基于STM32的实收实发超声波检测系统研究

1、引言

在高频的超声波数据采集及频率分析的应用中，通常会采用实收实发的系统来模拟收到信号，目前最经常采用的模式是使用下位机高速连续采样，上位机进行数据分析的模式，然后在将检测的信号通过D／A发送出去。这种模式可以完成M级甚至于Ｇ级的数据连续采样，目前已经在高速的工业信号采集中得到了广泛的应用。

提出基于STM32的实收实发系统，主控芯片采用目前最新的STM32F407芯片，属于ARM公司推出的最新一代低功耗高性能片上系统，内核为CORTｅｘM4，最高主频可以到168MHｚ，内部采用ARM的精简指令集，单周期指令，并且集成了ARM公司的浮点DSP指令集，可以对数据进行信号滤波以及FFT运算，计算能力超过TI的200M主频的DSP；由于采用了片上系统设计，因此片内集成了大量的外设，具有较强的控制通信能力，很适合在工业控制信号处理中使用。整个系统基于STM32的低功耗设计，且系统体积较小，整个系统可以在不依赖主机的情况下进行独立工作，具有较好的应用前景。

2、系统组成结构

提出基于STM32的超声波实收实发系统主要由3部分构成：1）信号调理；2）数据采样分析；3）PWM发射组成。硬件总体设计如图1所示。

图1  总体设计方案

系统的核心处理器采用了基于CORTｅｘM4内核的STM32F407芯片，最高稳定工作主频为168MHｚ，内核功耗仅为128μA／MHｚ，采用ARM的32ｂIT精简指令集，单周期指令，并且集成了ARM公司的浮点DSP指令集，拥有乘累加器与除法器，可以对数据进行信号滤波以及FFT运算，计算能力较强，并且可以采用开源的ARM－ｇCC编译器进行编译，软件设计较为灵活，同时意法半导体已经将芯片的内核及外设都编写了驱动库，更加简化了应用的难度。

3、信号调理部分设计

信号调理部分采用了模拟比较器输入的结构，结构如图2所示。

图2  模拟比较器输入结构

信号通过高速运放搭建的模拟比较器，比较器的比较电压通过STM32F407的DAC提供，用于初始化进行噪声采集，门限自适应，这样可以滤除存在于信道中的噪声。

信号经过了模拟比较器后得到了一个标准的方波信号，方波信号进入到STM32F407的IO口中。

4、信号判断及处理

首先利用STM32F407片内的ADC对外部噪声进行采集，由于需要判断的信号频率在300～500ｋHｚ，因此采样率需要设定为500ｋHｚ的2倍以上。

STM32F407的单个ADC控制器工作的最高频率为36MHｚ，并且一个采样周期最短为15个工作周期，因此最大的采样率为2．4MHｚ。不过对于更为高速的信号，STM32F407可以将3路ADC并联使用，形成交错采样，因此STM32F407最高的采样率为7．2MHｚ。

图3  噪声采集设计原理

为了 保证采样的精度，因此采用了2路ADC并联使用，使得采样率达到4．8MHｚ，保证了在500ｋHｚ的噪声频带上也能有10倍的采样率。噪声采集设计原理如图3所示。

将噪声采集后使用DMA传输8192个点的噪声信号，计算噪声的幅度，并根据噪声的最大值与均方根值确定比较器的电压幅度门限，然后通过DAC发出门限电压信号给比较器，形成电压门限。

承载了单频脉冲的待测信号经过了模拟比较器后变成了1个方波信号，方波信号进入了STM32F407芯片的PA0脚，在PA0脚中会产生一个上升沿的脉冲信号，该上升沿会触发中断，从而开始记录信号的脉冲次数以及信号的脉冲长度，通过脉冲长度与脉冲次数的商值可以得到信号的频率、脉宽。当信号的2次脉冲的间隔小于预设区间或者大于预设区间时，就会被判定为无效脉冲或者是噪声脉冲，由此减小信号的虚警概率。频率计算如式（1）。

单个信号周期时间＝脉冲宽度时间/信号上升沿（1）

频率脉宽测量流程如图4所示。

图4  频率脉宽测量流程

经过频率计算后，通过定时器进行物理延时，模拟信号传播的时间，在延时后，启动PWM定时器，将测量的频率值输入至PWM定时器中。同时再启动一个定时器，作为控制PWM信号脉冲宽度的定时器。控制脉冲宽度的定时器控制发射的时间需要比检测到的脉冲长度长20％，以模拟接收到的高频声信号的拖尾现象。PWM脉冲发射控制流程如图5所示。

图5  PWM脉冲发射控制流程

5、软件设计

软件设计的分为了2个部分，第1部分为主功能模块设计，这部分的设计流程已在信号判断处理这部分中进行了详细的阐述；第2部分为总体工作模块，这部分需要对软件进行整体的架构设计，同时在整体框架下还包括了子通信模块。整体软件的架构如图6所示。

图6  软件总体设计流程

整体软件的架构由信号判断处理模块、延时工作模块、通信模块等4个部分组成，信号判断处理软件模块用于噪声门限、信号频率判断的程序。

第4个部分是SD卡的存储，STM32F407有一个SDIO的接口，可以实现4线SD卡存储或者是其他符合SDIO协议的设备工作，例如SDIOWIFI设备等。这里采用了基于2．0标准的SDHC卡，这种类型的卡出了容量远远大于第1代标准的卡以外，在初始化的程序上也有所不同，加入了CMD8命令用于确认工作电压是否稳定，具体初始化与工作的流程如图7所示。

图7  SD卡初始化流程

6、系统测试

首先建立测试环境，模拟一个40M距离的声传播反射通道，试验现场情况如图8所示。

图8  试验现场情况

系统测试首先给出噪声信号进行预处理，经过采集的噪声后，将数据通过进行保存并用于确定门限，噪声信号采集如图9所示。

图9   噪声信号采集

预处理结束后中接入3组单频脉冲信号，分别为300ｋHｚ、400ｋHｚ、500ｋHｚ的单频脉冲信号，初始信号通过传播管道进行超声传递，本系统根据噪声信号确定门限，检测到传播的信号，并准确测量出给定信号的频率，最终输出的PWM信号，输出信号结果如图10所示。图10（A）为输出的单个脉冲内的方波信号，图（ｂ）为单频脉冲信号在长时间下的情况。

图10  PWM结果输出

7、结论

研究了基于STM32的实收实发系统，通过对比分析各种不同的信号发生系统，得出了本系统的设计方案：采用意法半导体公司基于ARMCORTｅｘM4内核的STM32F407。系统实现了快速鉴频，测量脉冲宽度等功能；并且在检测结束后延时发射单频脉冲信号，并模拟信号拖尾的情况。同时还带有UART通信接口，采用DMA方式工作，用于与上位机的数据通信。数据采样的结果通过SDIO接口存入SDHC卡中。经过实际测试，系统的稳定可靠，频率计算精准，PWM频率精度高，本系统具有较好的应用价值。