基于STM32的存儲(chǔ)式聲波信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

余愿

摘要：為實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間采集存儲(chǔ)的應(yīng)用場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)了基于STM32的存儲(chǔ)式聲波信號(hào)采集模塊。該模塊選用STM32作為主控制器，使用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7767完成聲波信號(hào)的采集，使用四片MicroSD卡組成大容量陣列存儲(chǔ)電路，完成聲波信號(hào)的存儲(chǔ)。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)式聲波信號(hào)采集模塊存儲(chǔ)容量大、精度高、功耗低，滿足聲波信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間采集與存儲(chǔ)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：信號(hào)采集;大容量陣列存儲(chǔ);AD7767;STM32

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）13-0259-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)聲波采集模塊要求越來(lái)越高，特別是在地質(zhì)監(jiān)測(cè)、海洋聲學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域。在應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，聲波采集模塊的工作時(shí)間通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，這對(duì)聲波采集模塊的存儲(chǔ)能力、功耗等提出了較高的要求[1，2]。而目前，大部分聲波采集模塊存儲(chǔ)容量小，工作時(shí)間短，鑒于此 ， 本文設(shè)計(jì)了基于STM32的存儲(chǔ)式聲波信號(hào)采集模塊。

1總體方案

存儲(chǔ)式聲波信號(hào)采集模塊總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。模塊主要由主控電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、低噪聲信號(hào)調(diào)理電路、大容量陣列存儲(chǔ)電路和網(wǎng)絡(luò)通信電路構(gòu)成。主控電路通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信電路與上層軟件通信，獲取工作參數(shù)。主要工作參數(shù)有：工作模式、轉(zhuǎn)換速率、采樣點(diǎn)數(shù)、系統(tǒng)增益等。模擬信號(hào)輸入到該模塊后，先通過(guò)低噪聲信號(hào)調(diào)理電路對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理。然后，主控電路控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，完成模擬信號(hào)的數(shù)字化。最后，主控電路以自定義格式將數(shù)字化的信號(hào)以文件形式存儲(chǔ)。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1主控電路

主控電路采用基于高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F207VCT6微控制器。STM32F207VCT6微控制器工作頻率高達(dá)120 MHz，閃存高達(dá)1 Mbyte，SRAM高達(dá)128 KB，具備三個(gè)ADC、兩個(gè)DAC、十二個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)UART、3個(gè)SPI、1個(gè)SDIO接口[3]。STM32F207VCT6微控制器資源豐富，性能強(qiáng)大，可以滿足本模塊的性能需求。

2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ADI公司的AD7767模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為核心器件。AD7767是高性能逐次逼近型24位過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣率達(dá)128KHz，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍和輸入帶寬、出色的信噪比和高直流精度，能夠精確地采集模擬信號(hào)，適用于高精度數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合[4]。其電路原理圖如圖2所示。

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用2.5V電源供電。AD7767的VIN+和VIN-分別作為差分信號(hào)的輸入。VREF+基準(zhǔn)電壓為5V。MCLK為AD7767的主時(shí)鐘，該時(shí)鐘決定了AD7767的采樣頻率，主時(shí)鐘輸入頻率和模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率成線性關(guān)系。nSYNC為同步輸入，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)AD7767的同步，nDRDY是數(shù)據(jù)就緒輸出，微控制器通過(guò)此下降沿讀取數(shù)據(jù)。nCS是片選使能。ADC_SCLK、ADC_SDI和ADC_SDO是微控制器SPI接口的時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù)交互端，模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼、最高位優(yōu)先的格式輸出結(jié)果。

2.3信號(hào)調(diào)理電路

低噪聲信號(hào)調(diào)理電路采用兩級(jí)信號(hào)放大電路構(gòu)成。

第一級(jí)放大電路如下圖3所示，左側(cè)輸入的差分信號(hào)經(jīng)RC濾波網(wǎng)絡(luò)后，分別進(jìn)行同相放大濾波處理，放大倍數(shù)為6，運(yùn)算放大器選擇ADI公司的雙通道高速電壓反饋、低噪聲、低功耗、軌到軌輸出放大器ADA4805-2ARMZ。其靜態(tài)電流為500mA，在增益為1時(shí)，提供105MHz的高帶寬、160V/us的高轉(zhuǎn)換速率和最大125uV的低輸入偏置電壓。

第二級(jí)放大電路原理圖如圖4所示，選擇TI公司的差分放大器THS4531IDGK，其電壓輸入范圍為2.5V～5.5V，使用單電源供電，是一款低功耗、全差分運(yùn)算放大器，輸入共模范圍低于負(fù)軌到軌輸出型運(yùn)放。運(yùn)放正常工作時(shí)放大倍數(shù)為5，做放大濾波處理的同時(shí)，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓為5V，而差分信號(hào)輸入范圍為正負(fù)2.5V，因此運(yùn)放2腳公共端輸入為2.5V，即輸出電平抬高了2.5V。

2.4大容量陣列存儲(chǔ)電路

大容量陣列存儲(chǔ)電路的功能是將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)容量高達(dá)128G，因此本文選擇使用4張MicroSD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，每張SD卡存儲(chǔ)容量大小為32G。主控電路通過(guò)SDIO接口使用時(shí)分復(fù)用方法完成4張SD卡的寫操作。

2.5網(wǎng)絡(luò)通信接口電路

網(wǎng)絡(luò)通信接口電路采用有人物聯(lián)網(wǎng)科技公司的USR-C322模塊。主控電路通過(guò)串口使用AT指令對(duì)USR-C322模塊連網(wǎng)配置，模塊被配置成STA工作模式，搜索并連接上位機(jī)WiFi網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)檢測(cè)到模塊連接后可以實(shí)現(xiàn)上層軟件與模塊的網(wǎng)絡(luò)通信。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件分為兩大部分：系統(tǒng)命令執(zhí)行和系統(tǒng)狀態(tài)上傳。其中系統(tǒng)命令執(zhí)行是系統(tǒng)軟件的核心，涉及采集任務(wù)的管理，系統(tǒng)狀態(tài)上傳確保上位機(jī)可以實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)工作狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)總體方案的需求，本論文完成了軟件系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，如上圖5所示。系統(tǒng)的程序主要由若干中斷服務(wù)子程序和四個(gè)RTOS任務(wù)程序構(gòu)成。其中，采集單元的串口接收到命令后，進(jìn)行命令解析。若命令為聲波信號(hào)的數(shù)據(jù)采集管理命令，采集任務(wù)表管理程序響應(yīng)并執(zhí)行命令;若命令為其他控制命令，命令處理程序響應(yīng)并執(zhí)行命令。當(dāng)AD7767中斷發(fā)生時(shí)，采集任務(wù)表管理程序讀取單個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再任務(wù)數(shù)據(jù)打包上傳程序?qū)⒆x取到的數(shù)據(jù)上傳;當(dāng)接收到獲取工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集管理命令時(shí)，狀態(tài)數(shù)據(jù)采集程序讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)，最終狀態(tài)數(shù)據(jù)采集獲取程序?qū)⒆x取到的系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)按照自定義的通信鏈路層協(xié)議上傳到上位機(jī)平臺(tái)。

4測(cè)試

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的聲波激發(fā)裝置，激發(fā)一組聲波信號(hào)，使用聲波換能器接收聲波信號(hào)。該聲波換能器接至存儲(chǔ)式聲波信號(hào)采集模塊。一次激發(fā)完成后，將SD卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)，使用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和繪制。其繪制結(jié)果如圖6所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)式聲波采集模塊使用低功耗STM32微控制器、24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和大容量陣列存儲(chǔ)電路，實(shí)現(xiàn)了聲波信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。該模塊存儲(chǔ)容量大、精度高、功耗低，滿足聲波信號(hào)的采集與存儲(chǔ)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 趙圣飛.基于STM32的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2014.

[3] STMicroelectronics. STM32F207xx advanced ARM?-based 32-bit MCUs Reference manual[Z].2018.

[4] AD7767-24-Bit，8.5mW，109dB，128kSPS，64 kSPS，32 kSPS ADCs（Rev.C）.Analog Devices Inc.2010.

【通聯(lián)編輯：唐一東】