成三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，通过IIC通信方式与微控制器传输数据，为保证数据传输可靠，IIC时钟线SCL和数据线SDA分别连接10KΩ上拉电阻，如图1.3所示，为惯性测量模块的硬件电路设计图。图1.3惯性测量模块电路1.1.4传感器接口电路设计地下水水位、土压力、孔隙水压力、土壤含水率等传感器输出的模拟量数据通过传感器接口电路后，与微控制器的ADC引脚相连，通过STM32微控制器内部的12位ADC将模拟量转为数字量，实现模拟量数据的采集。STM32F103RET6微控制器的ADC外设共三个，采样电压范围为0~3.6V，本设计采用120Ω标准采样电阻对传感器输出的4~20mA标准电流进行采样，对应采样电压区间为0.48V~2.4V，在微控制器AD接口采样范围内；ADC外设的参考电压源设计为2.5V，采用TL431三端可调基准电压源芯片，其具有良好的热稳定性，低输出噪声电压，为进一步提升输出电压的稳定性，保证ADC基准电压的稳定性，进而提高ADC采样的准确性，在2.5V输出端接一个100nF的电容对电压进行滤波。传感器接口电路设计选用LM324芯片为运算放大器，共设计4路模拟量采集接口电路，其中两路两线制接口，为12V供电，两路四线制接口，其中一路为3.3V供电，一路为12V供电。孔内常规测量单元各节点正常工作时，仅位于孔底部的一个测量单元为模拟量输出型的传感器，即DipperLog地下水水位自动记录仪，其为三线制传感器，接于12V供电的四线制接口中的三个引脚，一个引脚空置，其它三个传感器接口用作扩展；孔外测量单元各节点正常工作时，有三个模拟量输出型的传感器，其中CYY2孔隙水压力计和CYY9振弦式土压力计为两线制传感器，接于两个两线制传感器接口上，EC-5土壤水分传感器为三线制传感器，接于3.3V供电的四线制接口上，剩余一路四线制接口用作扩展，扩展接口可用作两线制、三线制、四线制且为12V供电、4~20mA输出型的三种类型传感器使用。如图1.4为传感器接口电路。图1.4传感器接口电路1.1.5PCB板设计PCB板设计综合考虑了信号抗干扰、设备运行稳定性和可靠性、散热、防雷等多方面因素，遵循小型化设计理念，在满足设备基本功能的同时，保证设备能够达到滑坡体钻孔尺寸安装要求，并能在野外恶劣环境下稳定运行。为降低高频干扰信号对电路的影响，抑制电路和干扰源之间的瞬态共模压差，同时消除大地和电路板地之间由于野外雷电等因素引起的静电压差，避免设备宕机，监测系统所有测量节点的电路板GND和设备外壳之间使用一个2.2nF/2kV的电容并联一个300Ω的电阻，并将设备外壳于大地相连，提高设备总体的电磁抗扰度，电路板接地处理电路图如图1.5所示。同时为降低地线阻抗，抑制噪声，改善电路板散热环境，在PCB板上采用大面积GND覆铜，进一步提升设备的稳定性和可靠性。图1.5电路板接地处理电路图图1.6、1.7所示分别为电源电路板和孔内常规测量单元各节点电路板，其尺寸均为35mm×60mm，两块电路板通过螺栓连接固定在各测量节点上，其中PE引脚以螺栓为导线连接到测量节点机壳上实现电路板接地，各测量节点之间连接的双绞线屏蔽层亦连接在机壳上实现整体设备的接地处理，保证设备安全稳定运行。图1.6电源电路板两块电路板成层叠状布置，加上其上元器件，总高度为35mm，满足测斜管内径50mm的尺寸要求。图1.7孔内常规测量单元各测量节点电路板1.2系统软件设计在完成硬件设计后，需要配合软件实现系统的特定功能，具体包括下位机软件设计和上位机软件设计。下位机软件在监测系统硬件上运行，主要实现滑坡监测系统各场特征参数的采集、处理和数据存储、传输，上位机软件用于实现人机交互，并对下位机传输的数据进行进一步加工处理，构建监测系统位移场和温度场模型，显示设备采集的滑坡体各项参数，存储历史数据，便于通过上位机对监测设备进行监测和调控，本节将对上述功能的实现作详细讨论。1.2.1系统下位机软件设计由1.1.1节所述，监测系统各个节点的主控芯片均采用STM32F103RET6芯片，因此系统的下位机软件在此微处理器上构建，为避免编写直接操作寄存器的复杂代码，同时增加代码的可读性，提高程序开发的效率REF_Ref65773089\r\h[68]，本文代码编写在Keil5平台上完成，并结合意法半导体公司提供的STM32CubeMX软件，使用HAL库完成下位机软件的编写。根据2.3.5节所提出的下位机软件设计方案，系统下位机软件总体设计流程如图1.8所示。图1.8系统下位机软件总体设计流程由2.3.5节所述，下位机软件分为地上测量单元、孔内常规测量单元、孔内测量单元卡爪对应节点和孔外测量单元四个部分。系统上电后，各监测节点根据其主控芯片外设的使用情况，进行时钟、GPIO、定时器、串行通信口、IIC通信口、ADC、SDIO等片内外设的初始化操作，初始化完成后，顺次读取各个监测节点采集的数据，整个系统每个2min向上位机上传所有监测节点的数据并存储，详细设计如下：（1）地上测量单元下位机软件设计图1.9地上测量单元下位机软件设计流程如图1.9所示，上电后，地上测量单元进行时钟、GPIO、定时器、串行通信口、SDIO等系统初始化操作，其中SDIO用于管理SD卡，初始化完成后，接收地下测量设备各节点的初始化完成信号，当所有节点完成初始化后，地上测量单元打开计时器开始计时并依次向地下测量设备各个监测节点请求数据，在发送完第100个测量节点的数据请求后转而向第一个节点请求数据，周而复始，不断地获取各个节点采集的数据，当定时满2min后，向上位机终端发送所有节点数据并将当前时间段采集的所有数据保存到SD卡中。（2）孔内常规测量单元下位机软件设计图1.10孔内常规测量单元下位机软件设计流程如图1.10所示，系统上电后，孔内常规测量单元进行时钟、GPIO、串行通信口、IIC通信口等初始化操作，其中IIC通信口用于获取MPU9250数据，孔内测量单元孔底监测节点除了上述初始化操作外，还需进行ADC初始化操作用于读取地下水水位传感器数据，各外设初始化完成后，监测节点向地上测量单元发送初始化完成指令，然后进入各节点的数据采集程序，在采集程序中对采集到的温度、地下水水位等原始数据进行数字滤波处理保存到相应的寄存器中；对MPU9250惯性传感器的原始数据进行3.3节所述的数据预处理后，通过卡尔曼数据融合算法获取节点的姿态角信息。当接收到地上测量单元发送的数据请求时，孔内常规测量单元通过串口向地上测量单元发送当前时刻节点的温度、姿态、地下水水位等信息。（3）孔内测量单元卡爪对应节点下位机软件设计图1.11孔内测量单元卡爪对应节点下位机软件设计流程如图1.11所示，与孔内常规测量单元软件设计流程相比，在获取节点温度和姿态信息的程序上是相同的，不同的是，孔内测量单元卡爪对应节点在系统初始化完成后，需要等待所有孔外测量单元初始化完成，才向地上测量单元发送节点初始化完成指令，而且在此之后需要向孔外卡爪依次请求数据，以获得孔外卡爪的相关信息，在接收到地上测量单元发送的数据请求指令后，将本节点的数据连同四个卡爪采集的数据一并上传至地上测量单元。（4）孔外测量单元下位机软件设计图1.12所示为孔外测量单元软件设计流程，上电后进行时钟、GPIO、串行通信口、ADC等外设初始化操作，完成初始化后向孔内测量单元卡爪对应节点发送初始化完成指令，采用中断的方式获取传感器数据，将获取的土压力、孔隙水压力、土壤含水率等原始数据进行数字滤波处理，并更新相应的寄存器中的数据，当