STM32的瞬態(tài)運動(dòng)參數存儲測試系統設計

摘要：在瞬態(tài)運動(dòng)參數測試中，對存儲測試系統的實(shí)時(shí)性和功耗提出了更高的要求。提出了一種基于STM32的嵌入式存儲測試系統的設計方案，介紹了該系統關(guān)鍵部分的軟硬件設計，主要包括模擬信號調理、數據采集存儲和USB數據回讀。該系統具有實(shí)時(shí)性好、體積小、功耗低的特點(diǎn)，適合于惡劣環(huán)境下加速度信號的采集存儲。試驗結果表明，該系統工作穩定，實(shí)現了設計目標。

關(guān)鍵詞：存儲測試技術(shù);信號調理;STM32;USB;LabView

引言

存儲測試技術(shù)是在特殊環(huán)境下記錄運動(dòng)物體參數行之有效的方法，先將測試數據存入存儲器，待裝置回收后通過(guò)特定接口與上位機進(jìn)行通信，還原數據信息。在諸多領(lǐng)域的測試中，對數據采集存儲系統的實(shí)時(shí)性和功耗提出了更高的要求，隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)的進(jìn)步使得高速度、低功耗的存儲測試系統能夠實(shí)現。

本系統選擇ST公司超低功耗的基于A(yíng)RM Cortex—M3四核的處理器STM32F103C8T6作為核心控制元件，采取內部A/D轉換器與鐵電存儲器結合的方法，實(shí)現壓阻式加速度傳感器測試數據的采集、存儲，并利用LabView開(kāi)發(fā)平臺設計上位機應用軟件實(shí)現測試數據的USB回讀及處理。

1 系統原理

存儲測試系統由電源管理模塊、調理模塊、外部晶振、微控制器、存儲模塊、上位機模塊以及接口電路組成，如圖1所示。

系統采用單電池電源供電，電路內部經(jīng)過(guò)多路電源管理單元的穩壓處理后為系統各個(gè)模塊供電，實(shí)現多分支電源網(wǎng)絡(luò )管理，以保證系統良好的抗干擾性能。系統的控制核心為STM32F103C8T6，傳感器信號經(jīng)調理模塊進(jìn)入微控制器的12位μs級的A/D轉換器后，經(jīng)過(guò)處理和格式轉換后循環(huán)記錄在鐵電存儲器 FM25V10內，一旦傳感器感受的加速度值達到設定閾值，則系統將被觸發(fā)，并會(huì )自動(dòng)持續記錄一段時(shí)間，裝置回收后則利用LabVieW上位機應用軟件實(shí)現測試數據的USB回讀及處理。

2 系統主要部分的硬件設計

2.1 信號調理

由于傳感器測量的信號十分微弱，需要經(jīng)過(guò)適當的放大、濾波等修正后才能夠進(jìn)行一系列處理。信號調理電路是存儲測試系統中非常關(guān)鍵的一個(gè)部分，它在數據采集存儲之前對傳感器輸出信號進(jìn)行調理，其性能的優(yōu)劣直接決定了系統的性能與可靠性。信號調理電路主要由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

在存儲測試系統中，不合適的接地是造成測量問(wèn)題的普遍原因，必須對信號進(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。

本設計選用通用的、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)標準的隔離放大器，AD202能夠提供一整套隔離功能，包括信號隔離和電源隔離，且封裝緊湊，有利于實(shí)現產(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)現衰減功能，R6可實(shí)現比例的精確調節，R3、R4和R5實(shí)現了調零功能。

2.1.2 交流耦合

為了消除加速度信號中直流分量的影響，實(shí)現交流耦合，利用電容的“隔直通交”的特性去除信號里的直流分量，而對純交流信號沒(méi)有影響。因此，本設計在隔離放大電路之后，加入了一級交流耦合。

2.1.3 電壓跟隨

傳感器信號在交流耦合之后，串聯(lián)一級電壓跟隨，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)，可以使后級放大電路工作更穩定，如圖3所示。

2.1.4 低通濾波

由于測試環(huán)境中不可避免地存在著(zhù)各種干擾和噪聲，如果傳感器信號線(xiàn)引入外界干擾，將造成進(jìn)入測試系統的信號摻雜有一定的噪聲，嚴重的甚至會(huì )影響測試的真實(shí)性。因此，需要使用濾波器對信號進(jìn)行抗混疊濾波，以保證信號的正確性、提高系統信噪比。

系統使用的二階壓控電壓源低通濾波電路因性能穩定、增益易調節，已廣泛應用于測試系統中，此系統也采用此型濾波電路。電路設計如圖4所示。

2.2 微控制器接口

STM32F103處理器采用ST公司獨有的兩大節能技術(shù)(130 nm專(zhuān)用低泄漏電流制造工藝和優(yōu)化的節能架構)，使其成為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式系統的良好選擇。該設計利用其自帶的12位μs級的A/D轉換器、SPI通信接口和USB2.0全速接口，實(shí)現傳感器信號的采集、存儲和回讀分析。

3 系統關(guān)鍵部分的軟件設計

3.1 負延時(shí)數據存儲

本系統選用1 Mb鐵電存儲器FM25V10(128K×8位)，每個(gè)加速度數據占用2個(gè)字節，可供存儲65536個(gè)數據。系統觸發(fā)前，存儲器保持循環(huán)記錄，存儲的內容不斷被擦除改寫(xiě)。當記錄數據達到觸發(fā)閾值時(shí)，測試系統觸發(fā)，延時(shí)計數器開(kāi)始計數，數據繼續記錄至延時(shí)計數器到時(shí)。觸發(fā)點(diǎn)前后的數據長(cháng)度可根據設計要求確定，計數結束后地址發(fā)生器停止工作，加速度信號得以存儲。記錄完畢后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待讀數和擦除。負延時(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(xiàn)，以保證數據的完整性。

3.2 與上位機LabVieW的USB通信

系統利用STM32F103自帶的USB2.0全速接口及其固件驅動(dòng)程序，實(shí)現從存儲器向PC傳送數據和設置存儲參數的功能。STM32F10xxxUSB固件驅動(dòng)程序庫是ST公司專(zhuān)為STM32F 10xxx系列ARM微控制器提供的固件驅動(dòng)程序庫，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)化應用開(kāi)發(fā)。

該部分軟件設計包括3個(gè)部分：固件驅動(dòng)程序、USB設備驅動(dòng)程序和主機應用程序。

3.2.1 固件驅動(dòng)程序設計

固件驅動(dòng)程序(又稱(chēng)單片機程序)是指固化到MCU模塊內的軟件。固件程序采用模塊化設計，主要模塊包括：數據采集存儲模塊和數據通信模塊兩大部分。模塊化設計的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、可讀性好、軟件改動(dòng)簡(jiǎn)單。

USB設備在上電之后需要首先完成系統時(shí)鐘配置及片內外設的初始化操作。設備初始化完畢后，數據回讀命令的接收、解析及數據傳輸的所有操作均在中斷服務(wù)程序中完成。定時(shí)器3為節拍發(fā)生器，其中斷用于定時(shí)觸發(fā)A/D轉換器采樣與轉換。DMA通道1產(chǎn)生中斷表明，可以將存儲器中的數據打包并通過(guò)USB發(fā)送。

USB中斷較為復雜，是固件驅動(dòng)程序設計的核心部分，包括枚舉的整個(gè)過(guò)程，以及除枚舉以外所有與主機的命令、數據交互過(guò)程?？刂泼钪饕ú蓸宇l率的設定、負延時(shí)時(shí)間的設定、啟動(dòng)數據回讀等。USB設備總計使用了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默認的控制傳輸端點(diǎn)，供設備枚舉初始化時(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方向為輸入，用來(lái)接收PC的控制指令;端點(diǎn)3的方向為輸出，用來(lái)向PC機發(fā)送數據包。

系統固件程序流程如圖5所示。

3.2.2 USB設備驅動(dòng)程序設計

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

本設計使用Driverworks自帶的DriverWizard生成驅動(dòng)程序框架和Read、write函數，在DeviceControl函數中添加用戶(hù)定義的設備控制程序，完成用戶(hù)自定義的功能。驅動(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文件是系統用來(lái)查找適合硬件的驅動(dòng)程序的向導文件，當Windows發(fā)現新的設備時(shí)(比如系統啟動(dòng)時(shí)、在安裝熱插拔設備時(shí)或者從控制面板安裝新設備時(shí))，就調用 Windows的“添加新設備向導”執行。這個(gè)向導掃描所有可用的.inf文件，找到合適的驅動(dòng)程序。

3.2.3 主機應用程序設計

應用服務(wù)程序直接面向用戶(hù)，是控制數據存儲軟件的最上層，不僅提供與用戶(hù)交互的界面，而且能通過(guò)發(fā)送各種控制命令來(lái)控制存儲模塊的工作。在Windows 中，LabView實(shí)現與WDM的通信過(guò)程是：先用CreateFile函數打開(kāi)設備，然后用Devi—ceIOControl與WDM進(jìn)行通信，包括從 WDM中讀數據和寫(xiě)數據給WDM，也可以用ReadFile從WDM中讀數據或用WriteFile寫(xiě)數據給WDM。當應用程序退出時(shí)，用 CloseHartdle關(guān)閉設備。其軟件設計流程如圖6所示。

4 試驗數據與驗證

圖7是本測試系統所測得的試驗數據波形圖，該曲線(xiàn)所測的是某彈丸在火炮膛內的加速度曲線(xiàn)。經(jīng)過(guò)數據分析，膛內運行時(shí)間、膛內運行距離、膛內以及炮口擾動(dòng)過(guò)載均與實(shí)際相符。

經(jīng)過(guò)試驗論證，本測試系統在誤差允許的范圍內可以達到測量精度要求，從而驗證了本測試系統具有較強的應用性。

結語(yǔ)

存儲測試系統是軟硬件緊密結合的設備，為了提高實(shí)時(shí)性并降低功耗，需要設計者盡量精簡(jiǎn)系統內核，只保留和系統功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現最適當的功能。本文設計的存儲測試系統，使STM32處理器的優(yōu)點(diǎn)得到了有效的發(fā)揮。對于本測試系統，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，從而獲取引信的侵徹全程加速度數據，對侵徹類(lèi)引信的研制具有重要意義。