基于STM32的存儲式聲波信號采集模塊設計

余愿

摘要：為實現聲波信號長時間采集存儲的應用場景，本文設計了基于STM32的存儲式聲波信號采集模塊。該模塊選用STM32作為主控制器，使用24位模數轉換器AD7767完成聲波信號的采集，使用四片MicroSD卡組成大容量陣列存儲電路，完成聲波信號的存儲。測試結果表明，本文設計的存儲式聲波信號采集模塊存儲容量大、精度高、功耗低，滿足聲波信號的長時間采集與存儲要求，具有一定的實用價值。

關鍵詞：信號采集;大容量陣列存儲;AD7767;STM32

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0259-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著聲學技術的發展，對聲波采集模塊要求越來越高，特別是在地質監測、海洋聲學研究等應用領域。在應用領域內，聲波采集模塊的工作時間通常長達數月，這對聲波采集模塊的存儲能力、功耗等提出了較高的要求[1，2]。而目前，大部分聲波采集模塊存儲容量小，工作時間短，鑒于此 ， 本文設計了基于STM32的存儲式聲波信號采集模塊。

1總體方案

存儲式聲波信號采集模塊總體設計框圖如圖1所示。模塊主要由主控電路、模數轉換電路、低噪聲信號調理電路、大容量陣列存儲電路和網絡通信電路構成。主控電路通過網絡通信電路與上層軟件通信，獲取工作參數。主要工作參數有：工作模式、轉換速率、采樣點數、系統增益等。模擬信號輸入到該模塊后，先通過低噪聲信號調理電路對輸入的模擬信號進行濾波、放大處理。然后，主控電路控制模數轉換電路，完成模擬信號的數字化。最后，主控電路以自定義格式將數字化的信號以文件形式存儲。

2硬件設計

2.1主控電路

主控電路采用基于高性能ARM Cortex-M3內核的STM32F207VCT6微控制器。STM32F207VCT6微控制器工作頻率高達120 MHz，閃存高達1 Mbyte，SRAM高達128 KB，具備三個ADC、兩個DAC、十二個通用定時器、2個UART、3個SPI、1個SDIO接口[3]。STM32F207VCT6微控制器資源豐富，性能強大，可以滿足本模塊的性能需求。

2.2模數轉換電路

模數轉換電路采用ADI公司的AD7767模數轉換器作為核心器件。AD7767是高性能逐次逼近型24位過采樣模數轉換器，最高采樣率達128KHz，具有較寬的動態范圍和輸入帶寬、出色的信噪比和高直流精度，能夠精確地采集模擬信號，適用于高精度數據采集場合[4]。其電路原理圖如圖2所示。

高速模數轉換電路使用2.5V電源供電。AD7767的VIN+和VIN-分別作為差分信號的輸入。VREF+基準電壓為5V。MCLK為AD7767的主時鐘，該時鐘決定了AD7767的采樣頻率，主時鐘輸入頻率和模數轉換頻率成線性關系。nSYNC為同步輸入，可實現多個AD7767的同步，nDRDY是數據就緒輸出，微控制器通過此下降沿讀取數據。nCS是片選使能。ADC_SCLK、ADC_SDI和ADC_SDO是微控制器SPI接口的時鐘輸出和數據交互端，模數轉換數據以二進制補碼、最高位優先的格式輸出結果。

2.3信號調理電路

低噪聲信號調理電路采用兩級信號放大電路構成。

第一級放大電路如下圖3所示，左側輸入的差分信號經RC濾波網絡后，分別進行同相放大濾波處理，放大倍數為6，運算放大器選擇ADI公司的雙通道高速電壓反饋、低噪聲、低功耗、軌到軌輸出放大器ADA4805-2ARMZ。其靜態電流為500mA，在增益為1時，提供105MHz的高帶寬、160V/us的高轉換速率和最大125uV的低輸入偏置電壓。

第二級放大電路原理圖如圖4所示，選擇TI公司的差分放大器THS4531IDGK，其電壓輸入范圍為2.5V～5.5V，使用單電源供電，是一款低功耗、全差分運算放大器，輸入共模范圍低于負軌到軌輸出型運放。運放正常工作時放大倍數為5，做放大濾波處理的同時，由于模數轉換器參考電壓為5V，而差分信號輸入范圍為正負2.5V，因此運放2腳公共端輸入為2.5V，即輸出電平抬高了2.5V。

2.4大容量陣列存儲電路

大容量陣列存儲電路的功能是將模數轉換電路采集的數字信號進行存儲，其存儲容量高達128G，因此本文選擇使用4張MicroSD卡實現數據的存儲，每張SD卡存儲容量大小為32G。主控電路通過SDIO接口使用時分復用方法完成4張SD卡的寫操作。

2.5網絡通信接口電路

網絡通信接口電路采用有人物聯網科技公司的USR-C322模塊。主控電路通過串口使用AT指令對USR-C322模塊連網配置，模塊被配置成STA工作模式，搜索并連接上位機WiFi網絡，上位機檢測到模塊連接后可以實現上層軟件與模塊的網絡通信。

3軟件設計

軟件分為兩大部分：系統命令執行和系統狀態上傳。其中系統命令執行是系統軟件的核心，涉及采集任務的管理，系統狀態上傳確保上位機可以實時查看系統工作狀態。

根據系統總體方案的需求，本論文完成了軟件系統的總體架構設計，如上圖5所示。系統的程序主要由若干中斷服務子程序和四個RTOS任務程序構成。其中，采集單元的串口接收到命令后，進行命令解析。若命令為聲波信號的數據采集管理命令，采集任務表管理程序響應并執行命令;若命令為其他控制命令，命令處理程序響應并執行命令。當AD7767中斷發生時，采集任務表管理程序讀取單個通道的模數轉換結果，然后再任務數據打包上傳程序將讀取到的數據上傳;當接收到獲取工作狀態數據采集管理命令時，狀態數據采集程序讀取狀態數據，最終狀態數據采集獲取程序將讀取到的系統信息數據按照自定義的通信鏈路層協議上傳到上位機平臺。

4測試

利用實驗室現有的聲波激發裝置，激發一組聲波信號，使用聲波換能器接收聲波信號。該聲波換能器接至存儲式聲波信號采集模塊。一次激發完成后，將SD卡中存儲的數據導入到計算機，使用Matlab對數據進行讀取和繪制。其繪制結果如圖6所示。

5結束語

本文設計的存儲式聲波采集模塊使用低功耗STM32微控制器、24位模數轉換器和大容量陣列存儲電路，實現了聲波信號的采集與存儲。該模塊存儲容量大、精度高、功耗低，滿足聲波信號的采集與存儲要求，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1] 趙金龍.基于STM32的單通道無纜存儲式地震儀設計與實現[D].長春：吉林大學，2016.

[2] 趙圣飛.基于STM32的數據采集存儲系統的設計與實現[D].太原：中北大學，2014.

[3] STMicroelectronics. STM32F207xx advanced ARM?-based 32-bit MCUs Reference manual[Z].2018.

[4] AD7767-24-Bit，8.5mW，109dB，128kSPS，64 kSPS，32 kSPS ADCs（Rev.C）.Analog Devices Inc.2010.

【通聯編輯：唐一東】