SAMD20/21>+ATWINC1500的智能容栅位移传感器设计

于兴晗

(中国水利水电科学研究院, 北京 100038)



SAMD20/21>+ATWINC1500的智能容栅位移传感器设计

于兴晗

(中国水利水电科学研究院, 北京 100038)

介绍了一款使用SAMD20/21+ATWINC1500方案设计并实现的WIFI智能容栅位移传感器，并详细介绍其原理和相关技术。本文设计的传感器可以将测量的位移数据通过WIFI接口上传到Internet，异地终端接收数据并处理，不但可以实现异地测量，而且可以实现多个传感器智能组网、协同处理，扩大了容栅位移传感器的使用范围。

容栅；位移传感器；WiFi；SAMD20/21；ATWINC1500

引　言

目前，大部分的容栅位移传感器(如千分尺、直线位移传感器等)，都是直接通过电路转换，将动栅模块的输出数据转换成标准的RS232/RS485/USB等有线方式，上传给电脑终端处理，或者是直接转换成液晶读数供使用者目测使用。使用RS232/RS485/USB集线器，可以将多个传感器接入电脑终端。接入传感器的数目越多，这种有线传输方式的弊端也越来越明显，影响了容栅传感器的使用范围。其弊端主要表现在以下几个方面:

◆ 传输距离有限，一般限制在1.2 km以下。

◆ 多个接入困难，必须使用中间设备(集线器)才可接入多个传感器。

◆ 占用空间，传感器的接入需要外接电缆，电缆越长占用的空间越大，使用的局限性就越大。

◆ 使用地域有限，不支持异地测量。

随着WIFI技术的发展，本文设计了一种基于WIFI技术的智能容栅位移传感器，不但解决了上述弊端，还增加了容栅位移传感器的使用范围。

1　原　理

WIFI智能容栅位移传感器的硬件结构图如图1所示。

图1　硬件结构图

电路设计主要包括5部分：容栅测量电路、SAMD20/21控制核心、ATWINC1500 WIFI驱动电路、电源管理和电池管理电路，各部分电路说明如表1所列。

其工作时，系统上电时，由电池管理电路判断并切换供电电源，输出电压经电源管理电路转换后分别向各个模块电路单独供电，此时由系统的控制核心SAMD20/21监测容栅测量电路的输出数据，接收到输出数据通过控制核心程序，按照动栅协议转换成计算机可以处理的浮点数，最后启动WIFI驱动电路，按照通信协议规定将数据打包并发送到接收终端(PC机)，接收终端在接收到数据后再进行存储或专业处理。

表1　电路说明

2　程序设计

(1) 硬件程序

WIFI智能传感器的原理结构框图如图1所示，整个系统的实现需要解决的问题主要有：动栅模块输出数据解析，需要将动栅模块的输出数据读入并解析成控制器可以识别的数据；参数存取，需要将一些系统工作需要的重要参数存储在非易失性存储器中；WIFI控制，该装置将读取的数据通过WIFI控制器上传到数据终端(数据中心，移动终端和智能手机等);任务运行控制，用来控制整个程序的运行和调度；功耗管理和其他处理。程序结构图如图2所示。

图2　转换装置程序结构

(2) 专业处理软件结构

大部分的传感器上传数据都需要使用电脑终端机来处理，本文描述的终端机通过读取数据转换装置WIFI上传的数据，将其存储成文件并可进行分析，由于篇幅有限，本文仅对其实现的一部分UDP数据的实现进行描述，其程序结构如图3所示，主要包括6部分：端口监视、数据解析、数据处理、数据显示、数据存储和数据分析。

图3　终端机数据处理平台结构图

3　实　现

3.1SAMD20/21

SAMD20/21采用ARM Cortex-M0+处理器核心，最高主频为48 MHz， 2.14 Core mark/MHz，运行模式下能耗低至70 μA/MHz，继承了ARM Cortex-M0+高效能比的优良特性。独有的事件触发系统(Event System)在实时应用中为功耗敏感的设计提供了强有力的保障。内部集成的存储资源包含256 KB的Flash和32 KB的SRAM。在目前主流采用了ARM Cortex-M0+内核的微控制器中，这已经是相当豪华的配置了。其还使用64引脚的QFN封装，对于电子发烧友来说，这是一个可以方便焊接的封装。基础通信总线接口方面，集成了6个通用串行通信接口(Serial Communication Interface, SERCOM)，每个接口均可通过软件配置成 UART/USART、SPI 或I2C总线的任意一种工作模式。高级通信总线接口方面，内置的嵌入式全速USB2.0模块支持主机和设备两种模式，配备96 MHz 音频流分数PLL的双通道I2S接口。模拟外设方面，集成1个20通道的16位高精度ADC、1个12位的DAC、2个模拟比较器，以及丰富的GPIO和众多功能强大的定时器模块。

SAMD21J18A微控制器除了丰富特定的片内资源，还具有从SAMD20系列向上兼容的特点，全速USB、高端定时器在特定的工业领域扮演着重要的角色，而高精度的ADC、DAC，保证了其在计量等专业领域的用武之地。

3.2ATWINC1500

Atmel SmartConnect——WINC1500 是一 种支持 IEEE 802.11 b/g/物联网控制标准的片上系统，该系统主要针对低功耗移动应用进行优化。 支持单流802.11n模式，提供了72 Mbps PHY 速率。片内集成了功率放大器、 LNA、开关和功耗管理。 ATWINC1500内部集成 了Flash 和外围接口(包括UART、SPI、I2C总线) 。支持(12～32 MHz)宽范围的外部时钟源，支持QFN封装。

3.3程序流程

工作流程图如图4所示。整个系统调度的核心为命令处理，整个系统在工作时，一直处于接收数据状态，当接收到命令数据时，按命令来对数据进行处理。本系统的命令主要包括启动采样、关闭、休眠和设置参数等，正常情况下，设备在接收到启动采样命令才会读取容栅传感器的数据，并将数据通过WIFI上传到主机，主机在把接收到的数据进行存储、处理和分析。

3.4专业数据分析软件

本文描述的数据分析软件是在WIN10操作系统上，使用Visul studio 2013开发的，可以实现大部分的数据操作，包括数据存储、数据分析等，由于篇幅有限，本文只提供其主要界面和数据分析曲线，如图5所示。4幅图分别是：接收数据界面、实时曲线、系统事件记录和数据分析曲线。此外，版本软件还支持将数据导出存成EXCEL和记事本格式的文件，方便用户做进一步的分析。

图4　程序流程图

结　语

按照本文描述所开发出来的数据转换装置，不但实现了容栅数据转换的基本功能，如现场数据的采集、存储和发送，而且利用其WIFI接口提供的强大功能和丰富的硬件资源，也可将一些复杂和实用功能(如与智能手机互联、Email数据发送、Web数据发布和应答式数据响应等功能)集成到本系统中。通过本文描述开发的数据转换装置，具备传统装置所不具备的优势，主要表现如下：

① 可以应用在现场无电源的野外，由于本系统支持锂电池供电，在无外部电源的情况下也可以正常工作。

② 支持无网环境工作，在无Internet的环境下，只需对无线路由器进行简单设置就可使装置正常工作。

图5　版本1.0数据分析软件运行主界面和数据分析曲线

③ 自动组网，当多个设备同时接入时，这些设备将自动获取IP，组成局域网，形成测试网络，从理论上讲，一个UDP端口可以接入253个传感器，端口取值范围为1～65 535，平台可以接入65 535×253个传感器，增大了测试系统的应用范围。

④ 支持异地测量，由于网络技术的发展，支持网络的地区也越来越多，因此异地测量就成为可能，在进行异地测量时可以将MQTT通信数据集成到本系统中来实现。

⑤ 可以与智能手机(iPad、平板电脑等)互连，本装置可以使用UDP数据，或者是Email、TCP、MQTT利用web发布与智能手机建立连接。

随着WIFI技术的发展，支持WIFI接口的设备也越来越多，WIFI技术本身的技术优势也使本装置的应用领域进一步扩大，而且本装置使用的技术具有一定的典型性，非常适合在其他领域推广。

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于兴晗(水利工程师)，主要从事水利、数据采集和嵌入式开发方面的研究。

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

(责任编辑：杨迪娜2016-03-16)