鄭杰1，趙敬鳳1，王海江1，李驚濤2，歐陽昱2，王峰2，黃旭東1

　?。?.安徽漢高電力科技有限公司，安徽 合肥 231202；2.安徽省電力公司，安徽 合肥 230022）

       摘要：研制了一種基于STM32的多功能抄表機，集成了多種信息采集模塊以及GPS/GPRS二合一模塊SIM908，含有多種通信接口和大容量存儲空間，利用IAP技術實現多應用加載并設計了二次開發平臺。該多功能抄表機具備成本低、擴展性好、信息采集全面等特點，滿足物聯網抄表需求。

　　關鍵詞：STM32；抄表機；IAP；SIM908

0引言

　　物聯網技術［1］的應用使得各行各業的信息化水平越來越高，尤其是在電力、供水、供氣等領域，自動化抄表［2］正在大力推進。隨著用戶對服務質量要求的不斷提高，對人工現場信息采集要求越來越高，除了對用戶用量信息按時采集外，還要對使用現場環境和現場設備信息進行采集。比如在電力行業，除了對電表用電量信息進行讀取外，還要求能夠采集電表資產條碼信息、設備的經緯度等信息，同時對現場人員的移動軌跡進行定位和記錄，便于管理。

　　由于行業抄表機的使用量比較大，對抄表機的成本要求嚴格，同時對抄表機的功能要求更多更全。這給抄表機的開發帶來了挑戰。本文基于新型低成本低功耗的STM32處理器開發了一種多功能抄表機，利用IAP技術［3］實現多應用加載并設計了二次開發平臺。抄表機集成了多種信息采集模塊以及GPS/GPRS二合一模塊SIM908［4］，含有多種通信接口和大容量存儲空間，具備成本低、擴展性好、信息采集全面等特點，還能實現遠程數據下載和上報，使得現場抄表成本大幅度下降，提高了工作效率。

1技術原理

　　與其他儀表設備不同，抄表機要具備靈活的二次開發功能，支持加載運行不同的應用程序。為了實現這個功能，傳統的抄表機［5］開發基于嵌入式操作系統如Linux［6］或WinCE［7］。操作系統的使用對CPU的性能要求高、對RAM和ROM等存儲空間要求大，使得抄表機的總體成本上升，運行嵌入式操作系統的抄表機還存在開機啟動慢、界面操作復雜、功耗過大等不足，對于行業抄表這類應用場合并非最佳選擇。利用低成本的微控制器開發行業抄表機是最適合的。

　　在應用編程(InApplication Programming，IAP)技術是應用在Flash程序存儲器的一種編程模式。它可以在應用程序正常運行的情況下，通過調用特定的IAP程序對另外一段程序Flash空間進行讀/寫操作，甚至可以控制對某段、某頁、某個字節的讀/寫操作，這為數據存儲和固件的現場升級帶來了更大的靈活性。目前大多數閃存式微控器都支持IAP功能。

　　對于STM32這樣內含Flash程序存儲器的低成本處理器，IAP技術原本用來進行軟件升級使用。本文巧妙地利用IAP技術，將原本的升級操作變成不同的應用加載操作，實現支持多應用的功能。利用IAP技術，將內部Flash程序存儲器分為兩部分，低地址部分是主控臺程序區，高地址部分是應用程序區，如圖1所示。

　　主控臺程序區只運行固定的主控臺程序，負責系統設置、應用程序加載、文件管理等基礎功能。應用程序區存儲并運行由主控臺由SD卡中加載進來的應用程序。用戶在主控臺界面里可以選擇需要執行的那個應用，主控臺負責加載并跳轉運行。應用程序返回或退出后執行復位再次回到主控臺程序。

2硬件設計

　　本文采用STM32F103ZET6作為控制單元，STM32系列單片機基于ARM Cortex-M內核［8］，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，外設非常豐富。STM32F103ZET6屬于STM32增強型系列產品，時鐘頻率達到72 MHz，內置64 KB SRAM和512 KB Flash，擁有多個定時器、3個SPI/I2S、2個I2C、5個 串口以及USB 2.0接口，還有多個AD、DA轉換器。

　　2.1硬件構成

　　如圖2所示，抄表機由STM32處理器和多種外設構成，包含：通過FSMC接口連接的分辨率為240×320的LCD顯示屏（并通過PWM調節LCD亮度），鋰電池供電單元，由GPIO直接驅動的31個物理按鍵和2個LED指示燈，通過PWM方式驅動的可以發出多種不同的聲音的無源蜂鳴器，分別由5個串口連接的RS232、紅外收發模塊、RS485、電流環接口、條碼掃描模塊、SIM908模塊；通過STM32的SPI接口連接了W25Q16和SD卡，通過USB與上位機通信；還采用了高精度的RTC芯片DS3231SN，通過IC接口與STM32連接，配備了紐扣電池。

　　2.2基于FSMC的LCD驅動電路

　　可變靜態存儲控制器(Flexible Static Memory Controller，FSMC)是STM32采用的一種新型的存儲器擴展技術［9］。它在外部存儲器擴展方面具有獨特的優勢，可根據系統的應用需要，方便地進行不同類型大容量靜態存儲器的擴展。STM32通過FSMC可以與SRAM、ROM、PSRAM、NOR Flash和NAND Flash存儲器的引腳直接相連。本文利用FSMC對顯示屏的緩存進行高速寫操作，實現了快速顯示功能。FSMC設置為NORSRAM操作模式，使用該模式下Bank1的Sector4，用地址線A10作為數據命令區分線與LCD的RS腳連接，16位數據線與LCD模塊的數據線連接，剩余幾條重要的連線分別是FSMC_NE4連CS、FSMC_NWE連/WR、FSMC_NOE連/RD。

　　2.3按鍵、LED與蜂鳴器設計

　　抄表機一共有31個按鍵，如圖3所示。除了條碼掃描鍵、電源鍵和復位鍵，采用了矩陣鍵盤電路設計，節約引腳。按鍵設計充分考慮到應用需要，支持漢字輸入和特殊符號輸入，專門設計的復位鍵用于應用程序死機后復位系統。F1~F4為用戶自定義功能鍵?？旖萱I也可以用戶自定義使用。　

　　2個LED分別代表充電狀態、工作狀態。蜂鳴器采用無源驅動方式，通過STM32定時器產生PWM波形驅動發聲。通過改變PWM波形頻率，可以發出不同音調的聲音，再通過程序進行組合，使得不同的事件有不同的聲音提示，增強用戶使用體驗。

　　2.4SIM908模塊電路設計

　　SIM908 是一款集成GPS導航技術的四頻GSM/GPRS模塊。緊湊的模塊尺寸并將GPRS和GPS整合在SMT封裝里，為實現內嵌GPS的應用節省了開發時間和費用。SIM908模塊上自帶GPS和GPRS天線連接器，可以直接與陶瓷天線連接，不用考慮射頻PCB走線問題。本文采用UART5與SIM908模塊通信，通過AT命令交互信息進行GPRS通信和GPS定位信息獲取。比如使用"AT+CGPSPWR=1"命令打開GPS電源后，用"AT+CGPSPWR=1"命令進行復位，然后使用"AT+CGPSINF=32"獲取GPS定位信息。

　　SIM908的電源直接由鋰電池提供，STM32通過P-MOS管SI2301來控制供電。

　　2.5外設和接口

　　針對現場表計的通信接口，本文研制的抄表機包含了紅外、RS232、RS485和電流環接口。紅外通信采用38 kHz的標準載波調制。通過MAX3232CSE芯片將USART1擴展為RS232接口。通過SP3485EEN芯片將USART3擴展為RS485接口，同時設計了電流環接口。UART4接條碼掃描模塊，支持安裝一維或二維掃描模塊。通過USB接口將抄表機驅動在PC上虛擬成一個串口設備，進行數據上下裝，同時通過USB接口為鋰電池充電。

　　2.6電池充電及電源設計

　　抄表機采用了充電電流最高1 A的線性鋰電池充電芯片TP4056對2 000 mAh鋰電池進行充電管理。通過STM32的ADC對電池電壓進行采集，當電壓低于3.7 V時，用蜂鳴器進行提示并啟動關機倒計時。

　　本文采用了低壓差、低成本的LDO低壓差線性穩壓芯片RT9013-33為系統提供3.3V電源，它非常適合用于鋰電池供電的應用場合，通過EN引腳可以很方便地實現軟件自動關機和按鍵開關機功能，

3軟件設計

　　抄表機的軟件設計工作包括：基本驅動、文件系統設計、主控臺功能設計、API接口設計。

　　3.1基本驅動

　　基本驅動主要包含一系列設備初始化以及讀寫操作，如時鐘初始化、定時器初始化、串口初始化、GPIO初始化配置(蜂鳴器、按鍵、LED、控制線)、FSMC 初始化及配置、ADC初始化配置、IIC/SPI接口初始化、LCD模塊初始化、SD卡文件系統初始化。STM32提供了豐富的硬件開發庫，用戶可以方便地對片內外設進行編程。

　　3.2文件系統

　　本文采用了FatFs文件系統［10］來對SD卡進行文件讀寫。它是一個通用的文件系統模塊，用于在小型嵌入式系統中實現FAT文件系統。FatFs的編寫遵循ANSI C，不依賴于硬件平臺。可以很容易地移植到各種單片機平臺。FatFs文件系統支持fat16、fat32，包含ff.h、diskio.h、integer.h、ffconf.h 4個頭文件以及ff.c 文件系統實現。要實現具體的應用移植，主要工作是根據diskio.h實現其diskio.c 底層驅動，包含如下功能函數：disk_initialize 初始化磁盤驅動器；disk_status 獲取磁盤狀態；disk_read 讀扇區；disk_write 寫扇區；disk_ioctl 設備相關的控制特性；get_fattime 獲取當前時間。

　　3.3主控臺功能設計

　　主控臺程序負責系統設置、應用程序加載、文件管理等基礎功能。主控臺的流程如下。

　　如圖4所示，系統開機后首先進行設備初始化，然后進入主菜單，顯示主菜單，根據用戶選擇跳入各功能模塊。功能模塊的顯示和操作方法與主菜單一樣，阻塞方式檢測到按鍵后進行不同處理，通過返回鍵可以回到上級菜單。通過運行應用模塊將直接跳轉到應用程序區運行已經加載的應用，省去加載時間。而應用選擇模塊通過文件系統接口將SD卡中的應用文件羅列出來，用戶選定某一個后，將程序文件從SD卡中寫入到STM32的內部Flash的應用程序區，并跳轉執行。在菜單界面運行中，后臺會執行3種中斷處理：定時任務、串口接收、USB驅動處理。定時任務主要負責周期性的電量檢測和狀態條刷新，以及記錄閑置時間執行關機。

　　3.4API接口設計

　　為了便于用戶二次開發，本文設計了一系列的API接口，幫助用戶快速開發應用程序。主要包括：（1) LCD顯示相關函數，如繪圖、文字顯示；（2)按鍵獲?。唬?)文件系統接口；（4) 多功能輸入法接口；（5)時間獲?。唬?)定時器；（7)條碼掃描接口；（8)紅外/RS485/RS232收發接口；（9)USB通信接口及通信協議；（10) SIM908通信接口；（11)對話框接口；（12)簡單圖形界面控件。

4應用開發平臺設計

　　由于用戶二次開發的應用要在應用程序區運行，需要在編譯時對中斷向量表的地址進行偏移，同時要對程序起始地址進行設置。為了便于用戶快速開發，本文設計了專用的IDE開發平臺，將API接口庫和ARM編譯庫集成到一起，同時配置好中斷向量表和起始地址以及其他配置和編譯選項，用戶只需關注應用程序開發。平臺還集成了USB通信協議，可以直接將程序下載到抄表機中并運行。

5結論

　　本文設計的多功能抄表機具備成本低、擴展性好、信息采集全面等特點，提升現場抄表作業的工作效率和信息化管理水平。這種抄表機目前已經在安徽和江蘇的電力系統中廣泛使用。參考文獻

　?。?］ 王保云. 物聯網技術研究綜述［J］. 電子測量與儀器學報, 2009, 23（12）:17.

　?。?］ 曾維, 富饒. 基于電力載波的遠程抄表電能表的設計［J］.微型機與應用,2013, 32(16):8789.

　?。?］ 李婉婉, 李宏. 單片機IAP升級方法在血液分析儀中的應用［J］.微型機與應用, 2014, 33(21):1618.

　　［4］ 郭堅. 基于SIM908的無人機空氣質量監測系統設計與研究［D］. 天津：天津大學, 2013.

　　［5］ 夏丹. 手持PDA抄表終端系統的設計與實現［D］. 武漢：華中科技大學, 2007.

　　［6］ 陳立定, 呂盛林. 嵌入式Linux監控終端的多進程控制［J］. 自動化儀表, 2011,32（1）:1315.

　　［7］ 羅健飛, 吳仲城, 沈春山,等. 基于ARM和WinCE下的設備接口驅動設計與實現［J］. 自動化與儀表, 2009，24（3）:13.

　　［8］ 任順航, 呂鵬鵬, 王立鵬,等. 基于STM32的電能手抄系統設計與實現［J］.電子技術應用, 2014, 40(1):7578.

　　［9］ 潘輝. STM32FSMC機制的NORFlash存儲器擴展技術［J］. 單片機與嵌入式系統應用, 2009（10）:3134.

　?。?0］ 李世奇, 董浩斌, 李榮生. 基于FatFs文件系統的SD卡存儲器設計［J］. 測控技術, 2011,30（12）:7981.