一种基于STM32的数据采集与监控系统的远程监控终端设计

摘要：针对处于偏远地区或恶劣环境中的无人值守设备的运行状态的监控问题，本文应用嵌入式技术以及工业以太网技术设计了一种数据采集与监控系统的远程监控终端。围绕核心处理器STM32F107VC构建了终端的硬件系统，介绍了网络接口设计、输入/输出接口设计和本地存储电路设计。监控终端软件基于ARM公司的RL-ARM中间件，实现了多任务并行的网络实时通信、基于WebServer的远程配置服务和临时存储现场数据的文件系统。应用结果表明，系统可靠性高、实时性强，有效降低了远程监控系统成本。

引言

数据采集与监控系统是以计算机为基础的分布式控制系统与电力自动化监控系统，广泛应用于电力、冶金、石油、化工等诸多领域。数据采集与监控系统依靠其数量庞大的远程终端单元收集各终端站点信息和执行控制策略。远程终端单元的性能、成本、可靠性对整个系统而言举足轻重。数据采集与监控系统如图1所示。

对于终端站点现场环境恶劣或站点广泛分散的系统，要求站点长期无人值守，如电信公司的电话光纤网络交接设备、高速公路机电设备等。如何保证终端站点的信息高效、可靠地上传，并能对中心系统的命令及时响应，成为目前广泛研究的热点问题。参考文献提出了一种基于GPRS无线传输的无人值守低功耗远程终端的设计方案;参考文献设计了基于MODBUS协议的RS485通信方式的远程终端;参考文献设计了基于CAN总线的智能监控终端。但是基于以太网通信的无人值守远程监控终端的设计方案还较少。本文基于以太网通信方式，以STM32F107VC网络处理器为核心单元，实现了一种低成本、高效、稳定的远程终端单元。

1 远程监控终端硬件设计

对于电信公司EPON无人值守设备、高速公路无人值守机电设备等所处的远程站点，通常布设有可以利用的可靠光纤网络，基于网络通信并充分利用网络服务是监控终端设计时优先考虑的重点。作为现场环境的监控设备，远程监控终端应具备下述功能：稳定的工业网络标准接口;与现场信息采集设备和执行机构的输入/输出接口;本地大容量备份信息存储。

1.1 系统设计

系统结构如图2所示，采用STM32F107VC网络处理器作为系统核心单元，此芯片具备72 MHz运行频率和90DMIPS的处理性能，集成了以太网、CAN总线、RS485、RS232、USBOTG等各种高性能工业标准接口，其标准外设包括10个定时器、16路12位1 Msps采样速率的A/D模/数转换器、2路12位D/A数模转换器等，可以应用于多种工业场合。在核心处理器的基础上，充分利用其集成的外设单元，设计相应的外围接口电路，实现了需求功能，保证远程监控终端的稳定性，降低了系统成本。

1.2 网络通信接口设计

STM32F107VC核心处理器内部集成支持工业以太网标准IEEE1588的Ethernet MAC Interface，需要外部扩展PHY连接物理层网络。选用美国国家半导体公司的DP83848C芯片作为物理层接口芯片，该芯片是10/100Mb/s单路低功耗物理层接口器件，与核心处理器通过Media-Inde pendentInterface(MII)相接。以太网通信接口电路如图3所示。

1.3 输入/输出接口设计

输入/输出接口包括AI(Analog Input)接口、DI(Digital Input)接口和DO(Digital Output)接口。AI接口连接传感器获取现场连续变化的信号，如温度、湿度、烟雾等;DI接口连接传感器采集现场的开关量信息，如设备震动、开关门动作、水浸超标和系统断电等;DO接口输出数字信号控制执行机构动作，如继电器等设备。

STM32F107VC内部集成ADC，输入通道的幅值范围为0～3.3 V，传感器输出的模拟量数据需要经过滤波、放大的处理过程输入至ADC接口通道。ADC的精度很大程度上依赖于基准电源的精度，系统采用高精度参考电压源AD780为STM32F107VC提供基准电压。AD780是一款超高精度带隙基准电压源，可以通过4～36 V的输入电源提供2.5～3.0V输出基准电压。它具有低初始误差、低温度漂移和低输出噪声，非常适合用于增强高分辨率ADC的功能。系统的AI接口电路如图4所示。

STM32F107VC的GPIO引脚都可以由软件配置为输入/输出模式，并且输入可承受5 V TTL电平。系统采用PC817光电耦合器实现GPIO引脚与外围电路的电气隔离，提升终端的电绝缘和抗干扰能力。DO接口使用大电流三极管驱动继电器输出开关信号。

1.4 本地存储电路设计

远程监控终端系统的数据存储分为两部分：系统参数ROM，保证系统掉电后数据不丢失，选取8 KB存储容量的24LC64芯片，使用I2C总线接口对其进行读写操作。

选取SD卡作力现场数据的临时存储器。SD卡具有数据传输率快，移动灵活性好且具有较高的安全性等性能，当网络出现异常时暂时存储