基于STM32的存儲式聲波信號采集模塊設計

余愿

摘要：為實現(xiàn)聲波信號長時間采集存儲的應用場景，本文設計了基于STM32的存儲式聲波信號采集模塊。該模塊選用STM32作為主控制器，使用24位模數(shù)轉換器AD7767完成聲波信號的采集，使用四片MicroSD卡組成大容量陣列存儲電路，完成聲波信號的存儲。測試結果表明，本文設計的存儲式聲波信號采集模塊存儲容量大、精度高、功耗低，滿足聲波信號的長時間采集與存儲要求，具有一定的實用價值。

關鍵詞：信號采集;大容量陣列存儲;AD7767;STM32

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0259-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著聲學技術的發(fā)展，對聲波采集模塊要求越來越高，特別是在地質監(jiān)測、海洋聲學研究等應用領域。在應用領域內，聲波采集模塊的工作時間通常長達數(shù)月，這對聲波采集模塊的存儲能力、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容量小，工作時間短，鑒于此 ， 本文設計了基于STM32的存儲式聲波信號采集模塊。

1總體方案

存儲式聲波信號采集模塊總體設計框圖如圖1所示。模塊主要由主控電路、模數(shù)轉換電路、低噪聲信號調理電路、大容量陣列存儲電路和網(wǎng)絡通信電路構成。主控電路通過網(wǎng)絡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、轉換速率、采樣點數(shù)、系統(tǒng)增益等。模擬信號輸入到該模塊后，先通過低噪聲信號調理電路對輸入的模擬信號進行濾波、放大處理。然后，主控電路控制模數(shù)轉換電路，完成模擬信號的數(shù)字化。最后，主控電路以自定義格式將數(shù)字化的信號以文件形式存儲。

2硬件設計

2.1主控電路

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

2.2模數(shù)轉換電路

模數(shù)轉換電路采用ADI公司的AD7767模數(shù)轉換器作為核心器件。AD7767是高性能逐次逼近型24位過采樣模數(shù)轉換器，最高采樣率達128KHz，具有較寬的動態(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，適用于高精度數(shù)據(jù)采集場合[4]。其電路原理圖如圖2所示。

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

2.3信號調理電路

低噪聲信號調理電路采用兩級信號放大電路構成。

第一級放大電路如下圖3所示，左側輸入的差分信號經(jīng)RC濾波網(wǎng)絡后，分別進行同相放大濾波處理，放大倍數(shù)為6，運算放大器選擇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，提供105MHz的高帶寬、160V/us的高轉換速率和最大125uV的低輸入偏置電壓。

第二級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、全差分運算放大器，輸入共模范圍低于負軌到軌輸出型運放。運放正常工作時放大倍數(shù)為5，做放大濾波處理的同時，由于模數(shù)轉換器參考電壓為5V，而差分信號輸入范圍為正負2.5V，因此運放2腳公共端輸入為2.5V，即輸出電平抬高了2.5V。

2.4大容量陣列存儲電路

大容量陣列存儲電路的功能是將模數(shù)轉換電路采集的數(shù)字信號進行存儲，其存儲容量高達128G，因此本文選擇使用4張MicroSD卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，每張SD卡存儲容量大小為32G。主控電路通過SDIO接口使用時分復用方法完成4張SD卡的寫操作。

2.5網(wǎng)絡通信接口電路

網(wǎng)絡通信接口電路采用有人物聯(lián)網(wǎng)科技公司的USR-C322模塊。主控電路通過串口使用AT指令對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WiFi網(wǎng)絡，上位機檢測到模塊連接后可以實現(xiàn)上層軟件與模塊的網(wǎng)絡通信。

3軟件設計

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，涉及采集任務的管理，系統(tǒng)狀態(tài)上傳確保上位機可以實時查看系統(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)的總體架構設計，如上圖5所示。系統(tǒng)的程序主要由若干中斷服務子程序和四個RTOS任務程序構成。其中，采集單元的串口接收到命令后，進行命令解析。若命令為聲波信號的數(shù)據(jù)采集管理命令，采集任務表管理程序響應并執(zhí)行命令;若命令為其他控制命令，命令處理程序響應并執(zhí)行命令。當AD7767中斷發(fā)生時，采集任務表管理程序讀取單個通道的模數(shù)轉換結果，然后再任務數(shù)據(jù)打包上傳程序將讀取到的數(shù)據(jù)上傳;當接收到獲取工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集管理命令時，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)采集獲取程序將讀取到的系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)按照自定義的通信鏈路層協(xié)議上傳到上位機平臺。

4測試

利用實驗室現(xiàn)有的聲波激發(fā)裝置，激發(fā)一組聲波信號，使用聲波換能器接收聲波信號。該聲波換能器接至存儲式聲波信號采集模塊。一次激發(fā)完成后，將SD卡中存儲的數(shù)據(jù)導入到計算機，使用Matlab對數(shù)據(jù)進行讀取和繪制。其繪制結果如圖6所示。

5結束語

本文設計的存儲式聲波采集模塊使用低功耗STM32微控制器、24位模數(shù)轉換器和大容量陣列存儲電路，實現(xiàn)了聲波信號的采集與存儲。該模塊存儲容量大、精度高、功耗低，滿足聲波信號的采集與存儲要求，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1] 趙金龍.基于STM32的單通道無纜存儲式地震儀設計與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學，2016.

[2] 趙圣飛.基于STM32的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].太原：中北大學，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】