基于STM32的正弦信號檢測系統設計

曹亢,吳銀川,楊晨

西安石油大學 陜西省油氣井測控技術重點實驗室（陜西 西安 710065）

測井技術在石油勘探及開采中扮演著重要的角色，隨著石油的不斷開采，石油儲層的環境越來越復雜，導致測井難度也越來越大[1]。在眾多測井技術中，由于感應測井具有測井效率高、準確度好、適應性強且成本較低的優點，使得它備受推崇[2]。在感應測井過程中，發射線圈通過發射頻率已知的正弦波信號或由多種頻率正弦波疊加的信號激勵地層，再使用線圈接收目標電壓或目標電流信號，根據該信號的變化反映出地層電阻率的變化趨勢，從測得數據中分析出有用信息[3-4]。但是由于地層結構相對復雜，以及井下環境噪聲干擾大，直接從干擾噪聲中提取出目標信號是相對困難的。而常見的正弦信號檢測方法有相敏檢波法[5-6]、奇異值分解法[7]和變尺度性雙耦合間歇混沌振子法[8]，由于后面兩種方法計算相對復雜，且適用范圍比較局限，因此相敏檢波法應用較廣。運用相敏檢波法，結合待檢測正弦信號的特性所設計出的正弦信號檢測系統，能夠實現實時正弦信號的快速檢測。該檢測系統使用Visual C#語言[9]開發上位機控制軟件，下位機基于STM32主控芯片設計，實現最高采樣頻率1 MHz，采樣參數可控的一種正弦信號檢測系統。

1 系統構成

本文設計的正弦信號檢測系統由下位機硬件和上位機軟件兩部分構成。整個系統主要由上位機控制，控制系統的采樣參數以及信號檢測等。下位機硬件系統使用基于ARM的STM32F103RCT6作為主控芯片。系統整體結構如圖1所示，主要包括將外部信號轉化成適合ADC采集的信號調理模塊、以STM32為核心的中央處理器、下位機與上位機建立通信基于CH340G轉換芯片的UART/USB模塊，以及對采集到的正弦信號檢測的上位機模塊。該系統由USB供電，通過按壓開關控制電源開啟，使用穩壓芯片AMS1117-3.3將USB所提供的5 V電壓轉換成3.3 V電壓后供給系統使用。STM32的PA1、PC11和PC12引腳控制信號調理模塊的控制電平，使得外部信號轉化成適合PA2采集的信號范圍；PA2引腳為STM32片上ADC是12位逐次逼近型模數轉換器[10]，用來采集經過調理變換后的信號；PA9和PA10引腳作為串口通信端口，分別和CH340G芯片上的RXD和TXD相連，用來建立于上位機的通信。

圖1 系統整體設計結構圖

當系統開始采集檢測外部正弦信號時，外部信號首先經過信號調理模塊，上位機下發控制指令，通過STM32上的PA1、PC11和PC12引腳控制定時器觸發ADC采集信號調理模塊的輸出電壓。一方面，STM32通過PA2端口采集調理后的數據，并且通過串口轉USB模塊發送給上位機，上位機能夠對接收到的信號進行信號檢測，同時將檢測結果保存在文件中；另一方面，STM32將采集到的數據通過LCD屏逐點顯示出波形，方便觀察正弦信號的波形。

2 程序設計

2.1 下位機程序設計

下位機總體流程如圖2所示，當系統開機上電后，首先對下位機硬件電路初始化，包括串口、ADC、定時器、LCD顯示等相應模塊。初始化完成后，等待上位機下發控制指令，下位機接收到控制指令后對數據進行校驗，判斷下發的數據幀是否正確。若正確，將返回上位機配置成功指令，上位機會接收到成功配置的指令。若錯誤，將會返回上位機配置錯誤的指令，再次等待上位機的控制指令。配置完成后硬件系統中的ADC進行數據采集，通過串口將采集到的數據發送給上位機。同時，將采集到的數據通過LCD顯示在屏幕上，方便查看數據波形。

圖2 下位機軟件總體流程圖

2.2 通信程序設計

該系統由上位機下發指令控制，下位機接收到指令后返回握手指令對信號采集進行控制，通過這種方式提高系統的安全性和可靠性。上位機下發的控制指令格式包括指令頭0xCD，控制字節0xXX、0xXX以及校驗字節。

第一節控制字節在于控制系統采樣頻率，文中系統共設置了4種常用采樣頻率，分別對應0x00、0x01、0x10和0x11。第二節控制字節的功能為控制系統的采樣周期，同樣設置了4種采樣周期，分別對應0xAA、0xAB、0xBA和0xBB。當上位機選擇完配置參數，則下發控制命令，下位機接收到控制命令后對指令進行奇偶校驗，校驗完成后返回控制成功與否的握手指令。

返回指令格式包括指令頭0xCF，成功或否指令0xEE、0xFF以及奇偶校驗位。上位機接收到握手指令后首先對指令進行奇偶校驗，校驗完成后根據指令做出下一步操作。例如：當選擇采樣信號頻率為1 000、采樣頻率為10 000、采樣周期為10時，上位機通過判斷參數下發控制指令0xCD+0x01+0xBA+校驗字節。下位機接收到指令后對其進行奇偶校驗，校驗完成后成功返回握手指令0xCF+0xEE+校驗字節，上位機接收到握手指令后等待下位機傳輸數據。

2.3 檢測軟件設計

2.3.1 檢測原理

根據待檢測信號的特點，即已知采樣信號的頻率，選擇數字相敏檢波算法對原始數據信號進行信號檢測。相敏檢波原理如圖3所示，其中s(n)為待檢測信號，cos(n)、sin(n)為基準信號s(n)的同頻正交信號，待檢測信號s(n)與基準信號cos(n)、sin(n)分別通過乘法器相乘，再通過低通濾波器，經濾波完成之后，進一步計算得出目標信號的幅度和相位。

圖3 相敏檢波原理圖

待測信號s(n)為目標信號x(n)與噪聲n0的疊加，表達式為:

式中：n0為噪聲干擾，V；f為待檢測信號頻率，Hz；fs為系統采樣頻率，Hz；N為系統采樣點。

同頻正交信號sin(n)和cos(n)為：

s(n)與其同頻正交信號sin(n)和cos(n)分別相乘有：

使兩路信號通過低通濾波后可得：

最后由公式

得出目標信號的幅值和頻率。

2.3.2 低通濾波器設計

由上述推導過程可以判斷出，一個最優化低通濾波器的設計直接關系到檢測算法的誤差大小。而數字平均式濾波是常用的一種低通濾波器，其原理如圖4所示。

圖4 低通濾波器框圖

式中：N為系統平均點數，TS為時間間隔。則該低通濾波器的沖激響應函數h(t)為：

對式（8）做傅里葉變換，得到低通濾波器的系統函數H(jω)為：

所對應的幅度頻率響應為：

把ω=2πf，Ts=1/fs代入上式，有：

要使低通濾波器的濾波特性最優，即使 |H(jf)|最小，則有：

此時 |H(jf)|=0。

通過上述推導過程得知，當采樣點數N、采樣頻率fs以及信號頻率f滿足式(12)的關系，即滿足整周期采樣條件時，能夠達到低通濾波器最優化的條件。

2.3.3 上位機程序設計

上位機軟件的作用在于控制下位機的采樣參數，以及對采樣數據的檢測處理保存。

上位機軟件流程如圖5所示。整體流程為先與下位機建立通信，再選擇采集信號頻率、采樣頻率以及采樣周期，選擇完成后下發控制指令，接著等待下位機返回握手指令，并且對返回指令做出判斷，判斷是否成功控制下位機的采樣參數，若控制成功，則等待下位機上傳采集數據；若失敗，則再次下發控制指令，直到控制成功。最后，將接收到的采集數據進行信號檢測，將檢測結果保存在文件中，方便下次查閱。

圖5 上位機軟件流程圖

3 實驗結果及分析

選用頻率為1 kHz和5 kHz的正弦信號對檢測系統進行仿真驗證。向信號中疊加輸入不同大小信噪比的隨機高斯白噪聲驗證其抗噪聲效果，這里信噪比定義為信號功率與噪聲功率之比。①固定采樣頻率為采樣信號頻率的10倍，采樣周期為10，改變信噪比的大小，檢測1 000次均值作為檢測值，得到表1相對誤差結果，這里相對誤差定義為絕對誤差與真值之比。從表1結果看，當信號中不含噪聲時（Null），幅度和相位誤差均小于10-8，則證明上述相敏檢波算法推導過程及實現算法正確。在采樣頻率和采樣周期數不變的情況下，當改變信噪比大小，幅度和相位誤差會隨著信噪比的減小而增大。②固定采樣周期為10且信噪比為0，變化采樣頻率，得到見結果表2。從表2可以看出，固定采樣周期數和信噪比大小，隨著采樣頻率的不斷增大，幅度和相位相對誤差不斷縮小。③固定采樣頻率為采樣信號頻率10倍，信噪比為0時，觀察不同采樣周期對信號檢測的結果，見表3。從表3結果可以看出，當信噪比和采樣頻率倍數不變的情況下，隨著采樣周期數變大，相位和幅度相對誤差不斷縮小。

表1 信噪比對檢測結果的影響 /%

表2 采樣頻率對檢測結果的影響 /%

表3 采樣周期數對檢測結果的影響 /%

4 結論

針對感應測井正弦信號，設計實現了一種正弦信號檢測系統，系統硬件基于STM32主控芯片，上位機軟件以數字相敏檢波算法為基礎，同時在頻域內分析數字平均式低通濾波器的頻譜特性，突出濾波器最優化響應條件，在約束條件下設計出了上位機檢測軟件。通過設計實驗驗證得知，該系統能夠在信噪比低至-5 dB的高噪聲背景下將幅度相對誤差控制在4.7%以內，相位相對誤差控制在7.7%以內。當采樣周期數和信噪比大小不變時，隨著采樣頻率的不斷增大，幅度和相位的相對誤差在不斷縮小。當采樣頻率增至20倍時，幅度和相位相對誤差控制在0.3%和0.06%以內?？刂菩旁氡群筒蓸宇l率倍數不變，增大采樣周期數，相位和幅度相對誤差不斷縮小。當采樣周期數增大至15個周期數時，幅度和相位相對誤差控制在0.001%和0.015%以內。可見所設計的正弦信號檢測系統在實際應用中可滿足大多數檢測需求。