基于STM32的海底沉積物聲波采集主控系統的設計

陳浩 龍建軍 李明鵬 左福森

摘要：為滿足海底沉積物聲波采集數據的有效存儲，本文提出采用基于STM32F4的海底沉積物聲波采集主控系統的設計。對主控系統硬件電路的設計和軟件程序架構的設計進行了論述，最終通過實驗驗證了該主控系統的可行性。

關鍵詞：STM32;聲波采集;數據存儲

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0231-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 沉積物聲波采集主控系統與裝置其他模塊通信連接總體設計

主控系統是整個采樣裝置的控制中心，是控制銜接模塊協調工作的大腦。本海底沉積物聲波采集裝置主要包括STM32主控系統、聲波信號發生電路、聲波發射驅動電路、發射換能器、接收換能器、信號處理電路、A/D采樣電路和數據存儲模塊，如圖1所示。

2 主控系統的硬件設計

2.1 主控系統電源電路設計

主控板上涉及的電壓有5V和3.3V。在5V電壓輸入的情況下，通過REG1117-3.3的電源轉換芯片將輸入的5V電壓降壓，將輸出電壓維持在3.3V，作為主控芯片STM32F407ZGT6的工作電壓。

2.2 RS-485和RS-232通信接口電路

由于本控制系統要工作于海底，且與上位機PC相距數百米很遠，因而控制系統與上位機間的通信選用RS-485通信。另外，本主控系統與銜接模塊的距離較近，在進行參數信息和控制命令發送時，很適合使用RS-232進行通信。

2.3 主控系統數據存盤電路

采集裝置在海底工作時需要進行多次采樣，且采集的數據需要按照時間順序以文件的形式保存起來。為此，本主控系統選用USB閃存盤進行采集數據的存儲。而本文選用的主控芯片STM32F407支持以USB-HOST接口的方式存取數據到U盤。

2.4 主控系統并口與A/D采樣模塊連接電路

系統是通過并行接口來讀取采樣模塊數據的，其連接電路如圖3所示。A/D采樣芯片采樣得到的數字信號數據在CPLD時鐘信號的控制下先暫存到采樣模塊的緩存RAM中。待采樣結束時，CPLD通過控制總線向主控系統觸發外部中斷，通知主控系統來讀取保存在緩存RAM中的采樣數據。

3 主控系統軟件程序設計

開始主控系統先啟動起來之后，做一些硬件外設的初始化，然后進入主循環。當控制系統接收到上位機發來的命令后，先做采樣前各模塊的參數設置。設置完成時，采樣標志會被置1。此時控制系統會自動開啟發波和采樣模塊等電源，接著信號發生模塊開始發射聲波信號，同時通知采樣模塊開始采樣。待采樣結束后，會觸發外部中斷告知控制系統讀取采樣數據，讀完之后進行數據存盤操作。主程序流程圖如圖4。

4 實驗驗證

本聲波采集系統發射頻率為40KHz的正弦波和脈沖波進行實驗驗證，A/D采樣電路的采樣頻率為1MHz。兩通道采樣，每通道采集1K聲波信號數據。第一通道采集脈沖波數據，第二通道采集正弦波數據，借助MATLAB工具處理后，得到的波形圖如圖5所示。

參考文獻：

[1] 魏俊益.新型聲波信號系統的研究開發[D].廣州： 廣東工業大學， 2010.

[2] 許肖梅.聲學基礎[M].北京：科學出版社，2003.

[3] 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3微控制器開發與應用[M].清華大學出版社，2011.

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