基于ARM的高速率高精度信號采集及處理系統(tǒng)

張 嬌，呂英凱，羅青平，王煜亮

（1西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 陜西 西安 710065）

（2國網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學研究院 西藏 拉薩 850000）

1 引言

信號采集是各種生產(chǎn)過程和設備狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)，目前信號采集主要是采用單點測量，導致信號精度偏低。為提高信號采集的精度和速率，設計了以高性能處理器STM32F407為主控制器的信號采集及處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多點采樣求均值，減少數(shù)據(jù)誤差，且可以通過上位機自

對于傳感器技術(shù)而言，在機械自動化生產(chǎn)過程中的實際應用，主要內(nèi)容有以下幾個方面：第一方面是對機械工程進行具體制造，對傳感器技術(shù)進行應用，具有較高的現(xiàn)實意義和價值。技術(shù)人員將傳感器技術(shù)和自動化生產(chǎn)進行有機結(jié)合，從而提供更加有效的技術(shù)監(jiān)測手段，對機械制造產(chǎn)品進度層面的技術(shù)進行科學有效的控制。例如對工件進行具體生產(chǎn)過程中，存在一些基點，在這些基點之間，還需對工件尺寸進行科學控制，這種情況下可以對接觸式傳感器進行進行使用，從而能夠在工件當中尋找細微的光點。主設置量程和采樣速率，實現(xiàn)了采樣系統(tǒng)量程的實時調(diào)整，可用于信號的高精度采集。

2 系統(tǒng)的設計框圖和原理

該采集系統(tǒng)總體設計主要包括中斷模塊、A/D信號采集模塊、DMA傳輸模塊、信號處理模塊、串口通訊模塊和上位機顯示模塊。采集系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。

圖1 采集系統(tǒng)的總體設計

采集系統(tǒng)由STM32F407單片機控制，ADC對濾波后的信號進行采集。事件觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換開啟，采集到的數(shù)據(jù)將通過DMA傳到定義的寄存器，傳輸完成后進行處理，并將處理結(jié)果存放到定義的數(shù)組中[1]，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進制通過串口輸出，實現(xiàn)信號的采集和處理。

3 系統(tǒng)的硬件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

STM32F407開發(fā)板上自帶12位的ADC，其最大的轉(zhuǎn)換速率為2.4Mhz，能滿足系統(tǒng)設計需要，不需要外接AD，這樣可以減少系統(tǒng)的復雜程度。為了確保采集信號的準確性，采用了事件觸發(fā)ADC進行轉(zhuǎn)換。觸發(fā)分為外部中斷和外部事件。因二者在接收到中斷信號后的處理路徑不同，選擇了不需要經(jīng)過CPU運行的外部事件作為觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的“按鈕”[2]。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送與顯示模塊

計算機和信號采集系統(tǒng)的通信部分是由CH340將串口信號轉(zhuǎn)換為USB信號與計算機進行通信的。標準串口的波特率上限為115200Ups，而USB轉(zhuǎn)的串口波特率最高可達2MUps。RXD和TXD口分別是串行數(shù)據(jù)輸入端口和輸出端口，D-和D+分別連接USB總線的D-數(shù)據(jù)線和D+數(shù)據(jù)線，為增強抗干擾能力及保護USB通信口，通信腳分別并入22pf的電容及100的震蕩保護電路[3]。

4 系統(tǒng)的軟件設計

4.1 信號采集部分

信號采集流程圖中，前端信號處理完成后，會發(fā)送觸發(fā)信號觸發(fā)ADC進行轉(zhuǎn)換。當數(shù)據(jù)采集完成且DMA傳輸完成時，關(guān)斷ADC和DMA，等待下次開啟，如圖2所示。

圖2 信號采集流程圖

4.2 信號處理部分

由于前端模塊無法有效地過濾脈沖干擾信號，需在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后進行信號處理，對采集的數(shù)據(jù)進行多值求平均。此系統(tǒng)采用事件觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，因不經(jīng)過CPU的處理，因此當遇到觸發(fā)信號的時候，便立即觸發(fā)AD進行采樣且沒有延時，故而在信號處理的時候不需要進行數(shù)據(jù)剔除，可直接進行處理。系統(tǒng)的信號處理流程如圖3所示。

圖3 信號處理流程圖

本設計選擇ADC1的通道5，每個通道的采樣時間有8種可供選擇，分別為3，15，28，56，84，112，144，480個周期，ADC的轉(zhuǎn)換時間可以由以下公式計算：

Tcovn=采樣時間+12個周期

其中：Tcovn為總轉(zhuǎn)換時間[4-5]。

5 實驗結(jié)果及性能分析

本次實驗的方波信號采用二進制表示，信號為11000110，串口輸出的信號用十六進制表示，如圖4所示。

圖4 串口輸出信號

除了上述實驗外，對兩幀信號的間隔進行了改變。當信號間隔10us時，信號的精確度突減，原因是程序在處理數(shù)據(jù)和重新開啟的時間和大于10us，所以導致系統(tǒng)在觸發(fā)信號到來時不能完全開啟，造成錯誤。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)僅利用STM32F407的內(nèi)部資源設計的信號采集和處理系統(tǒng)，不僅高速率、高精度有效減少了誤差和時間，而且數(shù)據(jù)以十六進制輸出，快捷方便的得到傳輸信號的信息，為信號采集提供了很好的模型。