基于ARM的雙路差分同步采樣電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐 晴, 馬月紅

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是電子工程中非常重要的部分，它與傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)量技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代化檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)[1-2]。高精度采樣系統(tǒng)主要應(yīng)用于通信、儀器控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，隨著科技的不斷進(jìn)步，數(shù)字系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的要求不止是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采樣，而是看重其采樣速度、采樣模式、采樣精度、有效位數(shù)(ENOB)等參數(shù)。

在雷達(dá)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由片外AD采樣芯片組成的，目前FMCW雷達(dá)系統(tǒng)差頻回波信號(hào)大都是差分信號(hào)，使用片外AD對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行差分采集不僅增加了電路的大小，而且成本增高，控制難度增大。由FMCW雷達(dá)測(cè)距原理可知，系統(tǒng)通過對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行FFT變換，計(jì)算出差頻信號(hào)的頻率，進(jìn)而求出目標(biāo)距離。如果IQ差分信號(hào)采樣不同步，會(huì)使測(cè)得的頻率出現(xiàn)問題，進(jìn)而影響雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)距精度，ADC的采樣精度也會(huì)影響系統(tǒng)后續(xù)的距離定標(biāo)精度。因此設(shè)計(jì)了一種基于ARM的雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)，通過STM32F3系列單片機(jī)內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)差頻信號(hào)高精度同步差分采樣，ADC采樣率高達(dá) 5 MHz，可同時(shí)對(duì)多路信號(hào)實(shí)現(xiàn)高精度、高采樣率、高速采樣，采集的數(shù)據(jù)通過DMA傳輸，可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過RS232串口總線傳輸?shù)絇C上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理、畫圖、顯示[3-7]。

1 差分同步采樣系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由電源模塊、差分信號(hào)模塊、ARM電路、flash存儲(chǔ)模塊、串口通信電路、PC上位機(jī)組成[8]。其中ARM電路為系統(tǒng)的主控，實(shí)現(xiàn)對(duì)差分信號(hào)的差分ADC采集，并將采集的差分信號(hào)通過DMA通道傳輸。電源模塊直接采用5 V輸入，通過LFM3117-3.3芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V供電電壓，這里不再贅述。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)工作流程如下：首先差分信號(hào)模塊產(chǎn)生2對(duì)差分信號(hào)分別為I+、I-和Q+、Q-，ARM內(nèi)部ADC配置成雙路差分同步采樣模式，ADC差分采集差分信號(hào)將信號(hào)數(shù)組存放到CR寄存器中，然后通過DMA通道傳輸，系統(tǒng)在DMA中斷服務(wù)函數(shù)中對(duì)采集的差分信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，系統(tǒng)可以進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)，將采集的信號(hào)存放到SD存儲(chǔ)卡，便于記錄信號(hào)供后期測(cè)試，還可以通過RS232串口發(fā)送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，并將信號(hào)波形信息顯示出來。

2 差分同步采樣電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM芯片選擇

在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)中頻信號(hào)一般是IQ雙路，并且是差分信號(hào)。為了減小系統(tǒng)成本以及電路規(guī)模，本設(shè)計(jì)選用帶有內(nèi)部差分ADC的ARM芯片來代替片外ADC，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)精確采樣，要求ADC的采樣率達(dá)到5 MHz。含有ADC的STM32系列非常多，但是并不是每一款芯片都可以達(dá)到5 MHz采樣率。此時(shí)需要關(guān)注2個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是ADC支持的最高采樣率，另一個(gè)是它的模擬帶寬。STM32系統(tǒng)時(shí)鐘大都在48 MHz和72 MHz，通過設(shè)置時(shí)鐘分頻后要保證ADC采樣率至少為5 MHz，模擬帶寬保證ADC模擬部分通帶至少達(dá)到2.5 MHz。

市場(chǎng)上做開發(fā)板最多的是STM32F103、STM32F407、STM32F429系列，并且配套資源齊全，F(xiàn)4系列的ADC采樣率可以達(dá)到2.5 MHz，但是其ADC沒有差分模式。STM32F3xx具有5 MHz采樣率的ADC，并且滿足差分采樣功能，本設(shè)計(jì)最終選擇STM32F303微控制器。該ARM以Cortex-M4為內(nèi)核，具有高速、低功耗、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，內(nèi)置12位高速AD轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器模塊、內(nèi)部存儲(chǔ)模塊、DAC模塊等外設(shè)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需求不同，可以實(shí)現(xiàn)多種模式ADC數(shù)據(jù)采集。

2.2 芯片管腳分配

STM32F303vct這款主控芯片有100個(gè)管腳，參考的資料為芯片參考手冊(cè)及數(shù)據(jù)手冊(cè)，通過ST意法半導(dǎo)體的原創(chuàng)工具STM32CubeMx軟件來配置STM32F303雙路ADC差分同步采樣模式，選擇ADC1的通道1和通道2，ADC2的通道3和通道4為差分通道，將ADC配置成雙路規(guī)則同步模式，并打開DMA請(qǐng)求和ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，ADC1、ADC2采集到的差分信號(hào)同時(shí)存放到一個(gè)32位的數(shù)組，其中ADC1采集的數(shù)據(jù)存放到數(shù)組低16位，ADC2采集的數(shù)組存放到高16位。串口選擇usart1，通過串口轉(zhuǎn)RS232將數(shù)組信號(hào)傳送給PC上位機(jī)一邊分析處理、顯示。ARM芯片管腳分配關(guān)系如表1所示。

表1 STM32F303管腳分配

2.3 濾波放大電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以雷達(dá)系統(tǒng)中頻信號(hào)為信號(hào)源，為了使該系統(tǒng)采集到高質(zhì)量的差頻信號(hào)，系統(tǒng)需在ADC采樣前對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，濾波放大電路設(shè)計(jì)包括兩級(jí)放大電路和一級(jí)濾波電路。

系統(tǒng)為了滿足微型化、低功耗等要求，如果對(duì)2對(duì)差頻信號(hào)同時(shí)進(jìn)行濾波放大處理，不僅增加電路規(guī)模、功率、成本，而且會(huì)引入誤差，為此將每路差分信號(hào)轉(zhuǎn)成單端信號(hào)來處理。第一級(jí)放大電路如圖2所示，該電路主要作用是將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化成單端信號(hào)同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。AD8426ACPZ是一種軌至軌輸出儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電路來調(diào)節(jié)功率，而且滿足對(duì)差分信號(hào)放大轉(zhuǎn)化成單端信號(hào)的功能。

圖3為濾波電路,該電路由兩級(jí)一階有源低通濾波器組成，中頻信號(hào)經(jīng)過濾波電路后有效地濾除高頻噪聲，系統(tǒng)可以采集到高質(zhì)量的中頻信號(hào)。

圖4為第二級(jí)放大電路，該電路主要功能是單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分信號(hào)并對(duì)信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)ADC差分采樣。ADA4941是一種低功耗、低噪聲差分驅(qū)動(dòng)器，其輸出的差分信號(hào)具有低失真、高信噪比的特點(diǎn)，可驅(qū)動(dòng)高精度差分ADC。

圖2 第一級(jí)放大電路

圖3 濾波電路

圖4 第二級(jí)放大電路

2.4 SD卡存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)選擇SD卡作為存儲(chǔ)模塊，具有較好的穩(wěn)定性、通用性及容量高、讀寫速度快等特點(diǎn)。SD卡通過SDIO模式實(shí)現(xiàn)與STM32F303通信，將SD卡的DATA2、DATA3、CMD、CLK、DATA0、DATA1引腳與ARM微控制器相連。其中CLK為SD卡的時(shí)鐘，由ARM產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)引入。CMD是命令信號(hào)，傳輸所有的命令及響應(yīng)。DATA0～DATA3為數(shù)據(jù)線，用來傳輸數(shù)據(jù)[9-10]。系統(tǒng)使用SD卡時(shí)首先對(duì)SD卡進(jìn)行初始化。

3 差分同步采樣電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 ADC中斷模式流程圖

該系統(tǒng)的ARM軟件設(shè)計(jì)主要包括：ADC采樣中斷模式設(shè)計(jì)、ADC采樣DMA通道模式設(shè)計(jì)、ARM內(nèi)部信號(hào)處理。系統(tǒng)初始化好各個(gè)模塊后，差分信號(hào)源產(chǎn)生2對(duì)差分信號(hào)，每路信號(hào)經(jīng)過濾波放大電路后由ARM內(nèi)部ADC1、ADC2分別對(duì)I、Q兩路實(shí)現(xiàn)差分同步采集，采集信號(hào)通過DMA傳輸，當(dāng)傳輸?shù)奈粩?shù)與設(shè)定的位數(shù)相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生DMA中斷，在DMA中斷服務(wù)函數(shù)中可對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行加窗、濾波處理，最后通過RS232串口將信號(hào)發(fā)送給上位機(jī),根據(jù)設(shè)置的串口讀取標(biāo)志位來接收一個(gè)完整周期的信號(hào)，并可以在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示差分同步采樣電路采集到的信號(hào)波形。

3.1 ADC采樣中斷模式

STM32F303內(nèi)部有4個(gè)12位ADC，ADC的電壓輸入范圍為：UREF-≤UIN≤UREF+,其中，UREF-、UREF+分別為參考正負(fù)電壓，由外部引腳決定。ADC采樣中斷模式流程如圖5所示。

選擇PA0、PA1作為ADC1的通道1、通道2，信號(hào)通過ADC1的通道進(jìn)入規(guī)則通道，ADC設(shè)置為軟件啟動(dòng)，此時(shí)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)存放到規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)存放的數(shù)組長(zhǎng)度與設(shè)定的位數(shù)相同時(shí)會(huì)生成轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，在中斷服務(wù)函數(shù)中完成對(duì)信號(hào)的輸出。

圖6 DMA中斷模式流程圖

3.2 ADC采樣DMA通道模式

直接存儲(chǔ)區(qū)訪問(DMA)為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速在外設(shè)寄存器與存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間傳輸提供了高效的方法。由于DMA傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速移動(dòng)無需CPU操作控制，與ADC采樣中斷模式相比，ADC采樣DMA通道模式大大提高了ADC的工作效率。圖6是ADC采樣DMA模式流程圖，信號(hào)經(jīng)過ADC管腳進(jìn)入規(guī)則通道，配置ADC為差分同步模式，打開ADC的DMA通道并選擇與ADC匹配的DMA通道，采集數(shù)組通過DMA通道傳輸存放到規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與設(shè)定的數(shù)值相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生DMA中斷標(biāo)志位，在DMA中斷服務(wù)函數(shù)中對(duì)數(shù)組輸出。

3.3 ARM內(nèi)部信號(hào)處理

很多情況下系統(tǒng)ADC采集到的差分信號(hào)并不能采集到整數(shù)個(gè)周期，系統(tǒng)采集到的信號(hào)如果從一個(gè)周期中切斷，此時(shí)時(shí)間不連續(xù)的原始信號(hào)做FFT變換會(huì)出現(xiàn)信號(hào)劇烈變化，測(cè)量出的信號(hào)就不是很精準(zhǔn)，因此FFT變換得到的信號(hào)頻率不是原始信號(hào)的頻率，也就是所謂的頻譜泄露問題。為了獲取到精確的信號(hào)頻率，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波加窗處理，在程序DMA中斷服務(wù)函數(shù)中，對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)組經(jīng)帶通濾波器濾除噪聲信號(hào)，利用點(diǎn)乘運(yùn)算對(duì)信號(hào)加hanning窗處理。

在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)程序每一步單步調(diào)試驗(yàn)證結(jié)果的正確性，遇到ROM內(nèi)存不夠問題，為了解決該問題對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化，采用數(shù)組復(fù)用技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)了雙路差分同步采樣功能。

圖7 系統(tǒng)電路

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，差分同步采樣系統(tǒng)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)如下：ARM片外采用25 MHz晶體經(jīng)分頻倍頻關(guān)系，將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為70 MHz，ADC時(shí)鐘APB2也為70 MHz，ADC時(shí)鐘分頻系數(shù)為1，ADC采樣時(shí)間設(shè)置為1.5個(gè)周期，根據(jù)芯片手冊(cè)STM32F303計(jì)算ADC采樣率公式

fs=SYSCLK/(12.5+SamplingTime)

(1)

式中,SYSCLK為系統(tǒng)時(shí)鐘70 MHz；SamplingTime為采樣時(shí)間，取值為1.5，代入式(1)可計(jì)算出ADC的采樣率為5 MHz。

實(shí)驗(yàn)方法如下：以FMCW雷達(dá)中頻信號(hào)為信號(hào)源，系統(tǒng)對(duì)中頻波信號(hào)差分同步采樣，在ARM內(nèi)部對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過串口輸出結(jié)果，其結(jié)果與雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖8(a) 是差分同步電路采集的雷達(dá)中頻信號(hào)IQ雙路時(shí)域顯示，此時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際距離為69 cm，經(jīng)反推計(jì)算出差頻信號(hào)頻率為7.34 kHz，將差分同步采樣電路采集的中頻信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，計(jì)算出中頻信號(hào)頻率為7.35 kHz，與實(shí)際中頻信號(hào)頻率相差0.01 kHz。圖8(b)是差分同步采樣電路采集的中頻信號(hào)頻域圖，信號(hào)峰值位置為7.35 kHz。

圖8 系統(tǒng)采樣中頻信號(hào)時(shí)域及頻域

通過雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，雷達(dá)測(cè)出的中頻信號(hào)頻率與本系統(tǒng)采集的中頻信號(hào)頻率多次對(duì)比結(jié)果如表2所示。從表2結(jié)果可以看出，該差分同步采樣電路采集雷達(dá)系統(tǒng)的中頻信號(hào)與雷達(dá)系統(tǒng)計(jì)算出的中頻信號(hào)頻率相差無幾，滿足高精度、大帶寬、高采樣率的差分同步采樣要求。該設(shè)計(jì)可用于各種雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，通用性強(qiáng)。

表2 測(cè)量結(jié)果對(duì)比 kHz

5 結(jié)論

采用ARM單片機(jī)為主控芯片，使用ARM內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)了雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)采樣率高達(dá)5 MHz，具有多種采樣模式，可直接應(yīng)用在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，具有高采樣率、大帶寬、采樣精度高、體積小、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。