電磁感應通信信號采集與存儲系統設計

孫希彤+劉秋生

摘 要： 設計了一套感應通信信號采集與存儲系統。闡述電磁感應通信基本原理，針對信號特點，明確系統參數，對系統進行總體設計，并對信號調理模塊、A/D采集模塊、SRAM及SD卡、主控芯片及網絡通信模塊等進行詳盡的分析。系統采用金屬線圈感應信號，STM32F407ZGT6微處理器作為主控芯片控制采集與存儲，通過RJ45網口將數據轉存給上位機。試驗結果表明，該采集系統能夠有效實現感應通信信號的高保真采集。

關鍵詞： 信號采集； 感應通信； STM32F407ZGT6； 數據傳輸

中圖分類號： TN911.7?34； TP306 文獻標識碼： 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

電磁感應通信是一種安全、迅速的無線通信連接技術，具有距離近、帶寬高、能耗低等特點，該技術在多領域具有廣泛應用。民用上，最為典型的是無線充電[1]及門禁卡通信[2]；軍用上，感應通信是制導彈藥重要核心支撐技術之一 [3?5]。在彈藥發射前，通過信號發射器，將與彈藥控制系統相關的多種戰場信息傳輸給彈上接收機，使其獲得對發射彈丸的炸點控制甚至彈道控制，實現精確打擊，提高彈藥作戰威力。由于戰場環境復雜，通信過程一旦受到干擾或故障，造成通信失敗，必然延誤戰機。因此，發射器的可靠性直接關系著信息化彈藥能否發揮正常的毀傷效能。通過對信號的分析，查找到失敗原因是實現發射器快速修復的關鍵。為實現信號分析，研制設計了一款針對該裝備特點的信號采集與存儲系統。試驗驗證表明該系統能夠實現信號高精度采集與存儲。

1 電磁感應通信原理

電磁感應通信是應用電磁感應原理，通過發送線圈和接收線圈的電磁耦合實現能量和信息的非接觸傳輸[6]，其工作原理圖如圖1所示。

首先進行能量傳輸。感應信息發送端通過發送線圈發送正弦波，利用電磁、磁電近場感應原理，在接收線圈上形成感應電壓。經電路電壓變換，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工作的能源。接著，感應通信發送端輸出信號，控制發送線圈驅動電路的運行方式，達到改變發送線圈端電壓參數的變化，如幅值、頻率或者相位變化；根據電磁感應原理，接收線圈能夠感知這種變化，并且體現在其端電壓中。電磁感應通信接收端對接收線圈端電壓進行處理，將端電壓的參數變化轉換為數字信號，即得傳輸信號。

2 系統總體設計

為了實現電磁感應通信信號的分析與質量評估，需要對電磁感應通信系統的傳輸信號進行采集與存儲。電磁感應通信是利用發送線圈與接收線圈間的電磁耦合實現信息傳輸，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，真實的還原信號波形，刻畫出信號畸變細節是該系統首要完成的功能。同時，信號采集與存儲系統應當具有結構簡單、低功耗、低噪聲的特點，以免對采集的信號造成污染。系統結構原理圖如圖2所示。

根據感應通信信號頻率、幅值、通信時間等特點，合理設計系統指標，保證系統高保真、及時完整地采集到通信信號。最終確定的技術指標如下：A/D采樣頻率不低于1 MHz；A/D采樣位數不小于8位；數據存儲量不小于1 GB。endprint

3 系統關鍵硬件設計

3.1 主控芯片

采集存儲系統選用STM32F407ZGT6微處理器[7]。STM32F407ZG系列是基于高性能的ARM Cortex?M4的32位RISC內核。其核心功能支持ARM單精度數據處理指令和數據類型的單精度浮點單元。主系統由32位多層AHB總線矩陣構成。在STM32F407ZGT6中有5個重要的時鐘源，工作頻率可達168 MHz，完全能夠滿足整個系統的要求。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，具有提高應用程序安全性的內存保護單元（MPU）。

3.2 模數轉換器

該系統所用模數轉換器為芯片自帶的ADC，STM32F407ZGT6包含3個12位逐次逼近型模擬數字轉換器。這些ADC可以獨立使用，也可以使用雙重/三重模式，最大轉換速率為2.4 MHz，也就是轉換時間為0.41 μs。感應通信系統信號頻率是100 kHz，根據奈奎斯特采樣定律，A/D最小采樣速率為200 kHz，為保證完整性，工程應用中通常選用6～8倍采樣速率，系統A/D實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，采樣位數為12位，采樣分辨率達到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據的通路，該方式無需CPU直接控制。

3.3 調理電路

為保護器件不被擊穿，實現輸入信號滿足A/D參考電壓范圍。選用OPA365運算放大器進行信號調理[8]。實際調理電路圖如圖3所示。OPA365具有超低失真，極低噪聲以及50 MHz增益帶寬，在調理電壓幅值的過程中有效避免引入其他干擾。經計算，此電路采用的電阻分別為：[R49=1 kΩ，R50=58 kΩ，R56=2.3 kΩ，]電路將信號調理到0～2.5 V范圍。實際應用中，可以根據不同工作需求對[R49，R50，R56]的阻值進行適當調整。

3.4 存儲電路

存儲部分分為SRAM和SD卡兩部分。SD卡按扇區模塊化存儲，SRAM可實現單字節存儲。為提高SD利用率，采集數據先經SRAM緩存[9]，再傳輸給SD卡。

STM32F407ZGT6自帶SRAM容量不夠，系統選用IS61WV102416BLL芯片作為外部緩存。該芯片是高速、低功耗、1 MB容量的CMOS靜態內存芯片。芯片直接接在STM32F407ZGT6的FSMC上，FSMC的BANK1區域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標準接口相連，使用芯片自帶的SDIO接口驅動，4位模式，最高通信速度可達48 MHz，最高每秒可傳輸數據24 MB，適合高速存儲。本系統設置PLL48CK為48 MHz，用于驅動SDIO適配器，并用于產生SDIO_CK時鐘，根據公式：

[SDIO_CK=SDIOCLK2+CLKDIV]

適當調整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芯片自帶以太網模塊[10]，該模塊包括帶專用DMA控制器的MAC 802.3（介質訪問控制）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內部MAC連接，通過SMI接口配置外部以太網PHY芯片。

采集與存儲系統使用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MAC層通信，內置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，開啟內部1.2 V穩壓器。

RJ45網絡接口選用HR911105A與計算機相連，實現SD卡中數據高速傳輸給上位機，原理圖如圖7所示。

4 系統軟件設計

根據系統實現功能的需求，設計了系統初始化、采集選擇、存儲、傳輸等軟件驅動。整個系統流程圖如圖8所示。在程序驅動下，系統各部分完成信號采集、數據保存。

系統部分程序如下：

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轉換器

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

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF；

//I/O口復用輸出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

//設置時鐘頻率，SDIO 時鐘計算公式：SDIO_CK時鐘=SDIOCLK/[2]；

//其中，SDIOCLK固定為48 MHz

SDIO_Clock_Set（SDIO_TRANSFER_CLK_DIV）

5 試驗測試與分析

為驗證感應通信采集與存儲系統的實際功能，運行該采集感應通信系統信號，并將采集到的信號傳輸給上位機，實現信號的復現。將復現的信號與示波器采集到的信號進行比對，確定該系統是否能夠實現高精度的信號采集。采集電路板如圖9所示，實物測量如圖10所示。

打開網絡調試助手，設置協議類型UDP，服務器端口號為8089。錄入發送數據的命令55AA05，將采集數據傳輸給計算機。實際試驗結果如圖11所示。

6 結 語

本文針對感應通信系統特性設計了一套信號采集與存儲系統。首先，進行了該系統的總體設計，合理配置調理電路元器件，選用STM32F407ZGT6高性能處理器合理設計A/D調理電路，緩存SRAM與SD卡存儲電路互相配合，最終實現了信號高精度采集與存儲。試驗結果表明，該系統用于信號采集結果準確。同時，該系統具有調試方便，靈活可靠的特點，為下一步各型號感應通信系統的信號采集提供了工程借鑒。

參考文獻

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[10] 尚鳳軍.無線傳感器網絡通信協議[M].北京：電子工業出版社，2011.endprint