【正文】 此時遠程監(jiān)測終端由蓄電池供電。需要注意的是，為適合電池充電要求，需要選擇合理的變壓器匝數(shù)比。一般來說系統(tǒng)使用24V的蓄電池時，這樣在電路設計的過程中，這就需要在電路設計的時候選擇合適的變壓器和整流橋。圖42 電源切換及電池充電電路Fig42 Circuit of power conversion and battery charge遠程監(jiān)測終端的總體供電方案如圖43所示。由圖可知，數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、傳感器及信號前端電路都是24V輸入。通信模塊及數(shù)據(jù)采集模塊的供電電路在后面相關章節(jié)將單獨介紹。圖43監(jiān)測終端電源供電框圖Fig43 Power supply of monitoring terminals block diagram 數(shù)據(jù)采集模塊的電路設計數(shù)據(jù)采集模塊以具有ARM公司最新的CortexM3內(nèi)核的微處理器STM32F103C6T6為核心，負責監(jiān)測終端總體控制功能。該部分電路主要包括：STM32F103C6T6微處理器外圍電路[36]，串行通信接口電路、模擬信號采集前端電路、開關量信號處理電路和SD卡接口電路，以下將分別進行說明。 微控制器外圍電路（1）振蕩電路振蕩器是微控制器的心臟，它產(chǎn)生微控制器工作需要的基本時鐘，STM32F103C6T6處理器具有內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器的雙時鐘系統(tǒng)，本系統(tǒng)設計中一種簡單的方法是利用STM32F103C6T6處理器內(nèi)部自帶的振蕩器，但考慮到設備的工作環(huán)境溫差變化大，溫度對處理器內(nèi)部晶振影響較大，為了保證遠程監(jiān)測終端串行通信的可靠性，設計中采用的是外接一個晶振，晶振兩端分別連接在STM32F103C6T6處理器的OSC_IN（5）（OSC_IN表示引腳名稱，5表示引腳編號，以下含義與此相同）和OSC_OUT（6）引腳。利用處理器內(nèi)部的PLL電路將頻率放大和信號提純，系統(tǒng)以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，以降低因高速開關時鐘所造成的高頻噪聲，設計中外接的是一個頻率穩(wěn)定性為20ppm的8M的晶體振蕩器，經(jīng)PLL擴頻后處理器運行在72MHz。遠程監(jiān)測終端的STM32F103C6T6處理器振蕩電路如圖44所示。圖44 處理器振蕩電路Fig44 Processor oscillating circuit（2）啟動電路STM32F103C6T6處理器擁有3種啟動模式，這些模式是通過STM32F103C6T6的BOOT1（20）和BOOT0（44）引腳來選擇的。3種啟動模式的說明見表41。表41 啟動模式Tab41 Start mode啟動模式選擇引腳BOOT模式說明BOOT1BOOT00系統(tǒng)FLASH存儲器系統(tǒng)存儲器被選為啟動空間01用戶閃存存儲器用戶閃存存儲器被選作啟動空間11系統(tǒng)SRAM存儲器系統(tǒng)SRAM被選作啟動空間由于本系統(tǒng)不擴展外部存儲器，應該選取從片內(nèi)FLASH存儲器啟動，該模式要求啟動控制引腳BOOT0（44）拉低，BOOT1（20）引腳可任意狀態(tài)。出于對器件防靜電干擾的考慮，在設計中將BOOT0（44）和BOOT1（20）引腳通過100K的電阻接地。啟動電路如圖45所示。圖45 啟動電路Fig45 Start mode circuit（3）復位電路STM32F103C6T6處理器復位引腳NRST（7）屬于低有效復位。本設計中使用SP708芯片[37] 搭建手動/自動復位電路，可以保持長達200毫秒的復位信號有效時間，當初始上電時，芯片自動產(chǎn)生復位信號；也可以由/MR引腳通過按鍵接地，當按下按鍵時，提供手動復位功能。復位電路如圖46。圖46 復位電路Fig46 Restart circuit（4）電源處理為了增強STM32F103C6T6處理器對電源紋波的抗干擾能力，在STM32F103C6T6的VDDA（9）和VSSA（8）、VDD_1（24）和VSS_1（23）、VDD_2（36）和VSS_2（35）、VDD_3（48）和VSS_3（47）引腳之間放置了濾波電容。 STM32F103C6T6處理器的電源處理電路如圖47。圖47 微處理器的電源處理Fig47 Microprocessor power processing（5）JTAG調(diào)試電路STM32F103C6T6處理器支持標準的JTAG接口調(diào)試及程序下載。JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)的仿真和調(diào)試[38]。JTAG技術是一種嵌入式調(diào)試技術，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路，通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試。JTAG的典型信號主要有：TMS：測試模式選擇，即通過TMS信號控制JTAG狀態(tài)機的狀態(tài)；TCK：測試時鐘輸入；TDI：數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口；TDO：輸出輸出，數(shù)據(jù)通過TDO輸出JTAG口；nTRST：測試系統(tǒng)復位信號；nRESET：目標系統(tǒng)復位信號；由于STM32F103C6T6的JTAG調(diào)試接口內(nèi)部已有上下拉電阻，因此調(diào)試接口外部的上下拉電阻可以省略。JTAG接口電路如圖48所示。圖48 JTAG接口電路Fig48 JTAG interface circuit 實時時鐘電路根據(jù)項目需求，上位機要對采集的數(shù)據(jù)進行完整分析，需要明確采集數(shù)據(jù)的確切時間，因此遠程監(jiān)測終端需要一片實時時鐘芯片。STM32F103C6T6處理器片上外設具有實時時鐘RTC（Real Time Controler），、內(nèi)部低功耗RC振蕩器或高速外部時鐘經(jīng)過128比例分割來提供時鐘。此外STM32F103C6T6處理器具有一個專門為RTC供電的引腳VBAT（1），方便于采用電池為RTC供電，這樣即使設備斷電，設備的時鐘也能夠正常運行。設計中應用的時鐘電路如圖49所示。，同時使用一節(jié)紐扣電池為RTC提供電源，電路中發(fā)光二極管D1的作用是指示電池的電量，當電池電量不足時，發(fā)光二極管D1將亮，用于提示用戶更換電池。圖49 實時時鐘電路Fig49 Realtime clock circuit 數(shù)據(jù)采集模塊的供電電路~。而從上一節(jié)我們知道數(shù)據(jù)采集模塊的外部輸入電壓是24V，因此本系統(tǒng)設計中采用兩級電壓變換，先通過LM2575開關穩(wěn)壓集成電路將外部輸入電壓從24V轉換成5V，再使用低壓差電源芯片LDO（Linear Drop Out）。LM2575開關穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數(shù)情況下不需散熱片，內(nèi)部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等。，輸出電壓的精度在百分之一以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護功能。數(shù)據(jù)采集模塊供電電路原理圖410所示。電路中二極管D1是為了防止電源反接，外部24V直流電源經(jīng)CE5濾波后通過LM2575將電源穩(wěn)壓至5V，（VCC），發(fā)光二極管D7用于指示是否有外部24V直流電源輸入，當有外部電源輸入，發(fā)光二極管D7點亮，否則熄滅。圖410 數(shù)據(jù)采集模塊供電電路Fig410 Data acquisition module power supply circuit 數(shù)據(jù)采集模塊的串行通信電路串行通信使用電子工業(yè)協(xié)會（EIA）推薦的RS232C標準，這是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標準，幾乎所有的微控制器、PC機都提供串行接口。要完成最基本的串行通信功能，實際上只需要RXD（數(shù)據(jù)接收）、TXD（數(shù)據(jù)發(fā)送）和GND（地）。但是由于RS232標準所定義的高、低電平信號與STM32F103C6T6處理器的TTL電路所定義的高、低電平信號完全不同，TTL的標準邏輯“1”，標準“0”，而RS232標準采用負邏輯方式，標準邏輯“1”對應5V至15V，標準邏輯“0”對應+5V至+15V，顯然兩者之間進行通信必須經(jīng)過電平轉換。設計中采用了SP3232E芯片作為電平轉換的接口電路。STM32F103C6T6處理器內(nèi)置兩個異步串口，每個都可以工作在中斷和DMA模式。在應用中串口1用來和M23A GPRS通信模塊通信，串口2用來和VC313嵌入式視頻壓縮卡進行數(shù)據(jù)交換。串行通信接口電路如圖411所示。需要注意的是：與串口1相連的9針串口座的1號引腳與STM32F103C6T6處理器的PB10引腳相連，該引腳將作為GPRS模塊的點火引腳，在以下的相關章節(jié)將進一步說明。圖411 數(shù)據(jù)采集模塊的串行通信接口電路Fig411 Data acquisition module serial munication interface circuit 模擬信號采集電路A/D轉換器（Analog to Digital Converter）是一種能把模擬量轉換成數(shù)字量的電子器件[40]，A/D轉換器在嵌入式控制系統(tǒng)中主要用于數(shù)據(jù)采集，提供被控對象的各種實時參數(shù)，以便嵌入式處理器對被控對象進行監(jiān)視。本系統(tǒng)中需要將外部傳感器送出的模擬信號轉換為數(shù)字信號并交給系統(tǒng)處理器進行處理，因此涉及到模數(shù)轉換功能。STM32F103C6T6處理器自帶2個12位精度、10通道的模數(shù)轉換器，因此本部分電路的設計只需要將傳感器的輸出信號變換到STM32F103C6T6的模數(shù)轉換器輸入范圍之內(nèi)。但由于STM32F103C6T6處理器沒有電壓基準源引腳，STM32F103C6T6處理器以芯片工作電壓VDD（）作為模數(shù)轉換參考電壓，為了保證測量的精度，系統(tǒng)設計中將處理器工作電壓VDD接入一路ADC通道，通過軟件處理將該通道ADC測量的VDD值作為ADC參考電壓值。 系統(tǒng)中的模擬信號采集電路如圖412所示。由于前端液位傳感器輸出是4～20mA的電流信號，~，為了避免外部尖峰脈沖干擾和前級電路對模數(shù)轉換精度的影響，將電壓信號經(jīng)過電壓跟隨器后再接入STM32F103C6T6處理器的模數(shù)轉換輸入通道ADC12_IN0，通道ADC12_IN2接口和ADC12_IN0功能相同，是系統(tǒng)設計時預留的冗余。通道ADC12_IN3用于監(jiān)測系統(tǒng)電源輸出，以區(qū)別當前采集板是通過外部電源供電還是電池供電。電源板輸出電壓經(jīng)過大電阻分壓、經(jīng)電壓跟隨器之后進入該通道，當該通道上電壓為零時，說明數(shù)據(jù)采集板使用的電池供電，當該通道電壓在3V以上時，表明采集板使用的是市電接入。通道ADC12_IN1用于測量測量處理器工作電壓VCC，為了避免STM32F103C6T6處理器的模數(shù)轉換通道輸入阻抗太小引起VCC電壓跌落，VCC電壓經(jīng)電壓跟隨器后接入模數(shù)轉換輸入通道ADC12_IN1。圖412 模擬信號采集前端處理電路Fig412 Analog signal acquisition frontend circuit 開關量輸入處理電路由于選用的接近開關、紅外報警器輸出電平范圍超過了STM32F103C6T6處理器所能承受的高低電平范圍，因此需要進行電平轉換。開關量信號的處理電路如圖413所示，圖中所示的開關量信號處理電路一共有4路，本系統(tǒng)中只用了兩路，另外兩路是系統(tǒng)預留的冗余。在圖413所示電路中，當外部開關量輸出高電平時，光耦導通，處理器監(jiān)測引腳上是低電平，當外部開關量輸出低電平時，光耦不導通，光耦輸出引腳通過外部上拉電阻到高電平，因此處理器監(jiān)測引腳上將是高電平，即處理器監(jiān)測的信號電平是實際開關量輸出的反向。系統(tǒng)設計使用的開關量設備都是NPN常開型的，因此在設備上電正常工作時開關量輸出是高電平，即413圖中JJ2開關量輸入端口處正常情況下都是高電平輸入，處理器檢測引腳一端是低電平；而在開關量設備沒有接入JJ2端口及開關量觸發(fā)輸出時，處理器檢測引腳一端都是高電平，利用電路處理上的這個特點，整個系統(tǒng)就可以對外設備是否被接入和故障進行檢測，配合軟件的處理，就可以對外設備被破壞進行報警。圖413 開關量信號處理電路Fig413 Switch value signal processing circuit 開關量輸出處理電路數(shù)據(jù)采集板系統(tǒng)中設計了2路繼電器開關量輸出電路，系統(tǒng)中微控器通過控制繼電器內(nèi)部觸點的開關切換實現(xiàn)對報警器和井場照明設備的控制。系統(tǒng)中使用的開關量輸出電路如圖414所示。圖414 開關量輸出電路Fig414 Switch value signal output circuit LED及蜂鳴器電路數(shù)據(jù)采集模塊部分設計了4個獨立的LED，用于指示設備運行狀態(tài)。LED通過STM32F103C6T6處理器的GPIO口直接控制，當處理器GPIO引腳輸出高電平時LED點亮，低電平時LED熄滅。為了使整個系統(tǒng)操作友好，在任何按鍵被按下時給出提示聲以及當系統(tǒng)發(fā)生故障時給出相應的聲音報警，設計了一個蜂鳴器電路，蜂鳴器使用PNP三極管Q2進行驅動控制，當Q2導通，蜂鳴器響，當Q2截止，蜂鳴器停止蜂鳴。通過蜂鳴器電路，用于指示系統(tǒng)中各種操作提示聲音。LED及蜂鳴器電路如圖415所示。 圖415 LED及蜂鳴器電路Fig415 LED and buzzer circuit SD卡接口電路為了保證在GPRS網(wǎng)絡不通時，遠程監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)不丟失，以及在有偷盜油警情出現(xiàn)時，監(jiān)測終端能本地保存井場附近圖片數(shù)據(jù)，監(jiān)測終端采用了一張128M的SD（Secure Digital Memory Card）卡來存儲采集的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行的相關參數(shù)。SD卡[41]由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開發(fā)研制，大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2克，擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。SD卡在24mm32mm，通過9針的接口界面與專門的驅動器相連接，不需要額外的電源來保持其上記憶的信息。SD卡的內(nèi)部結構框圖如圖416所示。圖416 SD卡內(nèi)部結構框圖Fig416 SD card’s internal stru