基于STM32F407的高速峰值檢測方法

魏烈祥，汪天照，張晶，廖輝，秦家寶

（湖北方圓環(huán)保科技有限公司，湖北武漢，430074）

模擬信號峰值檢測在儀器儀表和工業(yè)檢測中應(yīng)用非常普遍，如放射性粒子檢測、光譜分析和機械受損峰值壓力等。常規(guī)方法采用高速AD+FPGA實現(xiàn)，技術(shù)要求高、價格比較昂貴。為此介紹一種基于STM32F407的低成本高速模擬信號峰值檢測方法，通過三重ADC交替采樣，利用DMA將實時采樣數(shù)據(jù)傳送到環(huán)形隊列存放；動態(tài)設(shè)置STM32F407內(nèi)置模擬看門狗上下限閾值；截取有效峰值信號并進(jìn)行濾波和尋峰處理。通過此方法，AD采樣率高達(dá)8.4MHz, 可以實時高速采樣有效的模擬峰值信號，實現(xiàn)模擬信號的峰值檢測。

1 基本原理

傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過前置放大、S–K濾波、高斯成形和調(diào)理，送入STM32F407內(nèi)部A/D通道進(jìn)行采樣、濾波和尋峰處理,如圖1所示。

圖1 電路框圖

STM32F407是ST（意法半導(dǎo)體）基于ARMCortex?–M4為內(nèi)核的高性能微控制器，所使用的ART技術(shù)使得程序零等待執(zhí)行，程序執(zhí)行的效率非常高。集成了單周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮點單元），提升了計算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計算和控制。

STM32F407自帶多通道、三路ADC控制器，每路ADC具有DMA功能，ADC轉(zhuǎn)換精度為12位，其中三路ADC控制器可以實現(xiàn)對同一通道的信號進(jìn)行交替采樣，實現(xiàn)對一個模擬通道信號的高速數(shù)據(jù)采集。每路ADC最大的采樣率達(dá)到了2.8M，三路ADC在規(guī)則組模式下交替采樣最快可以達(dá)到8.4M的采樣率。模擬看門狗可以實時監(jiān)控ADC通道模擬信號是否在設(shè)定的上下限閾值范圍內(nèi)[1]。

■1.1 多重ADC工作原理

在規(guī)則組模式下，三重交替ADC工作原理如圖2所示。三路ADC：ADC1、ADC2和ADC3在規(guī)則組模式下交替轉(zhuǎn)換，每一路ADC最小采樣時間（Sampling time）為3個ADC時鐘周期，AD轉(zhuǎn)換時間（Conversion time ）最小12個ADC時鐘周期。兩路ADC之間最小間隔（Delay between sampling start of 2 ADC）5個ADC時鐘周期。采用STM32F407三重ADC交替采樣技術(shù)對同一模擬通道數(shù)據(jù)采集只需要5個ADC時鐘周期，最快采樣時間不到120ns，最高采樣率可達(dá)8.4MHz。

圖2 三重交替ADC原理框圖

■1.2 模擬看門狗閾值設(shè)置

STM32F407內(nèi)模擬看門狗可以通過設(shè)置上下限閾值，HTR寄存器設(shè)置上限閾值，LTR寄存器設(shè)置下限閾值，實時監(jiān)控ADC模擬輸入信號的幅度是否異常。

模擬看門狗實時監(jiān)控模擬輸入信號，當(dāng)模擬信號高于上限閾值HTR 或小于下限閾值LTR 時，會引發(fā)模擬看門狗中斷。

本方法的基本思路是：STM32F407的ADC工作在三重ADC交替工作模式，三路ADC對同一通道模擬信號連續(xù)、實時采樣，ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DMA方式存儲到環(huán)形存儲隊列AdBuあer中。模擬看門狗實時監(jiān)控該通道的模擬信號，通過動態(tài)設(shè)置上下限閾值，在環(huán)形隊列AdBuあer中提取上升沿（信號大于Vthreshold），下降沿（信號小于Vmin）信號波峰區(qū)域的數(shù)據(jù)序列，如圖3所示。剔除波峰寬度過大和過小的波峰信號（即t1–t0過大或過小），對有效模擬信號波峰數(shù)據(jù)（t0到t1之間AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)）尋峰處理求出tp時刻峰值Vpp的數(shù)據(jù)并保存[2]。

圖3 模擬信號峰值波形圖

2 軟件設(shè)計

本方法軟件主要包括ADC和DMA初始化、模擬看門狗中斷程序和尋峰程序。

圖4 DMA存儲環(huán)形隊列AdBuffer

■2.1 初始化程序

設(shè)置ADC采用DMA的通道，數(shù)據(jù)從三重模式的 ADC通用規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器（ADC–>CDR)傳輸?shù)絻?nèi)存（環(huán)形隊列AdBuあer）。每次傳輸?shù)拇笮榘胱郑?6位）,用于存放12位AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，內(nèi)存大小為M個半字。使用DMA循環(huán)傳輸模式[3]。

模擬輸入信號接入到三路ADC的模擬通道，每路ADC連續(xù)對模擬通道采樣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束立即啟動DMA，將轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)形隊列AdBuあer保存。三重ADC交替采樣，在時間上采樣順序為ADC1、ADC2、ADC3、ADC1…。模擬看門狗實時監(jiān)控三路ADC模擬通道的信號，設(shè)置上下限閾值，啟動模擬看門狗中斷[4]。

下面是部分初始化程序：

■2.2 模擬看門狗中斷、濾波及尋峰程序

模擬看門狗中斷程序功能是檢測模擬信號波峰的上升沿和下降沿，在下降沿時對有效模擬信號的波峰數(shù)據(jù)脈寬濾波及尋峰處理。如圖5所示，模擬看門狗實時監(jiān)控模擬信號，在檢測模擬信號波峰的上升沿時，將模擬看門狗的上限閾值設(shè)為Vthreshold，下限閾值設(shè)為0，當(dāng)模擬信號大于Vthreshold時會產(chǎn)生模擬看門狗中斷，表示收到模擬信號的上升沿信號，處理上升沿程序；在檢測模擬信號波峰的下降沿時，將模擬看門狗的上限閾值設(shè)為滿刻度，下降沿設(shè)為Vmin，當(dāng)模擬信號小于Vmin（即下降沿）時會產(chǎn)生模擬看門狗中斷，表示收到模擬信號的下降沿信號，處理下降沿程序[5]。

具體流程：進(jìn)入模擬看門狗中斷程序后，首先判斷當(dāng)前中斷是上升沿中斷還是下降沿中斷。如圖3、圖4所示，如果是上升沿中斷，保存該時刻（t0時刻）的DMA計數(shù)器NDTR在環(huán)形隊列中的位置Addr0，并且重新設(shè)置模擬看門狗的閾值為檢測下降沿的閾值，表示已監(jiān)測到脈沖信號的上升沿，下次需要監(jiān)測脈沖信號的下降沿，退出模擬看門狗中斷；如果是下降沿中斷，表示已監(jiān)測到脈沖信號的下降沿，開始對監(jiān)測到的脈沖上升沿至下降沿之間的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行脈寬濾波、最大值尋峰處理。具體過程：記下此時刻（t1時刻）的DMA計數(shù)器NDTR在環(huán)形隊列中的位置Addr1，將環(huán)形隊列AdBuあer中上升沿的位置Addr0和下降沿的位置Addr1中的采樣數(shù)據(jù)AdBuあer[Addr0]~ AdBuあer[Addr1]復(fù)制到緩沖區(qū)WaveBuあer中，由于ADC工作在三重ADC交替DMA工作模式，對信號的采樣是連續(xù)、實時采樣的，每個采樣數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換時間都是一樣的，因此可以通過波形上升沿t0時刻在循環(huán)隊列的采樣數(shù)據(jù)AdBuあer[Addr0]和下降沿t1時刻在循環(huán)隊列的采樣數(shù)據(jù)AdBuあer[Addr1]之間在循環(huán)隊列AdBuあer中一共采樣了多少個數(shù)據(jù)乘以ADC轉(zhuǎn)換時間來計算上升沿和下降沿之間的時間間隔，即檢測到的信號波峰脈寬t，比較t與有效信號的脈寬時間范圍，當(dāng)t不在有效信號的脈寬時間范圍內(nèi)時，信號為干擾信號，過濾掉脈寬過寬或過窄的信號，退出中斷程序，不作尋峰處理；否則在緩沖區(qū)WaveBuあer的數(shù)據(jù)中尋找最大值，也就是尋峰處理，尋出的最大值即為峰值數(shù)據(jù)（tp時刻波峰Vpp的采樣數(shù)據(jù)）。此時信號檢測完畢，需要監(jiān)測下一個脈沖信號，重新設(shè)置模擬看門狗的閾值為檢測上升沿的閾值，退出模擬看門狗中斷。圖6和圖7是模擬看門狗中斷服務(wù)程序流程圖和尋峰處理流程圖。

圖6

圖7

3 結(jié)束語

本文利用STM32F407微控制器芯片的特點，采用其帶有規(guī)則組交替轉(zhuǎn)換的三路ADC對模擬信號采樣，將ADC采樣率提高了兩倍，利用DMA技術(shù)，實時保存采樣數(shù)據(jù)，同時結(jié)合模擬看門狗對模擬信號的實時監(jiān)控，巧妙的提取信號的上升沿和下降沿，截取峰數(shù)據(jù)序列，實現(xiàn)模擬信號的峰值檢測，摒棄了傳統(tǒng)的脈沖幅度甄別電路、閾值調(diào)節(jié)電路和脈沖峰值保持電路，使得信號調(diào)理電路簡單、信噪比提高、抗干擾性能好、脈沖計數(shù)通過率高。

本方法已成功運用在公司的放射性檢測儀器設(shè)備產(chǎn)品中。