電磁感應(yīng)通信信號采集與存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫希彤+劉秋生

摘 要： 設(shè)計(jì)了一套感應(yīng)通信信號采集與存儲系統(tǒng)。闡述電磁感應(yīng)通信基本原理，針對信號特點(diǎn)，明確系統(tǒng)參數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并對信號調(diào)理模塊、A/D采集模塊、SRAM及SD卡、主控芯片及網(wǎng)絡(luò)通信模塊等進(jìn)行詳盡的分析。系統(tǒng)采用金屬線圈感應(yīng)信號，STM32F407ZGT6微處理器作為主控芯片控制采集與存儲，通過RJ45網(wǎng)口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存給上位機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)感應(yīng)通信信號的高保真采集。

關(guān)鍵詞： 信號采集； 感應(yīng)通信； STM32F407ZGT6； 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號： TN911.7?34； TP306 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0014?04

Design of signal acquisition and storage system for

electromagnetic induction communication

SUN Xitong， LIU Qiusheng

（The Third Department of Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）

Abstract： A set of signal acquisition and storage system of electromagnetic induction communication was designed. The basic principle of electromagnetic induction communication is described in this paper. For the characteristics of the signal， the system parameters were determined， and the overall design of the system was performed. The signal conditioning module， A/D acquisition module， SRAM， SD card， main control chip and network communication module are analyzed in detail. The metal coil is used in the system to sense the signal. The STM32F407ZGT6 microprocessor is taken as the main control chip to control the signal acquisition and storage. The data is transferred to the host computer via RJ45 network interface. The test result shows that the acquisition system can realize the high?fidelity collection of the inductive communication signal.

Keywords： signal acquisition； inductive communication； STM32F407ZGT6； data transmission

0 引 言

電磁感應(yīng)通信是一種安全、迅速的無線通信連接技術(shù)，具有距離近、帶寬高、能耗低等特點(diǎn)，該技術(shù)在多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。民用上，最為典型的是無線充電[1]及門禁卡通信[2]；軍用上，感應(yīng)通信是制導(dǎo)彈藥重要核心支撐技術(shù)之一 [3?5]。在彈藥發(fā)射前，通過信號發(fā)射器，將與彈藥控制系統(tǒng)相關(guān)的多種戰(zhàn)場信息傳輸給彈上接收機(jī)，使其獲得對發(fā)射彈丸的炸點(diǎn)控制甚至彈道控制，實(shí)現(xiàn)精確打擊，提高彈藥作戰(zhàn)威力。由于戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜，通信過程一旦受到干擾或故障，造成通信失敗，必然延誤戰(zhàn)機(jī)。因此，發(fā)射器的可靠性直接關(guān)系著信息化彈藥能否發(fā)揮正常的毀傷效能。通過對信號的分析，查找到失敗原因是實(shí)現(xiàn)發(fā)射器快速修復(fù)的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)信號分析，研制設(shè)計(jì)了一款針對該裝備特點(diǎn)的信號采集與存儲系統(tǒng)。試驗(yàn)驗(yàn)證表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號高精度采集與存儲。

1 電磁感應(yīng)通信原理

電磁感應(yīng)通信是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，通過發(fā)送線圈和接收線圈的電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量和信息的非接觸傳輸[6]，其工作原理圖如圖1所示。

首先進(jìn)行能量傳輸。感應(yīng)信息發(fā)送端通過發(fā)送線圈發(fā)送正弦波，利用電磁、磁電近場感應(yīng)原理，在接收線圈上形成感應(yīng)電壓。經(jīng)電路電壓變換，得到信息接收端工作所需的電壓，給儲能電容充電，存儲的能量作為后續(xù)工作的能源。接著，感應(yīng)通信發(fā)送端輸出信號，控制發(fā)送線圈驅(qū)動電路的運(yùn)行方式，達(dá)到改變發(fā)送線圈端電壓參數(shù)的變化，如幅值、頻率或者相位變化；根據(jù)電磁感應(yīng)原理，接收線圈能夠感知這種變化，并且體現(xiàn)在其端電壓中。電磁感應(yīng)通信接收端對接收線圈端電壓進(jìn)行處理，將端電壓的參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即得傳輸信號。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)通信信號的分析與質(zhì)量評估，需要對電磁感應(yīng)通信系統(tǒng)的傳輸信號進(jìn)行采集與存儲。電磁感應(yīng)通信是利用發(fā)送線圈與接收線圈間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)信息傳輸，在信號傳輸過程中，線圈自身失諧、外界電磁干擾等都會造成信號波形失真，高精度的采集信號，真實(shí)的還原信號波形，刻畫出信號畸變細(xì)節(jié)是該系統(tǒng)首要完成的功能。同時，信號采集與存儲系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、低噪聲的特點(diǎn)，以免對采集的信號造成污染。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

根據(jù)感應(yīng)通信信號頻率、幅值、通信時間等特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)指標(biāo)，保證系統(tǒng)高保真、及時完整地采集到通信信號。最終確定的技術(shù)指標(biāo)如下：A/D采樣頻率不低于1 MHz；A/D采樣位數(shù)不小于8位；數(shù)據(jù)存儲量不小于1 GB。endprint

3 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片

采集存儲系統(tǒng)選用STM32F407ZGT6微處理器[7]。STM32F407ZG系列是基于高性能的ARM Cortex?M4的32位RISC內(nèi)核。其核心功能支持ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型的單精度浮點(diǎn)單元。主系統(tǒng)由32位多層AHB總線矩陣構(gòu)成。在STM32F407ZGT6中有5個重要的時鐘源，工作頻率可達(dá)168 MHz，完全能夠滿足整個系統(tǒng)的要求。芯片集成FPU和DSP指令，并具有192 KB SRAM，1 024 KB FLASH，2個DMA控制器，采用高速嵌入式存儲器，具有提高應(yīng)用程序安全性的內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

該系統(tǒng)所用模數(shù)轉(zhuǎn)換器為芯片自帶的ADC，STM32F407ZGT6包含3個12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這些ADC可以獨(dú)立使用，也可以使用雙重/三重模式，最大轉(zhuǎn)換速率為2.4 MHz，也就是轉(zhuǎn)換時間為0.41 μs。感應(yīng)通信系統(tǒng)信號頻率是100 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，A/D最小采樣速率為200 kHz，為保證完整性，工程應(yīng)用中通常選用6～8倍采樣速率，系統(tǒng)A/D實(shí)際選用的采樣速率為1 MHz。為保證采集信號的精度，配置A/D參考電壓是2.5 V，采樣位數(shù)為12位，采樣分辨率達(dá)到2.44 mV。為提高CPU使用效率，采用DMA傳輸方式為A/D與SRAM開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，該方式無需CPU直接控制。

3.3 調(diào)理電路

為保護(hù)器件不被擊穿，實(shí)現(xiàn)輸入信號滿足A/D參考電壓范圍。選用OPA365運(yùn)算放大器進(jìn)行信號調(diào)理[8]。實(shí)際調(diào)理電路圖如圖3所示。OPA365具有超低失真，極低噪聲以及50 MHz增益帶寬，在調(diào)理電壓幅值的過程中有效避免引入其他干擾。經(jīng)計(jì)算，此電路采用的電阻分別為：[R49=1 kΩ，R50=58 kΩ，R56=2.3 kΩ，]電路將信號調(diào)理到0～2.5 V范圍。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同工作需求對[R49，R50，R56]的阻值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.4 存儲電路

存儲部分分為SRAM和SD卡兩部分。SD卡按扇區(qū)模塊化存儲，SRAM可實(shí)現(xiàn)單字節(jié)存儲。為提高SD利用率，采集數(shù)據(jù)先經(jīng)SRAM緩存[9]，再傳輸給SD卡。

STM32F407ZGT6自帶SRAM容量不夠，系統(tǒng)選用IS61WV102416BLL芯片作為外部緩存。該芯片是高速、低功耗、1 MB容量的CMOS靜態(tài)內(nèi)存芯片。芯片直接接在STM32F407ZGT6的FSMC上，F(xiàn)SMC的BANK1區(qū)域3控制IS61WV102416BLL，IS61WV102416BLL原理圖如圖4所示。A[0：19]接FSMC_A[0：19]，OE接FSMC_NOE，WE接FSMC_NEW，UB接FSMC_NBL1，LB接FSMC_NBL0。

4 GB容量SD卡與STM32F407ZGT6標(biāo)準(zhǔn)接口相連，使用芯片自帶的SDIO接口驅(qū)動，4位模式，最高通信速度可達(dá)48 MHz，最高每秒可傳輸數(shù)據(jù)24 MB，適合高速存儲。本系統(tǒng)設(shè)置PLL48CK為48 MHz，用于驅(qū)動SDIO適配器，并用于產(chǎn)生SDIO_CK時鐘，根據(jù)公式：

[SDIO_CK=SDIOCLK2+CLKDIV]

適當(dāng)調(diào)整SDIO_CK時鐘值為24 MHz，APB2總線接口時鐘為84 MHz。SD卡接線圖如圖5所示。

3.5 通信電路

STM32F407芯片自帶以太網(wǎng)模塊[10]，該模塊包括帶專用DMA控制器的MAC 802.3（介質(zhì)訪問控制）控制器，自帶一個用于外部PHY通信的SMI接口。外部PHY芯片通過MII/RMII接口與STM32F4內(nèi)部MAC連接，通過SMI接口配置外部以太網(wǎng)PHY芯片。

采集與存儲系統(tǒng)使用LAN8720A作為PHY芯片，芯片原理圖如圖6所示。

該芯片支持通過RMII接口與以太網(wǎng)MAC層通信，內(nèi)置10?BASE?T/100BASE?TX全雙工傳輸模塊，支持10 Mb/s和100 Mb/s。配置PHYAD0引腳浮空，即設(shè)置LAN8720地址為0。nINT/REFCLKO引腳接下拉電阻，作為參考時鐘輸出，LAN8720A外接25 MHz石英晶振，通過內(nèi)部倍頻到50 MHz，通過REFCLKO引腳輸出50 MHz參考時鐘給MAC控制器。LED1引腳接下拉電阻，開啟內(nèi)部1.2 V穩(wěn)壓器。

RJ45網(wǎng)絡(luò)接口選用HR911105A與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)SD卡中數(shù)據(jù)高速傳輸給上位機(jī)，原理圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的需求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)初始化、采集選擇、存儲、傳輸?shù)溶浖?qū)動。整個系統(tǒng)流程圖如圖8所示。在程序驅(qū)動下，系統(tǒng)各部分完成信號采集、數(shù)據(jù)保存。

系統(tǒng)部分程序如下：

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_ADC1， ENABLE）； //使能ADC1時鐘

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN；

//模擬輸入

ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_ DMAAccessMode_Enabled； //使能DMA模式

ADC_Cmd（ADC1， ENABLE）； //開啟A/D轉(zhuǎn)換器

RCC_AHB3PeriphClockCmd（RCC_AHB3Periph_FSMC，ENABLE）； //使能FSMC時鐘

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF；

//I/O口復(fù)用輸出endprint

#define Bank1_SRAM3_ADDR （（u32）（0x68000000））

//初始化外部SRAM

errorstatus=SD_PowerON（）； //SD卡上電

if（errorstatus==SD_OK）

errorstatus=SD_InitializeCards（）； //初始化SD卡

//設(shè)置時鐘頻率，SDIO 時鐘計(jì)算公式：SDIO_CK時鐘=SDIOCLK/[2]；

//其中，SDIOCLK固定為48 MHz

SDIO_Clock_Set（SDIO_TRANSFER_CLK_DIV）

5 試驗(yàn)測試與分析

為驗(yàn)證感應(yīng)通信采集與存儲系統(tǒng)的實(shí)際功能，運(yùn)行該采集感應(yīng)通信系統(tǒng)信號，并將采集到的信號傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號的復(fù)現(xiàn)。將復(fù)現(xiàn)的信號與示波器采集到的信號進(jìn)行比對，確定該系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的信號采集。采集電路板如圖9所示，實(shí)物測量如圖10所示。

打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，設(shè)置協(xié)議類型UDP，服務(wù)器端口號為8089。錄入發(fā)送數(shù)據(jù)的命令55AA05，將采集數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

6 結(jié) 語

本文針對感應(yīng)通信系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)了一套信號采集與存儲系統(tǒng)。首先，進(jìn)行了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，合理配置調(diào)理電路元器件，選用STM32F407ZGT6高性能處理器合理設(shè)計(jì)A/D調(diào)理電路，緩存SRAM與SD卡存儲電路互相配合，最終實(shí)現(xiàn)了信號高精度采集與存儲。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)用于信號采集結(jié)果準(zhǔn)確。同時，該系統(tǒng)具有調(diào)試方便，靈活可靠的特點(diǎn)，為下一步各型號感應(yīng)通信系統(tǒng)的信號采集提供了工程借鑒。

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