STM32的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試中，對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和功耗提出了更高的要求。提出了一種基于STM32的嵌入式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了該系統(tǒng)關(guān)鍵部分的軟硬件設(shè)計(jì)，主要包括模擬信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和USB數(shù)據(jù)回讀。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、體積小、功耗低的特點(diǎn)，適合于惡劣環(huán)境下加速度信號(hào)的采集存儲(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù);信號(hào)調(diào)理;STM32;USB;LabView

引言

存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)是在特殊環(huán)境下記錄運(yùn)動(dòng)物體參數(shù)行之有效的方法，先將測(cè)試數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，待裝置回收后通過(guò)特定接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，還原數(shù)據(jù)信息。在諸多領(lǐng)域的測(cè)試中，對(duì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和功耗提出了更高的要求，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)的進(jìn)步使得高速度、低功耗的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)。

本系統(tǒng)選擇ST公司超低功耗的基于ARM Cortex—M3四核的處理器STM32F103C8T6作為核心控制元件，采取內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器與鐵電存儲(chǔ)器結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)壓阻式加速度傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，并利用LabView開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)上位機(jī)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的USB回讀及處理。

1 系統(tǒng)原理

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)由電源管理模塊、調(diào)理模塊、外部晶振、微控制器、存儲(chǔ)模塊、上位機(jī)模塊以及接口電路組成，如圖1所示。

系統(tǒng)采用單電池電源供電，電路內(nèi)部經(jīng)過(guò)多路電源管理單元的穩(wěn)壓處理后為系統(tǒng)各個(gè)模塊供電，實(shí)現(xiàn)多分支電源網(wǎng)絡(luò)管理，以保證系統(tǒng)良好的抗干擾性能。系統(tǒng)的控制核心為STM32F103C8T6，傳感器信號(hào)經(jīng)調(diào)理模塊進(jìn)入微控制器的12位μs級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器后，經(jīng)過(guò)處理和格式轉(zhuǎn)換后循環(huán)記錄在鐵電存儲(chǔ)器 FM25V10內(nèi)，一旦傳感器感受的加速度值達(dá)到設(shè)定閾值，則系統(tǒng)將被觸發(fā)，并會(huì)自動(dòng)持續(xù)記錄一段時(shí)間，裝置回收后則利用LabVieW上位機(jī)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的USB回讀及處理。

2 系統(tǒng)主要部分的硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理

由于傳感器測(cè)量的信號(hào)十分微弱，需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯蟆V波等修正后才能夠進(jìn)行一系列處理。信號(hào)調(diào)理電路是存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個(gè)部分，它在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)之前對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，其性能的優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)的性能與可靠性。信號(hào)調(diào)理電路主要由4部分串聯(lián)組成：隔離放大、交流耦合、電壓跟隨、低通濾波。

2.1.1 隔離放大

在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中，不合適的接地是造成測(cè)量問(wèn)題的普遍原因，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行電氣隔離以防止這些問(wèn)題的發(fā)生。隔離電路能夠打破接地環(huán)路，避免產(chǎn)生高幅值共模電壓。

本設(shè)計(jì)選用通用的、雙端口的變壓器耦合隔離放大器AD202作為主放大器件。作為一種符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的隔離放大器，AD202能夠提供一整套隔離功能，包括信號(hào)隔離和電源隔離，且封裝緊湊，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。

圖2為隔離放大電路原理圖，R1和R2的配比可實(shí)現(xiàn)衰減功能，R6可實(shí)現(xiàn)比例的精確調(diào)節(jié)，R3、R4和R5實(shí)現(xiàn)了調(diào)零功能。

2.1.2 交流耦合

為了消除加速度信號(hào)中直流分量的影響，實(shí)現(xiàn)交流耦合，利用電容的“隔直通交”的特性去除信號(hào)里的直流分量，而對(duì)純交流信號(hào)沒(méi)有影響。因此，本設(shè)計(jì)在隔離放大電路之后，加入了一級(jí)交流耦合。

2.1.3 電壓跟隨

傳感器信號(hào)在交流耦合之后，串聯(lián)一級(jí)電壓跟隨，可以起到緩沖、隔離的作用。電壓跟隨電路具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點(diǎn)，可以使后級(jí)放大電路工作更穩(wěn)定，如圖3所示。

2.1.4 低通濾波

由于測(cè)試環(huán)境中不可避免地存在著各種干擾和噪聲，如果傳感器信號(hào)線引入外界干擾，將造成進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)摻雜有一定的噪聲，嚴(yán)重的甚至?xí)绊憸y(cè)試的真實(shí)性。因此，需要使用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波，以保證信號(hào)的正確性、提高系統(tǒng)信噪比。

系統(tǒng)使用的二階壓控電壓源低通濾波電路因性能穩(wěn)定、增益易調(diào)節(jié)，已廣泛應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)中，此系統(tǒng)也采用此型濾波電路。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.2 微控制器接口

STM32F103處理器采用ST公司獨(dú)有的兩大節(jié)能技術(shù)(130 nm專(zhuān)用低泄漏電流制造工藝和優(yōu)化的節(jié)能架構(gòu))，使其成為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式系統(tǒng)的良好選擇。該設(shè)計(jì)利用其自帶的12位μs級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器、SPI通信接口和USB2.0全速接口，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和回讀分析。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵部分的軟件設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)延時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本系統(tǒng)選用1 Mb鐵電存儲(chǔ)器FM25V10(128K×8位)，每個(gè)加速度數(shù)據(jù)占用2個(gè)字節(jié)，可供存儲(chǔ)65536個(gè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)觸發(fā)前，存儲(chǔ)器保持循環(huán)記錄，存儲(chǔ)的內(nèi)容不斷被擦除改寫(xiě)。當(dāng)記錄數(shù)據(jù)達(dá)到觸發(fā)閾值時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)觸發(fā)，延時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)繼續(xù)記錄至延時(shí)計(jì)數(shù)器到時(shí)。觸發(fā)點(diǎn)前后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，計(jì)數(shù)結(jié)束后地址發(fā)生器停止工作，加速度信號(hào)得以存儲(chǔ)。記錄完畢后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待讀數(shù)和擦除。負(fù)延時(shí)功能可以將觸發(fā)前的一段信息有效保存，從而得到完整的加速度曲線，以保證數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 與上位機(jī)LabVieW的USB通信

系統(tǒng)利用STM32F103自帶的USB2.0全速接口及其固件驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)從存儲(chǔ)器向PC傳送數(shù)據(jù)和設(shè)置存儲(chǔ)參數(shù)的功能。STM32F10xxxUSB固件驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)是ST公司專(zhuān)為STM32F 10xxx系列ARM微控制器提供的固件驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，其主要用途是利用STM32F10xxx系列微控制器中的USB宏單元來(lái)簡(jiǎn)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

該部分軟件設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分：固件驅(qū)動(dòng)程序、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和主機(jī)應(yīng)用程序。

3.2.1 固件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

固件驅(qū)動(dòng)程序(又稱(chēng)單片機(jī)程序)是指固化到MCU模塊內(nèi)的軟件。固件程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要模塊包括：數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)通信模塊兩大部分。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、可讀性好、軟件改動(dòng)簡(jiǎn)單。

USB設(shè)備在上電之后需要首先完成系統(tǒng)時(shí)鐘配置及片內(nèi)外設(shè)的初始化操作。設(shè)備初始化完畢后，數(shù)據(jù)回讀命令的接收、解析及數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃胁僮骶谥袛喾?wù)程序中完成。定時(shí)器3為節(jié)拍發(fā)生器，其中斷用于定時(shí)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器采樣與轉(zhuǎn)換。DMA通道1產(chǎn)生中斷表明，可以將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)打包并通過(guò)USB發(fā)送。

USB中斷較為復(fù)雜，是固件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的核心部分，包括枚舉的整個(gè)過(guò)程，以及除枚舉以外所有與主機(jī)的命令、數(shù)據(jù)交互過(guò)程。控制命令主要包括采樣頻率的設(shè)定、負(fù)延時(shí)時(shí)間的設(shè)定、啟動(dòng)數(shù)據(jù)回讀等。USB設(shè)備總計(jì)使用了3個(gè)端點(diǎn)，分別為端點(diǎn)0、端點(diǎn)1和端點(diǎn)3。端點(diǎn)0為USB默認(rèn)的控制傳輸端點(diǎn)，供設(shè)備枚舉初始化時(shí)使用;端點(diǎn)1和端點(diǎn)3均為批量傳輸端點(diǎn)，端點(diǎn)1方向?yàn)檩斎耄脕?lái)接收PC的控制指令;端點(diǎn)3的方向?yàn)檩敵觯脕?lái)向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

系統(tǒng)固件程序流程如圖5所示。

3.2.2 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序介于USB硬件與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序之間，為它們之間的通信提供橋梁。USB驅(qū)動(dòng)程序使用DriverStudio 中的Driver-works2.7編寫(xiě)。Drivei—Works提供了3個(gè)函數(shù)類(lèi)即KUs-bLowerDevice、KUs—bInterface 和KUsbPipe類(lèi)，用于實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備操作。KUsbLowerDevice類(lèi)用于邏輯設(shè)備的編程，KUsbInterface類(lèi)用于接口的編程，KUsbP ipe類(lèi)用于管道的編程。

本設(shè)計(jì)使用Driverworks自帶的DriverWizard生成驅(qū)動(dòng)程序框架和Read、write函數(shù)，在DeviceControl函數(shù)中添加用戶定義的設(shè)備控制程序，完成用戶自定義的功能。驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)完畢后，會(huì)編譯生成后綴為“.inf”和“.sys'’兩個(gè)文件。.inf文件是系統(tǒng)用來(lái)查找適合硬件的驅(qū)動(dòng)程序的向?qū)募?dāng)Windows發(fā)現(xiàn)新的設(shè)備時(shí)(比如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)、在安裝熱插拔設(shè)備時(shí)或者從控制面板安裝新設(shè)備時(shí))，就調(diào)用 Windows的“添加新設(shè)備向?qū)?rdquo;執(zhí)行。這個(gè)向?qū)呙杷锌捎玫?inf文件，找到合適的驅(qū)動(dòng)程序。

3.2.3 主機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用服務(wù)程序直接面向用戶，是控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件的最上層，不僅提供與用戶交互的界面，而且能通過(guò)發(fā)送各種控制命令來(lái)控制存儲(chǔ)模塊的工作。在Windows 中，LabView實(shí)現(xiàn)與WDM的通信過(guò)程是：先用CreateFile函數(shù)打開(kāi)設(shè)備，然后用Devi—ceIOControl與WDM進(jìn)行通信，包括從 WDM中讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)給WDM，也可以用ReadFile從WDM中讀數(shù)據(jù)或用WriteFile寫(xiě)數(shù)據(jù)給WDM。當(dāng)應(yīng)用程序退出時(shí)，用 CloseHartdle關(guān)閉設(shè)備。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與驗(yàn)證

圖7是本測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形圖，該曲線所測(cè)的是某彈丸在火炮膛內(nèi)的加速度曲線。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，膛內(nèi)運(yùn)行時(shí)間、膛內(nèi)運(yùn)行距離、膛內(nèi)以及炮口擾動(dòng)過(guò)載均與實(shí)際相符。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證，本測(cè)試系統(tǒng)在誤差允許的范圍內(nèi)可以達(dá)到測(cè)量精度要求，從而驗(yàn)證了本測(cè)試系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

結(jié)語(yǔ)

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了提高實(shí)時(shí)性并降低功耗，需要設(shè)計(jì)者盡量精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ堋１疚脑O(shè)計(jì)的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，使STM32處理器的優(yōu)點(diǎn)得到了有效的發(fā)揮。對(duì)于本測(cè)試系統(tǒng)，可用環(huán)氧樹(shù)脂灌封材料將電路灌封在侵徹類(lèi)引信內(nèi)，從而獲取引信的侵徹全程加速度數(shù)據(jù)，對(duì)侵徹類(lèi)引信的研制具有重要意義。