徐 晴, 馬月紅

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是電子工程中非常重要的部分，它與傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)測量技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代化檢測技術(shù)的基礎(chǔ)[1-2]。高精度采樣系統(tǒng)主要應(yīng)用于通信、儀器控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，隨著科技的不斷進(jìn)步，數(shù)字系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的要求不止是簡單的數(shù)據(jù)采樣，而是看重其采樣速度、采樣模式、采樣精度、有效位數(shù)(ENOB)等參數(shù)。

在雷達(dá)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由片外AD采樣芯片組成的，目前FMCW雷達(dá)系統(tǒng)差頻回波信號大都是差分信號，使用片外AD對差分信號進(jìn)行差分采集不僅增加了電路的大小，而且成本增高，控制難度增大。由FMCW雷達(dá)測距原理可知，系統(tǒng)通過對差頻信號進(jìn)行FFT變換，計(jì)算出差頻信號的頻率，進(jìn)而求出目標(biāo)距離。如果IQ差分信號采樣不同步，會使測得的頻率出現(xiàn)問題，進(jìn)而影響雷達(dá)系統(tǒng)測距精度，ADC的采樣精度也會影響系統(tǒng)后續(xù)的距離定標(biāo)精度。因此設(shè)計(jì)了一種基于ARM的雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)，通過STM32F3系列單片機(jī)內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)對差頻信號高精度同步差分采樣，ADC采樣率高達(dá) 5 MHz，可同時對多路信號實(shí)現(xiàn)高精度、高采樣率、高速采樣，采集的數(shù)據(jù)通過DMA傳輸，可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，通過RS232串口總線傳輸?shù)絇C上位機(jī)進(jìn)行信號處理、畫圖、顯示[3-7]。

1 差分同步采樣系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由電源模塊、差分信號模塊、ARM電路、flash存儲模塊、串口通信電路、PC上位機(jī)組成[8]。其中ARM電路為系統(tǒng)的主控，實(shí)現(xiàn)對差分信號的差分ADC采集，并將采集的差分信號通過DMA通道傳輸。電源模塊直接采用5 V輸入，通過LFM3117-3.3芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V供電電壓，這里不再贅述。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)工作流程如下：首先差分信號模塊產(chǎn)生2對差分信號分別為I+、I-和Q+、Q-，ARM內(nèi)部ADC配置成雙路差分同步采樣模式，ADC差分采集差分信號將信號數(shù)組存放到CR寄存器中，然后通過DMA通道傳輸，系統(tǒng)在DMA中斷服務(wù)函數(shù)中對采集的差分信號進(jìn)行信號處理，系統(tǒng)可以進(jìn)行信號存儲，將采集的信號存放到SD存儲卡，便于記錄信號供后期測試，還可以通過RS232串口發(fā)送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，并將信號波形信息顯示出來。

2 差分同步采樣電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM芯片選擇

在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)中頻信號一般是IQ雙路，并且是差分信號。為了減小系統(tǒng)成本以及電路規(guī)模，本設(shè)計(jì)選用帶有內(nèi)部差分ADC的ARM芯片來代替片外ADC，為了實(shí)現(xiàn)對高頻信號精確采樣，要求ADC的采樣率達(dá)到5 MHz。含有ADC的STM32系列非常多，但是并不是每一款芯片都可以達(dá)到5 MHz采樣率。此時需要關(guān)注2個指標(biāo)，一個是ADC支持的最高采樣率，另一個是它的模擬帶寬。STM32系統(tǒng)時鐘大都在48 MHz和72 MHz，通過設(shè)置時鐘分頻后要保證ADC采樣率至少為5 MHz，模擬帶寬保證ADC模擬部分通帶至少達(dá)到2.5 MHz。

市場上做開發(fā)板最多的是STM32F103、STM32F407、STM32F429系列，并且配套資源齊全，F(xiàn)4系列的ADC采樣率可以達(dá)到2.5 MHz，但是其ADC沒有差分模式。STM32F3xx具有5 MHz采樣率的ADC，并且滿足差分采樣功能，本設(shè)計(jì)最終選擇STM32F303微控制器。該ARM以Cortex-M4為內(nèi)核，具有高速、低功耗、實(shí)時性等特點(diǎn)，內(nèi)置12位高速AD轉(zhuǎn)換器、定時器模塊、內(nèi)部存儲模塊、DAC模塊等外設(shè)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需求不同，可以實(shí)現(xiàn)多種模式ADC數(shù)據(jù)采集。

2.2 芯片管腳分配

STM32F303vct這款主控芯片有100個管腳，參考的資料為芯片參考手冊及數(shù)據(jù)手冊，通過ST意法半導(dǎo)體的原創(chuàng)工具STM32CubeMx軟件來配置STM32F303雙路ADC差分同步采樣模式，選擇ADC1的通道1和通道2，ADC2的通道3和通道4為差分通道，將ADC配置成雙路規(guī)則同步模式，并打開DMA請求和ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，ADC1、ADC2采集到的差分信號同時存放到一個32位的數(shù)組，其中ADC1采集的數(shù)據(jù)存放到數(shù)組低16位，ADC2采集的數(shù)組存放到高16位。串口選擇usart1，通過串口轉(zhuǎn)RS232將數(shù)組信號傳送給PC上位機(jī)一邊分析處理、顯示。ARM芯片管腳分配關(guān)系如表1所示。

表1 STM32F303管腳分配

2.3 濾波放大電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以雷達(dá)系統(tǒng)中頻信號為信號源，為了使該系統(tǒng)采集到高質(zhì)量的差頻信號，系統(tǒng)需在ADC采樣前對信號進(jìn)行濾波放大處理，濾波放大電路設(shè)計(jì)包括兩級放大電路和一級濾波電路。

系統(tǒng)為了滿足微型化、低功耗等要求，如果對2對差頻信號同時進(jìn)行濾波放大處理，不僅增加電路規(guī)模、功率、成本，而且會引入誤差，為此將每路差分信號轉(zhuǎn)成單端信號來處理。第一級放大電路如圖2所示，該電路主要作用是將差分信號轉(zhuǎn)化成單端信號同時對信號進(jìn)行放大處理。AD8426ACPZ是一種軌至軌輸出儀表放大器，僅需要一個外部電路來調(diào)節(jié)功率，而且滿足對差分信號放大轉(zhuǎn)化成單端信號的功能。

圖3為濾波電路,該電路由兩級一階有源低通濾波器組成，中頻信號經(jīng)過濾波電路后有效地濾除高頻噪聲，系統(tǒng)可以采集到高質(zhì)量的中頻信號。

圖4為第二級放大電路，該電路主要功能是單端信號轉(zhuǎn)差分信號并對信號放大驅(qū)動ADC差分采樣。ADA4941是一種低功耗、低噪聲差分驅(qū)動器，其輸出的差分信號具有低失真、高信噪比的特點(diǎn)，可驅(qū)動高精度差分ADC。

圖2 第一級放大電路

圖3 濾波電路

圖4 第二級放大電路

2.4 SD卡存儲模塊

系統(tǒng)選擇SD卡作為存儲模塊，具有較好的穩(wěn)定性、通用性及容量高、讀寫速度快等特點(diǎn)。SD卡通過SDIO模式實(shí)現(xiàn)與STM32F303通信，將SD卡的DATA2、DATA3、CMD、CLK、DATA0、DATA1引腳與ARM微控制器相連。其中CLK為SD卡的時鐘，由ARM產(chǎn)生的時鐘信號引入。CMD是命令信號，傳輸所有的命令及響應(yīng)。DATA0～DATA3為數(shù)據(jù)線，用來傳輸數(shù)據(jù)[9-10]。系統(tǒng)使用SD卡時首先對SD卡進(jìn)行初始化。

3 差分同步采樣電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 ADC中斷模式流程圖

該系統(tǒng)的ARM軟件設(shè)計(jì)主要包括：ADC采樣中斷模式設(shè)計(jì)、ADC采樣DMA通道模式設(shè)計(jì)、ARM內(nèi)部信號處理。系統(tǒng)初始化好各個模塊后，差分信號源產(chǎn)生2對差分信號，每路信號經(jīng)過濾波放大電路后由ARM內(nèi)部ADC1、ADC2分別對I、Q兩路實(shí)現(xiàn)差分同步采集，采集信號通過DMA傳輸，當(dāng)傳輸?shù)奈粩?shù)與設(shè)定的位數(shù)相等時會產(chǎn)生DMA中斷，在DMA中斷服務(wù)函數(shù)中可對采集的信號進(jìn)行加窗、濾波處理，最后通過RS232串口將信號發(fā)送給上位機(jī),根據(jù)設(shè)置的串口讀取標(biāo)志位來接收一個完整周期的信號，并可以在上位機(jī)實(shí)時顯示差分同步采樣電路采集到的信號波形。

3.1 ADC采樣中斷模式

STM32F303內(nèi)部有4個12位ADC，ADC的電壓輸入范圍為：UREF-≤UIN≤UREF+,其中，UREF-、UREF+分別為參考正負(fù)電壓，由外部引腳決定。ADC采樣中斷模式流程如圖5所示。

選擇PA0、PA1作為ADC1的通道1、通道2，信號通過ADC1的通道進(jìn)入規(guī)則通道，ADC設(shè)置為軟件啟動，此時模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號存放到規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)存放的數(shù)組長度與設(shè)定的位數(shù)相同時會生成轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，在中斷服務(wù)函數(shù)中完成對信號的輸出。

圖6 DMA中斷模式流程圖

3.2 ADC采樣DMA通道模式

直接存儲區(qū)訪問(DMA)為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速在外設(shè)寄存器與存儲器之間或者存儲器與存儲器之間傳輸提供了高效的方法。由于DMA傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速移動無需CPU操作控制，與ADC采樣中斷模式相比，ADC采樣DMA通道模式大大提高了ADC的工作效率。圖6是ADC采樣DMA模式流程圖，信號經(jīng)過ADC管腳進(jìn)入規(guī)則通道，配置ADC為差分同步模式，打開ADC的DMA通道并選擇與ADC匹配的DMA通道，采集數(shù)組通過DMA通道傳輸存放到規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)長度與設(shè)定的數(shù)值相等時會產(chǎn)生DMA中斷標(biāo)志位，在DMA中斷服務(wù)函數(shù)中對數(shù)組輸出。

3.3 ARM內(nèi)部信號處理

很多情況下系統(tǒng)ADC采集到的差分信號并不能采集到整數(shù)個周期，系統(tǒng)采集到的信號如果從一個周期中切斷，此時時間不連續(xù)的原始信號做FFT變換會出現(xiàn)信號劇烈變化，測量出的信號就不是很精準(zhǔn)，因此FFT變換得到的信號頻率不是原始信號的頻率，也就是所謂的頻譜泄露問題。為了獲取到精確的信號頻率，需要對信號進(jìn)行濾波加窗處理，在程序DMA中斷服務(wù)函數(shù)中，對采集到的信號數(shù)組經(jīng)帶通濾波器濾除噪聲信號，利用點(diǎn)乘運(yùn)算對信號加hanning窗處理。

在實(shí)驗(yàn)過程中對程序每一步單步調(diào)試驗(yàn)證結(jié)果的正確性，遇到ROM內(nèi)存不夠問題，為了解決該問題對程序進(jìn)行了優(yōu)化，采用數(shù)組復(fù)用技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)了雙路差分同步采樣功能。

圖7 系統(tǒng)電路

4 實(shí)驗(yàn)測試及分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，差分同步采樣系統(tǒng)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)如下：ARM片外采用25 MHz晶體經(jīng)分頻倍頻關(guān)系，將系統(tǒng)時鐘設(shè)置為70 MHz，ADC時鐘APB2也為70 MHz，ADC時鐘分頻系數(shù)為1，ADC采樣時間設(shè)置為1.5個周期，根據(jù)芯片手冊STM32F303計(jì)算ADC采樣率公式

fs=SYSCLK/(12.5+SamplingTime)

(1)

式中,SYSCLK為系統(tǒng)時鐘70 MHz；SamplingTime為采樣時間，取值為1.5，代入式(1)可計(jì)算出ADC的采樣率為5 MHz。

實(shí)驗(yàn)方法如下：以FMCW雷達(dá)中頻信號為信號源，系統(tǒng)對中頻波信號差分同步采樣，在ARM內(nèi)部對信號進(jìn)行處理并通過串口輸出結(jié)果，其結(jié)果與雷達(dá)系統(tǒng)測量出的結(jié)果進(jìn)行對比。圖8(a) 是差分同步電路采集的雷達(dá)中頻信號IQ雙路時域顯示，此時雷達(dá)系統(tǒng)測量實(shí)際距離為69 cm，經(jīng)反推計(jì)算出差頻信號頻率為7.34 kHz，將差分同步采樣電路采集的中頻信號進(jìn)行FFT運(yùn)算，計(jì)算出中頻信號頻率為7.35 kHz，與實(shí)際中頻信號頻率相差0.01 kHz。圖8(b)是差分同步采樣電路采集的中頻信號頻域圖，信號峰值位置為7.35 kHz。

圖8 系統(tǒng)采樣中頻信號時域及頻域

通過雷達(dá)系統(tǒng)對不同目標(biāo)進(jìn)行探測，雷達(dá)測出的中頻信號頻率與本系統(tǒng)采集的中頻信號頻率多次對比結(jié)果如表2所示。從表2結(jié)果可以看出，該差分同步采樣電路采集雷達(dá)系統(tǒng)的中頻信號與雷達(dá)系統(tǒng)計(jì)算出的中頻信號頻率相差無幾，滿足高精度、大帶寬、高采樣率的差分同步采樣要求。該設(shè)計(jì)可用于各種雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，通用性強(qiáng)。

表2 測量結(jié)果對比 kHz

5 結(jié)論

采用ARM單片機(jī)為主控芯片，使用ARM內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)了雙路差分同步采樣電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)采樣率高達(dá)5 MHz，具有多種采樣模式，可直接應(yīng)用在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，具有高采樣率、大帶寬、采樣精度高、體積小、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價值。