引 言
近年來，設備各國為各自利益逐漸加強了海洋研究，模擬海洋觀測方法日趨多樣化，海洋觀測平臺成為研究海洋的重要途徑 [1]。海洋觀測平臺由MCU 控制，外圍接若干海洋設備終端，如采用溫鹽深儀傳輸海洋溫度、鹽度、壓力；多普勒流速剖面儀傳輸海流流速、流向等數據。一個成功的海洋觀測平臺的開發需要首先經過實驗室的聯合調試。
若干個課題組協同工作時，經常共同使用有限個設備終端，或者存在訂貨周期過長、設備出海等問題，導致聯合調試時因某些設備缺位而延長系統調試周期，而模擬器可以較好地解決這些問題。此模擬器無需深入了解設備的通信協議與響應數據格式，只需對實際設備實現一次操作，即可學習實際設備的通信協議，最終達到代替實際設備參與系統調試的目的。
1 總體設計
系統總體結構如圖 1 所示。
本文設計的模擬器由STM32F103 微處理器模塊、供電模塊、LED 燈指示模塊、存儲模塊、串口模塊、按鍵構成。 按鍵用于系統硬件復位，撥動開關選擇系統工作模式，LED 燈指示系統的運行狀態，存儲模塊用于存儲系統數據，防止 掉電丟失。其工作方式分為兩種，一種是學習實際設備的指令 與響應及實際設備收到指令與發出響應的時間間隔，學習數據 存入 FLASH ；另一種是模擬實際設備，在收到上位機指令后， 通過字符匹配 FLASH 中的指令，延長實際設備收到指令與發 出響應的時間間隔，回復與指令對應的響應。模擬器工作簡圖 如圖 2 所示。
2 硬件設計
2.1 存儲模塊
STM32F103 內核為 Cortex-M3，采用 ARM V7 構架，是 現今性價比最高的一款 ARM 微控制器，最高工作頻率可達 72 MHz，該芯片具有 64 kB SRAM，512 kB FLASH，擁有快 速的中斷處理 [3]。本設計使用了芯片的 USART1、USART3、 Timer3、Timer7 及 SPI 接口。
串行外圍設備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是 一種全雙工，高速、同步的通信總線，在芯片的管腳上只占 用四根線。本設計使用 STM32F103 自帶的 SPI 來實現對外部 FLASH（W25Q128）的讀寫操作 [4]。如圖 3 所示，W25Q128 是華邦公司推出的大容量 SPI FLASH 產品，容量為 128 Mb， 即 16 MB，可用于存儲字庫和其他用戶數據，系統掉電后數 據不丟失，滿足了本設計的數據存儲要求。設置 SPI 為全雙 工、主機模式、8 位幀格式傳輸，高位在前，具有 CRC 校 驗功能 [5]。SPI 波特率預分頻值為 256 分頻，傳輸速度為36 MHz/256=140.625 kHz。
2.2 串口通訊部分設計
儀器通訊通常采用串行通信和并行通信兩種方式[6]。串行通信方式具有使用線路少、成本低的優點，在遠程傳輸時， 避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用 [7]。計算機和單片機都具有串行接口，可以完成上位機與模擬器、模擬器與實際設備之間的通訊任務。如圖 4所示，模擬器串口1可以實現兩種不同的通訊模式，通過跳線帽或者撥動開關選擇相應的通信方式，即 RS232，RS485，理論上可實現不僅限于海洋儀器的模擬，具備較強的延伸性。
此設計使用 SP3232 芯片作為 TTL 轉 RS 232 芯片。數據 傳輸速率最高為 20 kb/s，最大距離為 15 m。可供兩路串口共 同使用，接口為延伸通訊接口，可同時使用 DB-9 與三線制連 接法，兩者均使用 RXD、TXD、GND 三條信號線，程序設 計中未使用握手信號，可直接發送和接收數據。RS 485 隸屬 于 OSI 模型物理層電氣特性的規定，為兩線、半雙工、多點 通信的標準。其電氣特性和 RS 232 不一樣，而是用纜線兩端的電壓差值來表示傳遞信號，通訊距離為 1 200 m[8]。本設計 使用 MAXIM 公司生產的 MAX3471，USART_RE 為發送使 能端，接 STM32 的 GPIOA_8，高電平發送數據，低電平接收 數據，接收和發送均由軟件控制。串口 3 與串口 1 的電路圖基 本相同，處于學習模式時與實際 IO 設備連接。
2.3 狀態控制部分設計
系統運行狀態由 STM32 的 GPIOE_3 的輸入邏輯電平控 制，連接外部三腳撥動開關，通過判斷該引腳的輸入邏輯電 平來決定模擬器的工作方式，電平狀態改變則系統工作狀態 改變。運行狀態指示燈（紅色 LED 燈）連接引腳 GPIOB_5， 系統運行狀態不同則指示燈閃爍運行方式改變。
2.4 供電設計
供電電路采用電平轉換芯片 AMS1117-3.3，這是一個 5 V 轉 3 V 穩壓電源芯片，內部集成有過熱保護與限流電路。通過 該芯片，可以實現對模擬器的 3.3 V 供電與 5 V 供電，同時也 可以使用 USB 供電，保證了模擬器在多供電環境的使用。供 電模塊還具有供電狀態指示燈（藍色 LED 燈）。
3 系統軟件設計
（1）程序初始化：初始化包括串口初始化，定時器初始化， W25Q128 初始化。程序中加入了看門狗，可防止系統因外界 環境的干擾而出現程序跑飛的現象 [9]。為保證模擬器正常穩定 地工作，程序采用輪詢方式確定是否改變模擬器的工作狀態。
（2） 定 時 器 在串口通信中的 軟件 設 計：USART1 和 USART3 采用中斷接收字符方式共同使用 Timer7，通過判斷 接收到的兩個字符間的時間差來斷定是否為連續的數據 [10]。 Timer7 是 STM32F103 自帶的兩個基本定時器之一，定時器中 斷優先級為 0，高于串口優先級，采用由下至上的計數方式， 10 ms 進入一次定時器中斷，定時器中斷中串口接收標記設 置為接收完成，兩個字節接收時間間隔小于 10 ms 即認為這 兩個字節屬于同一字符串，通過定時器來判斷接收的字節是 否屬于同一次數據，避免兩次數據間的干擾。將 USART1 和 USART3 接嵌入式模塊。Timer3 是通用定時器，在本設計中 用來記錄 USART1 開始透傳數據至 USART3 到 USART3 收 到外部數據之間的時間間隔，即實際設備的響應時間，定時器 中斷每隔 1 s 進入一次，在中斷時間間隔執行自加操作，以一 定的格式將時間間隔寫入 FLASH 保存，便于后續讀取。
（3）為了保證上位機指令與設備響應正常匹配，W25Q128 中的數據存儲格式如圖 5 所示。
模擬器模擬設備時析出有效數據，程序流程如圖 6 所示。
4 結 語
本設計以模擬美國 TELEDYN 分析儀表公司的多普勒流 速剖面儀（ADCP）以及 Sea-Bird 公司的 SBE39-IM 型溫鹽深 儀為例，實現了對這些實際儀器IO功能的模擬。通過實驗檢驗， 成功實現了實驗室環境下模擬器代替 ADCP 在定時衛星通信 系統中的作用以及代替 SBE39-IM 型溫鹽深儀在電磁耦合浮標 系統中的作用。
