1、引言

在高頻的超聲波數(shù)據(jù)采集及頻率分析的應(yīng)用中，通常會(huì)采用實(shí)收實(shí)發(fā)的系統(tǒng)來模擬收到信號(hào)，目前最經(jīng)常采用的模式是使用下位機(jī)高速連續(xù)采樣，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的模式，然后在將檢測(cè)的信號(hào)通過D／A發(fā)送出去。這種模式可以完成M級(jí)甚至于Ｇ級(jí)的數(shù)據(jù)連續(xù)采樣，目前已經(jīng)在高速的工業(yè)信號(hào)采集中得到了廣泛的應(yīng)用。

提出基于STM32的實(shí)收實(shí)發(fā)系統(tǒng)，主控芯片采用目前最新的STM32F407芯片，屬于ARM公司推出的最新一代低功耗高性能片上系統(tǒng)，內(nèi)核為CORTｅｘM4，最高主頻可以到168MHｚ，內(nèi)部采用ARM的精簡(jiǎn)指令集，單周期指令，并且集成了ARM公司的浮點(diǎn)DSP指令集，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)濾波以及FFT運(yùn)算，計(jì)算能力超過TI的200M主頻的DSP；由于采用了片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此片內(nèi)集成了大量的外設(shè)，具有較強(qiáng)的控制通信能力，很適合在工業(yè)控制信號(hào)處理中使用。整個(gè)系統(tǒng)基于STM32的低功耗設(shè)計(jì)，且系統(tǒng)體積較小，整個(gè)系統(tǒng)可以在不依賴主機(jī)的情況下進(jìn)行獨(dú)立工作，具有較好的應(yīng)用前景。

2、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

提出基于STM32的超聲波實(shí)收實(shí)發(fā)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：1）信號(hào)調(diào)理；2）數(shù)據(jù)采樣分析；3）PWM發(fā)射組成。硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ?總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的核心處理器采用了基于CORTｅｘM4內(nèi)核的STM32F407芯片，最高穩(wěn)定工作主頻為168MHｚ，內(nèi)核功耗僅為128μA／MHｚ，采用ARM的32ｂIT精簡(jiǎn)指令集，單周期指令，并且集成了ARM公司的浮點(diǎn)DSP指令集，擁有乘累加器與除法器，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)濾波以及FFT運(yùn)算，計(jì)算能力較強(qiáng)，并且可以采用開源的ARM－ｇCC編譯器進(jìn)行編譯，軟件設(shè)計(jì)較為靈活，同時(shí)意法半導(dǎo)體已經(jīng)將芯片的內(nèi)核及外設(shè)都編寫了驅(qū)動(dòng)庫，更加簡(jiǎn)化了應(yīng)用的難度。

3、信號(hào)調(diào)理部分設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理部分采用了模擬比較器輸入的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?模擬比較器輸入結(jié)構(gòu)

信號(hào)通過高速運(yùn)放搭建的模擬比較器，比較器的比較電壓通過STM32F407的DAC提供，用于初始化進(jìn)行噪聲采集，門限自適應(yīng)，這樣可以濾除存在于信道中的噪聲。

信號(hào)經(jīng)過了模擬比較器后得到了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，方波信號(hào)進(jìn)入到STM32F407的IO口中。

4、信號(hào)判斷及處理

首先利用STM32F407片內(nèi)的ADC對(duì)外部噪聲進(jìn)行采集，由于需要判斷的信號(hào)頻率在300～500ｋHｚ，因此采樣率需要設(shè)定為500ｋHｚ的2倍以上。

STM32F407的單個(gè)ADC控制器工作的最高頻率為36MHｚ，并且一個(gè)采樣周期最短為15個(gè)工作周期，因此最大的采樣率為2．4MHｚ。不過對(duì)于更為高速的信號(hào)，STM32F407可以將3路ADC并聯(lián)使用，形成交錯(cuò)采樣，因此STM32F407最高的采樣率為7．2MHｚ。

圖3 ?噪聲采集設(shè)計(jì)原理

為了 保證采樣的精度，因此采用了2路ADC并聯(lián)使用，使得采樣率達(dá)到4．8MHｚ，保證了在500ｋHｚ的噪聲頻帶上也能有10倍的采樣率。噪聲采集設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

將噪聲采集后使用DMA傳輸8192個(gè)點(diǎn)的噪聲信號(hào)，計(jì)算噪聲的幅度，并根據(jù)噪聲的最大值與均方根值確定比較器的電壓幅度門限，然后通過DAC發(fā)出門限電壓信號(hào)給比較器，形成電壓門限。

承載了單頻脈沖的待測(cè)信號(hào)經(jīng)過了模擬比較器后變成了1個(gè)方波信號(hào)，方波信號(hào)進(jìn)入了STM32F407芯片的PA0腳，在PA0腳中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿的脈沖信號(hào)，該上升沿會(huì)觸發(fā)中斷，從而開始記錄信號(hào)的脈沖次數(shù)以及信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度，通過脈沖長(zhǎng)度與脈沖次數(shù)的商值可以得到信號(hào)的頻率、脈寬。當(dāng)信號(hào)的2次脈沖的間隔小于預(yù)設(shè)區(qū)間或者大于預(yù)設(shè)區(qū)間時(shí)，就會(huì)被判定為無效脈沖或者是噪聲脈沖，由此減小信號(hào)的虛警概率。頻率計(jì)算如式（1）。

單個(gè)信號(hào)周期時(shí)間＝脈沖寬度時(shí)間/信號(hào)上升沿（1）

頻率脈寬測(cè)量流程如圖4所示。

圖4 ?頻率脈寬測(cè)量流程

經(jīng)過頻率計(jì)算后，通過定時(shí)器進(jìn)行物理延時(shí)，模擬信號(hào)傳播的時(shí)間，在延時(shí)后，啟動(dòng)PWM定時(shí)器，將測(cè)量的頻率值輸入至PWM定時(shí)器中。同時(shí)再啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，作為控制PWM信號(hào)脈沖寬度的定時(shí)器。控制脈沖寬度的定時(shí)器控制發(fā)射的時(shí)間需要比檢測(cè)到的脈沖長(zhǎng)度長(zhǎng)20％，以模擬接收到的高頻聲信號(hào)的拖尾現(xiàn)象。PWM脈沖發(fā)射控制流程如圖5所示。

圖5 ?PWM脈沖發(fā)射控制流程

5、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的分為了2個(gè)部分，第1部分為主功能模塊設(shè)計(jì)，這部分的設(shè)計(jì)流程已在信號(hào)判斷處理這部分中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；第2部分為總體工作模塊，這部分需要對(duì)軟件進(jìn)行整體的架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)在整體框架下還包括了子通信模塊。整體軟件的架構(gòu)如圖6所示。

圖6 ?軟件總體設(shè)計(jì)流程

整體軟件的架構(gòu)由信號(hào)判斷處理模塊、延時(shí)工作模塊、通信模塊等4個(gè)部分組成，信號(hào)判斷處理軟件模塊用于噪聲門限、信號(hào)頻率判斷的程序。

第4個(gè)部分是SD卡的存儲(chǔ)，STM32F407有一個(gè)SDIO的接口，可以實(shí)現(xiàn)4線SD卡存儲(chǔ)或者是其他符合SDIO協(xié)議的設(shè)備工作，例如SDIOWIFI設(shè)備等。這里采用了基于2．0標(biāo)準(zhǔn)的SDHC卡，這種類型的卡出了容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1代標(biāo)準(zhǔn)的卡以外，在初始化的程序上也有所不同，加入了CMD8命令用于確認(rèn)工作電壓是否穩(wěn)定，具體初始化與工作的流程如圖7所示。

圖7 ?SD卡初始化流程

6、系統(tǒng)測(cè)試

首先建立測(cè)試環(huán)境，模擬一個(gè)40M距離的聲傳播反射通道，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖8所示。

圖8 ?試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況

系統(tǒng)測(cè)試首先給出噪聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過采集的噪聲后，將數(shù)據(jù)通過進(jìn)行保存并用于確定門限，噪聲信號(hào)采集如圖9所示。

圖9 ? 噪聲信號(hào)采集

預(yù)處理結(jié)束后中接入3組單頻脈沖信號(hào)，分別為300ｋHｚ、400ｋHｚ、500ｋHｚ的單頻脈沖信號(hào)，初始信號(hào)通過傳播管道進(jìn)行超聲傳遞，本系統(tǒng)根據(jù)噪聲信號(hào)確定門限，檢測(cè)到傳播的信號(hào)，并準(zhǔn)確測(cè)量出給定信號(hào)的頻率，最終輸出的PWM信號(hào)，輸出信號(hào)結(jié)果如圖10所示。圖10（A）為輸出的單個(gè)脈沖內(nèi)的方波信號(hào)，圖（ｂ）為單頻脈沖信號(hào)在長(zhǎng)時(shí)間下的情況。

圖10 ?PWM結(jié)果輸出

7、結(jié)論

研究了基于STM32的實(shí)收實(shí)發(fā)系統(tǒng)，通過對(duì)比分析各種不同的信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，得出了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：采用意法半導(dǎo)體公司基于ARMCORTｅｘM4內(nèi)核的STM32F407。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速鑒頻，測(cè)量脈沖寬度等功能；并且在檢測(cè)結(jié)束后延時(shí)發(fā)射單頻脈沖信號(hào)，并模擬信號(hào)拖尾的情況。同時(shí)還帶有UART通信接口，采用DMA方式工作，用于與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采樣的結(jié)果通過SDIO接口存入SDHC卡中。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，頻率計(jì)算精準(zhǔn)，PWM頻率精度高，本系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用價(jià)值。