摘 要：陆地声纳法主要应用在隧道施工地质预报方面，信号采集是地质预报的关键环节。将UCOS-II移植到STM32单片机，并利用其进行采样控制。将采集到的数据通过无线模块发送给上位机进行数据处理。本文针对陆地声纳数据采集系统进行了设计。

　　关键词：陆地声纳 STM32 无线数据采集 ucos-ii

　　中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0009-02

　　陆地声纳法是“陆上极小偏移距（震-检距）超宽频带弹性波反射连续剖面法”的简称，主要应用于隧道施工地质预报。其主要特点是：（1）采用接近于零震-检距的方式工作。（2）超宽频带的激发和接收（带宽可达2000～3000 Hz）。隧道施工环境复杂，容易发生塌方、涌水、涌泥、岩爆等地质灾害。隧道地面上到处是施工过程中炮轰产生的小碎石，很锋利。这些锋利的小碎石有时会把鞋底割破，并且隧道的掌子面是崎岖不平的。在这样的隧道环境中若采用有线的传输方式进行信号采集，传输线路经常会被割破甚至割断，这样造成了传输线的使用寿命不长，信号采集的可靠性不高，而且布线不方便并且耗费人力资源。因此，在这样的环境下，对无线数据采集系统的需求就非常迫切。而且短距离无线采集系统不用布线，快速布局，抗干扰能力强，可靠性高，使用灵活，具有有线数据传输无法比拟的便捷性，并且能进一步提高操作员的工作效率，节约成本。

　　由于陆地声纳法产生的地震信号最高频率为6000 Hz。根据奈奎斯特定律可以知道要想通过数字信号无失真的恢复模拟信号，采样频率必须大于等于信号最高频率的两倍。因此我们的采样频率最小为12 kHz，实验中为了保证采样相位的定时精度，我们每个周期采样10个点，采样频率为60 kHz。远远大于信号最高频率的两倍，故理论上能无失真的恢复原始的模拟信号。

　　陆地声纳法在实际采集信号中每次要同时采集3道的信号，即三分量的信号。为了保证数据的有效性我们在每个分量方向上进行5000个样点的采样。因此我们实际每次需要存储处理的信号采样点数为15000个。对于一个样点需要2Byte的存储空间。所以需要30K的存储空间，来保存这些数据，并把数据通过无线模块即时的发送出去，PC端的无线模块进行接收，并在PC上进行显示。

　　1 硬件设计

　　1.1 STM32简介

　　单片机的选择主要考虑了单片机自带的资源是否满足设计要求。选择合适的单片机，则可简化电路设计的复杂程度，提高系统的可靠性。综合考虑，系统采用了STM32F103RBT6作为微处理器，该芯片是STM32系列的一种。STM32是基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器。其内部的数据路径、寄存器、存储器接口是32位的。采用了哈弗结构，拥有独立的指令总线和数据总线，取指与数据访问并行不悖。时钟频率达到72 MHz，STM32F103RBT6具有低功耗、小体积、高效率、低成本等特点，它拥有强大的处理能力，在同类32位处理器中有很高的性价比。

　　1.2 无线模块

　　陆地声纳法采集到的数据发送到上位机是短距离传输，考虑到系统的低功耗及数据传输速率选择了NRF24L01无线模块，它是使用Nordic公司的nRF24l01芯片开发而成的，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。工作电压为1.9～3.6 V，有多达125个频道可供选择。可通过SPI写入数据，最高可达10 Mb/s，数据传输率最快可达2 Mb/s，芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA，接收时工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便，它能够很好的满足本无线系统的要求。其与处理器的接口电路如图1。

　　2 软件设计

　　2.1 ucos-ii的移植

　　在对地震信号的无线采集过程中为了更加有效的采集信号，及时的与上位机进行通信，我们需要对地震信号的采集与传输等多项任务进行合理的调度，有效实时的进行信号的采集与传输。传统的单片机开发工作中经常遇到程序跑飞或是陷入死循环。可以用看门狗来解决程序跑飞问题，而对于后一种情况，尤其是其中牵扯到复杂数学计算的话，只有设置断点，耗费大量时间来慢慢分析，这就会大大降低系统的效率。为了更好的管理这些任务，我们引入了操作系统，是一种免费、开放源代码、结构小巧、基于可抢占优先级调度的实时操作系统，其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。并且用户与内核之间接口程序编译相对简单，在单片机系统中嵌入将增强系统的可靠性，并使得调试程序变得简单，可以把整个程序分成许多任务，每个任务相对独立，然后在每个任务中设置超时函数，时间用完以后，任务必须交出CPU的使用权。即使一个任务发生问题，也不会影响其他任务的运行。这样既提高了系统的可靠性，同时也使得调试程序变得容易。

　　内核向STM32单片机上移植，只需要修改几个与处理器相关的文件，具体问题包括。

　　（1）设置OS_CPU.H中与处理器和编译器相关的代码，即定义与编译器相关的数据类型、堆栈类型、堆栈增长方向和SWI服务函数。

　　（2）OS_CPU_C.C文件中主要是任务堆栈初始化代码、软中断异常处理程序、开关中断和移植增加的特定函数。

　　（3）OS_CPU_A.ASM文件主要包括软件中断的汇编接口、任务级任务切换函数OS_TASK_SW和中断级任务切换函数OSIntCtxSw以及启动最高优先级就绪任务函数。

　　2.2 系统流程图

　　图2所示为系统程序流程图，程序开始工作后，首先对系统进行初始化设置，然后循环检测是否接收到开始采集信号，当接收到采集指令后，无线模块开始接收数据，同时扫描AD输入，并将采集到的数据寄存在单片机RAM中，并且及时的将数据通过无线模块发送到上位机进行同信。

　　3 结语

　　使用STM32F104RBT6单片机作为核心控制器，保证了系统能够快速响应，利用其内部的AD转换模块，大大简化了外部电路，UCOS-II的植入更方便地对各项任务进行管理，从而更好的保证了通信的实时性。

　　参考文献

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　　[5]Rompaey K，Bolsens I，De Man H. Coware A Design Environment for Heterogenerous Hardware/Software Systems.In Proc.of the European Design Automation Conference，1996：252-257.

　　[6]Nordic Semiconductor ASA.Nrf24L01 product specification[R].2006.

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