李毅銘，杜冬梅

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

振動(dòng)信號(hào)是檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的重要技術(shù)參數(shù)，許多故障都反映在異常的振動(dòng)信號(hào)中[1]。目前利用嵌入式技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集的系統(tǒng)都存在一些問(wèn)題，高端的系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難、價(jià)格偏高等問(wèn)題[2]，而低端數(shù)據(jù)采集裝置存在精度不滿足要求，通用性差等問(wèn)題[3]。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文選擇使用STM32F767內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，合理配置A/D的性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多通道、高精度的數(shù)據(jù)采集，這不僅有利于降低成本，而且還具有一定實(shí)用性[4]。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件配置

1.1 STM32微控制器

本文選擇高性能ARM Cortex-M7 32位 RISC 內(nèi)核的STM32F767作為主控制器，工作頻率高達(dá)216 MHz。Cortex-M7內(nèi)核具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元(Float Point Unit，簡(jiǎn)稱FPU)，支持ARM雙精度和單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型。它還可實(shí)現(xiàn)一套完整的數(shù)字信號(hào)處理 (Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)指令和一個(gè)內(nèi)存保護(hù)單元(Memory Protection Unit，簡(jiǎn)稱MPU)，增強(qiáng)了應(yīng)用程序的安全性[5]。

對(duì)于絕大部分振動(dòng)信號(hào)，10 kHz的最大采樣率就可以滿足實(shí)際需求，而更高的采樣頻率一般用在12位以上的A/D中。對(duì)于它內(nèi)置的12位A/D來(lái)說(shuō)，最大轉(zhuǎn)換速率為2.4 MHz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間最小為0.41 μs(在A/D時(shí)鐘頻率設(shè)置為最大的36 MHz，采樣周期設(shè)置最小的3個(gè)A/D時(shí)鐘周期下得到)，完全滿足一般情況的數(shù)據(jù)采集頻率需求。同時(shí)每個(gè)A/D包含19個(gè)復(fù)用通道，可測(cè)量來(lái)自16個(gè)外部源、兩個(gè)內(nèi)部源和UBAT通道的信號(hào)，在通道數(shù)上也完全符合采樣需要。各個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換還有多個(gè)工作模式可供選擇，分別是：?jiǎn)未无D(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換、掃描轉(zhuǎn)換和間斷轉(zhuǎn)換[8]。

1.2 A/D數(shù)據(jù)采集

A/D的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。大多數(shù)A/D的自身輸入都是來(lái)自外部傳感的電壓信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)[9]。本文討論的數(shù)據(jù)采集方法都基于STM32F767內(nèi)部自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。A/D的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括采樣時(shí)間、采樣精度、分辨率和轉(zhuǎn)換速率等。

1.2.1 采樣時(shí)間

A/D時(shí)序圖如圖1所示。A/D在開(kāi)始精確轉(zhuǎn)換之前需要一段穩(wěn)定時(shí)間TSTAB，隨后等待觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)啟后，經(jīng)過(guò)總轉(zhuǎn)換時(shí)間，EOC位置1，將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存至A/D的數(shù)據(jù)寄存器中，最后用軟件對(duì)EOC位進(jìn)行清零，等待下一次轉(zhuǎn)換。

圖1 A/D時(shí)序圖

對(duì)于A/D內(nèi)部要轉(zhuǎn)換的通道來(lái)說(shuō)，首先要確定的就是采樣時(shí)間。A/D會(huì)在多個(gè)fA/D CLK周期內(nèi)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間的周期數(shù)可以通過(guò)修改寄存器的配置位進(jìn)行修改。它可以被配置為3，15，28，56，84，112，144，480個(gè)周期。每個(gè)通道均可以使用不同的采樣時(shí)間進(jìn)行采樣[10]。

A/D單個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間：

Tcon=采樣時(shí)間+12個(gè)周期

(1)

對(duì)于配置多通道進(jìn)行采集的A/D來(lái)說(shuō)，A/D的總轉(zhuǎn)換時(shí)間：

應(yīng)用HITACHI HI VISON Preirus彩色多普勒超聲診斷儀，高頻探頭頻率5.0～13.0 MHz?；颊呷⊙雠P位，頭部后仰或墊高肩部充分暴露頸前區(qū)[1]。平靜呼吸，甲狀腺二維超聲掃查發(fā)現(xiàn)結(jié)節(jié)后，首先用二維超聲觀察其形態(tài)、大小、邊界、內(nèi)部回聲、有無(wú)鈣化等，然后切換到彈性模式，行甲狀腺超聲彈性成像檢查。顯示結(jié)節(jié)并盡量固定探頭位置，手持探頭在結(jié)節(jié)部位做微小運(yùn)動(dòng)，使顯示屏壓力指示條的數(shù)字控制在3～4[2]，并使感興趣區(qū)域大于結(jié)節(jié)的2～3倍[3]，用雙幅實(shí)時(shí)顯示功能動(dòng)態(tài)觀察聲像圖，對(duì)甲狀腺結(jié)節(jié)進(jìn)行彈性分級(jí)。

(2)

式中N——通道數(shù)；fA/D CLK——A/D的時(shí)鐘頻率，此時(shí)鐘來(lái)自于經(jīng)可編程預(yù)分頻器分頻的APB2時(shí)鐘，fA/D CLK最大配置頻率為36 MHz，超過(guò)該頻率就會(huì)使采樣數(shù)據(jù)精度顯著下降。

對(duì)于每個(gè)要轉(zhuǎn)換的通道，都需要盡可能讓采樣時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)有較高的準(zhǔn)確度，但是同時(shí)也會(huì)降低A/D的轉(zhuǎn)換速率。尤其在使用多通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，合理地配置采樣時(shí)間成為關(guān)鍵。本文選擇將A/D的采樣時(shí)間配置為3個(gè)周期，最大化A/D的轉(zhuǎn)換速率，降低A/D的總轉(zhuǎn)換時(shí)間，同時(shí)也滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景所需的精度。

1.2.2 采樣精度

STM32F767的A/D輸入范圍UREF≤UIN≤UREF+，UREF的輸入范圍：1.8V～UDDA。UDDA為模擬電源輸入，等于UDD：當(dāng)全速運(yùn)行時(shí)，2.4 V≤UDDA≤UDD(3.6 V)；當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行時(shí)，1.8V≤UDDA≤UDD(3.6 V)。當(dāng)設(shè)置參考電壓值為3.3 V的情況下，12位A/D的采集精度如用于采集3.3 V電壓，那么理想情況下的識(shí)別精度為0.8 mV。

STM32F767有一個(gè)內(nèi)部參考電壓Urefint，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)電壓測(cè)點(diǎn)，在內(nèi)部和A/D 1的通道17相連。也就是說(shuō)，可以通過(guò)這個(gè)通道對(duì)其余A/D通道采集的值進(jìn)行漂移校準(zhǔn)，但使用內(nèi)部參考電壓校準(zhǔn)就需要多開(kāi)一路內(nèi)部A/D 1_IN17。

對(duì)于采樣精度為12位的A/D來(lái)說(shuō)：

Uchx=UA/Dhx×Urefint/UADrefint

(3)

式中Uchx——計(jì)算后的實(shí)際電壓值，V；UA/Dhx——A/D通道采樣值；Urefint=4 095×1.2/3.3=1 489 mV，其中1.2 V是標(biāo)準(zhǔn)電壓測(cè)點(diǎn)的電壓值，不隨外部供電電壓變化；UADrefint——A/D 1的第17個(gè)通道A/D 1_IN17采集的A/D值。

對(duì)于提高穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，一般分為硬件和軟件兩種方式，硬件上可以在A/D引腳和GND間跨接一個(gè)1 μF的電容或者選擇濾波器。軟件的方式是選擇跟自身系統(tǒng)匹配的軟件濾波器。

1.2.3 采樣頻率

本文選擇使用PWM定時(shí)器觸發(fā)A/D進(jìn)行采樣，這樣就可以通過(guò)控制PWM定時(shí)器的觸發(fā)頻率來(lái)調(diào)節(jié)所需的AD采樣頻率。對(duì)于STM32F767的定時(shí)器來(lái)說(shuō)，除了TIM6和TIM7，其他的定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出，其中定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)7路的輸出。

定時(shí)器的溢出時(shí)間：

(4)

式中arr——自動(dòng)裝載值；psc——分頻系數(shù)；fTIMCLK——定時(shí)器的輸入時(shí)鐘頻率，Hz。

定時(shí)器的觸發(fā)頻率即為溢出時(shí)間的倒數(shù)，用來(lái)對(duì)A/D進(jìn)行觸發(fā)。這樣A/D的采樣頻率就是定時(shí)器觸發(fā)頻率，要注意A/D的總轉(zhuǎn)換時(shí)間要小于定時(shí)器的溢出時(shí)間。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 DMA技術(shù)

直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)直接存儲(chǔ)器存取 (Direct Memory Access，簡(jiǎn)稱DMA)傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另一個(gè)地址空間，提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。CPU作為系統(tǒng)運(yùn)作的核心有著轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)、計(jì)算、控制程序轉(zhuǎn)移等功能。獨(dú)立的DMA通道提供了一條數(shù)據(jù)道路，可以直接將數(shù)據(jù)A拷貝到B，不經(jīng)過(guò)CPU處理。DMA的作用就是防止當(dāng)出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)過(guò)度消耗CPU資源，使CPU可以更專注于更加實(shí)用的操作、計(jì)算、控制等。

DMA傳輸工作的開(kāi)始，首先需要將總線的權(quán)限給予DMA模塊，然后再結(jié)束時(shí)將總線權(quán)限還給CPU。完整的DMA傳輸包括：請(qǐng)求；響應(yīng)；傳輸；結(jié)束。DMA數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 DMA數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程圖

2.2 STM32F767中的DMA模塊

本文使用的STM32F767模塊包含兩個(gè)DMA控制器，共16個(gè)數(shù)據(jù)流(每個(gè)DMA控制8個(gè)數(shù)據(jù)流)，每一個(gè)DMA控制器都用于管理一個(gè)或者多個(gè)外設(shè)的存儲(chǔ)器訪問(wèn)請(qǐng)求。DMA的每個(gè)數(shù)據(jù)流總共可以有多達(dá)8個(gè)通道(或請(qǐng)求)。每個(gè)數(shù)據(jù)流通道還配有一個(gè)仲裁器，用于處理DMA不同通道間的優(yōu)先級(jí)。在每次傳輸中還可以配置獨(dú)占尺寸，設(shè)置獨(dú)占尺寸的通道優(yōu)先級(jí)最高，并且在傳輸完獨(dú)占尺寸規(guī)定的數(shù)據(jù)后，傳輸才會(huì)停止，轉(zhuǎn)向下一個(gè)優(yōu)先級(jí)通道的傳輸。

DMA對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，需要確定的4個(gè)核心參數(shù)是：數(shù)據(jù)源地址、數(shù)據(jù)傳輸位置的目標(biāo)地址、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)。

當(dāng)用戶將參數(shù)配置好，主要對(duì)源地址、目標(biāo)地址、傳輸數(shù)據(jù)量進(jìn)行配置，DMA控制器就會(huì)啟動(dòng)傳輸，當(dāng)完成所需的數(shù)據(jù)傳輸量，就結(jié)束DMA傳輸，并對(duì)外設(shè)接口發(fā)出中斷。當(dāng)DMA設(shè)置為循環(huán)傳輸模式時(shí)，DMA每次到達(dá)傳輸終點(diǎn)都會(huì)重新開(kāi)啟DMA傳輸。

2.3 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本文的主要工作為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。首先應(yīng)該完成數(shù)據(jù)采集前的驅(qū)動(dòng)初始化，包括A/D初始化、DMA初始化和系統(tǒng)初始化。A/D的初始化是采集過(guò)程中至關(guān)重要的一步。本文啟用了4個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在專屬寄存器A/D_DR中，每次轉(zhuǎn)換之前都要進(jìn)行初始化。而DMA初始化是因?yàn)橐獙⑶懊婕拇嫫髦斜４娴霓D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)搬運(yùn)至內(nèi)存中，這樣提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、中斷源配置、GPIO端口配置和定時(shí)器初始化及其參數(shù)配置。數(shù)據(jù)采集過(guò)程是系統(tǒng)啟動(dòng)，并進(jìn)入初始化過(guò)程，當(dāng)完成初始化后，A/D開(kāi)始進(jìn)入數(shù)據(jù)采集過(guò)程，然后通過(guò)DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)，不斷循環(huán)，直至系統(tǒng)發(fā)出停止命令結(jié)束。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

3 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

3.1 電壓峰值誤差測(cè)試

為了檢驗(yàn)經(jīng)過(guò)配置后STM32F767內(nèi)置的A/D多通道采集穩(wěn)定性和測(cè)量精度，本文使用信號(hào)發(fā)生器GFG-8019G作為信號(hào)源，對(duì)其發(fā)出的符合采集量程的正弦波進(jìn)行采集測(cè)試。正弦波峰值測(cè)試值結(jié)果如表1所示。表1中的信號(hào)頻率為50 Hz，采樣頻率為800 Hz，并通過(guò)示波器DS1102C進(jìn)行同步采集進(jìn)行結(jié)果比較。比較結(jié)果表明，STM32F767的內(nèi)置A/D在合理配置的情況下可以進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集，并滿足一定的精度要求。 電壓峰值誤差在2%以內(nèi)。

表1 正弦波峰值測(cè)試表

3.2 同步性測(cè)試

當(dāng)使用A/D的多個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需配置掃描模式，即多個(gè)通道按照配置的順序進(jìn)行循環(huán)采集，同時(shí)相鄰?fù)ǖ篱g還存在一定的信號(hào)串?dāng)_，這些因素使得相鄰進(jìn)行采集的通道間不可避免地存在一定延遲，造成一定誤差，影響采集的同步性。這些差異會(huì)增大后期信號(hào)處理的誤差，因此考察相鄰采集通道的同步性是個(gè)非常重要的問(wèn)題。

為了驗(yàn)證經(jīng)過(guò)配置后A/D多個(gè)通道采集的同步性，本文使用STM32F767中的A/D 3中的通道4和通道5，使用信號(hào)發(fā)生器GFG-8019G作為信號(hào)源，對(duì)其發(fā)出的符合采集量程的正弦波進(jìn)行采集同步性測(cè)試。

測(cè)試一個(gè)周期內(nèi)兩相鄰?fù)ǖ赖牟杉`差如表2所示。信號(hào)頻率設(shè)置為100 Hz，采樣頻率設(shè)置為1 600 Hz，偏置電壓為0.5 V。測(cè)試結(jié)果表明，STM32F767自帶的A/D在合理配置的情況下，相鄰?fù)ǖ赖难舆t誤差較小，同步性也可以得到保證。

表2 相鄰?fù)ǖ离妷褐祵?duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中對(duì)于高精度、高速率的要求，選擇使用STM32F767為主控芯片，利用自帶的A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后驗(yàn)證了其4通道同步模數(shù)轉(zhuǎn)換的能力，并且具有一定靈活性，同時(shí)可以對(duì)其通道數(shù)、采樣時(shí)間、采樣頻率進(jìn)行更改。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，電壓峰值誤差小于2%，頻率測(cè)試精度和多通道采集的同步性也滿足絕大部分采集過(guò)程中的要求。