嵌入式空间辐射分析仪的设计与实现毕业设计论文.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文）学 院：电子与电气工程学院专 业： 电子信息工程 学 生： 指导教师： 完成日期 2014 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）嵌入式系统的空间辐射分析仪设计与实现Design and Implementation of the Space Radiation Analyzer based on Embedded System 总 计： 27 页 表 格： 5 个 插 图 ： 20 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）嵌入式系统的空间辐射分析仪设计与实现Design and Implementation of the Space Radiation Analyzer based on Embedded System学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology嵌入式系统的空间辐射分析仪设计与实现嵌入式系统的空间辐射分析仪设计与实现电子信息工程专业 摘要 本系统是一个简易的辐射测量系统，主要用来检测我们生活周边的各类空间辐射信号。主要由信号采集、放大处理、软件计算、彩屏显示几部分组成。通过传感器检测出电磁信号，经过采样等处理后，得出所需要的磁密度。由于磁信号是看不见摸不着的虚拟场，信号幅值较小，通过霍尔传感器及感应线圈测得的信号需要滤除杂波并加以放大。AD采集回来的是一个个数字量，需要校准并换算成合适单位后进行读数。系统使用TFT彩色显示屏作为人机交互，可以清晰地将各种数据实时显示出来，当超过正常阈值时也可以发出警告提示使用者。 关键词 辐射分析；嵌入式；滤波；电磁信号Design and Implementation of the Space Radiation Analyzer based on Embedded SystemElectronic And Information Engineering Specialty Abstract: This system is a simple radiation measurement system, focused on all kinds of space radiation signals that exist in our lives, is composed of signal acquisition, amplification processing, software calculation, color screen display and so on.We can detect the electromagnetic signals through the sensor, and then take sample of the signal ,by processing in or calculating with the formula, the magnetic density will be get of easily. Due to the magnetic signals are invisible scratching their virtual field, signal amplitude is small, we decide to filter out the clutter and to enlarge them after measured by hall sensor and induction coil . AD data acquisition circuit also export digital quantity, which need to be calibrated and converted to the appropriate format for reading. System use TFT color display as human-computer interaction, which can be clearly for the variety of data of real-time display. When the data is more than the normal threshold the user will be warned timely.Key words: Electromagnetic signals;Filtering; Embedded; Radiation analysis目 录1 引言11.1 电磁辐射的危害11.2电磁辐射分析仪的应用21.3 国内外研究现状和发展趋势31.4 论文组织结构安排32 系统总体设计42.1空间辐射信号产生的原理42.2空间电磁信号的采集设计42.3辐射分析仪的功能设计53空间辐射分析仪硬件的设计63.1辐射检测电路的设计63.1.1程控滤波器max262介绍63.1.2陷波器及放大电路的设计73.1.3 电路防干扰设计93.2最小核心系统的设计103.2.1最小核心系统结构组成103.2.2处理器的选型123.2.3电源模块的设计123.4人机交互界面设计134空间辐射分析仪的软件设计154.1 软件开发平台154.2底层驱动的编写164.2.1 AD模块的设计164.2.2 LCD的驱动设计174.3采样与滤波算法的设计184.3.1数字信号的采样184.3.2数字滤波算法设计184.3.3应用程序的设计195系统调试及结果分析205.1调试手段205.2硬件电路的调试215.3结果显示与分析22结束语24参考文献25附录26致谢27III1 引言近些年，随着信息技术的跨域式发展，越来越多的电子产品走进了我们的生活，在通信、电力、家居等各个方面极大的方便了我们，减轻了生活压力，提升了我们的生活质量。然而，这同时也带来了大量的辐射源，研究表明，无处不在的电磁辐射会对我们的身体构成潜在的威胁，我国颁布了电磁辐射防护规定（GB8702-88），电磁辐射环境影响评价方法与标准（HJ/T10.3-1996），环境电磁波卫生标准（GB9175-88）等一些列法规，对各类辐射源的强度进行了规定。其中，低频段连续8小时电场辐射低于10V/m或磁场辐射低于0.4ut都是属于安全范围的。由于电磁辐射是一种看不见和摸不着的存在，人们很难通过身体辨别它的存在。因此，研制出这个简易的能方便地测出电磁辐射的相对强度，且能对电磁辐射环境做出一个大致的评估的电磁辐射测量仪可以使我们更加清晰的了解我们生活的环境，保护自己和家人的健康。1.1 电磁辐射的危害自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度以上，都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。广义上的电磁辐射通常指的是电磁波频谱，而狭义的电磁辐射指的是电气设备所产生的辐射，通常是指红外线以下部分。电磁辐射可能对人体的伤害包括热效应、非热效应、和累积效应。热效应是指水分子受到电磁辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到其他器官的正常工作。非热效应指的是人体的组织都存在微弱的电磁场，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场可能遭到破坏，正常循环机能可能受到影响。累积效应是指热效应和非热效应作用与人体后，伤害程度发生累积，久而久之发生病变甚至危及生命。电磁辐射的危害:（1） 电磁辐射会影响人体的循环系统、免疫、生殖、和代谢功能。严重的会诱发癌症，并会急速人体的癌细胞增值。（2） 影响人们的心脑血管表现为心悸、失眠、心动过缓、心搏血量减少、窦性心律减少、白细胞减少、免疫功能下降等。（3） 对人们的视觉系统有不良影响由于眼睛属于人体对电磁辐射的敏感器官，过高的电磁辐射污染还会对视觉系统造成影响。主要表象为视力下降、白内障等。表1与表2分别列出了常用电器的电场辐射与磁场辐射排行： 表1 电场辐射排行排行 电场辐射强度排行 检测值(V/m)1 电吹风使用中 19952 加湿器使用中 19863 笔记本使用中 19234 智能手机充电时 19135 微波炉使用中 1596 表2 磁场辐射排行 排行磁场辐射排行 检测值(uT) 1微波炉运转 19.99 2电吹风使用中 19.95 3台式机显示器后面 19.5 4台式机主机 16.47 5智能手机通话 12.73 6智能手机来电 8.42 7笔记本运转 6.85 8智能手机耳机通话 3.4 9加湿器使用中 1.81 10台式机显示器前面 1.191.2 电磁辐射分析仪的应用近年来，随着社会的进步和经济的发展，越来越多的家用电器，通信设备等进入了我们的生活，在为我们带来方便的同时，也带来了许多辐射源，国务院先后出台了电磁辐射防护规定等一系列规定，把电磁辐射污染与大气污染等一起列为新的四大污染源1，这种看不见的杀手无时无刻不在威胁着我们的安全。他们有的以自身电场的方式产生辐射，有的在无线传输的过程中产生电磁辐射。因此，设计一个便携的辐射分析仪可以使我们方便的了解我们身边的污染情况。本课题主要涉及问题：通过所做课题,设计一个空间辐射分析仪(磁场辐射探头、信号放大及滤波电路、采样电路)，通过对空间电场的感应测得对应的磁场功率密度，经过处理器对采样得来的信号滤波、计算、分析、处理，计算出想要的到的信息，并显示给用户。1.3 国内外研究现状和发展趋势国外空间辐射检测仪设计已相当成熟。像美国、澳大利亚、德国等国在制定标准时采用了国际非电离协会(ICNIRP)的推荐标准。德国的安诺尼公司，美国的安捷伦公司，汉博公司等都有非常成熟的产品体系供我们选择。如德国安诺尼公司的手持式辐射探测器HF60150具有难以置信的高灵敏度-170dBm，并且允许信号源测量高达10GHz的频率，其性能足以媲美最专业的测试仪器。只是考虑已有明确研究结果的热效应，标准限值较宽松，将来仍然有进一步提高标准限值的可能。 国内虽然起步相对较晚，但这些年研究不断深入，相继出台了一系列国家标准。相继有一批企业投入研发相关产品，已有一批很成熟，实用性很好的产品投入市场，测量频带目前已经可以达到很宽的频带范围。但是核心产品受制于人，最关键的高灵敏度探头，基于新型技术的阵列探测，高性能芯片，高速低噪声的运放等主要依赖进口。例如采用采用的最新的电子技术设计制造出来的仪表级砷化镓Hall传感器制造的磁场智能探头GSP100，典型精度为读数的0.8%，磁场可检测频率范围从DC到20KHz，量程高达30KG(3T)，温度系数0.03%/。地球磁场传感器SPECTRAN HF-60105测量范围达到10GHz，它还可以精确测试具有高波峰因数的信号。它是测试线缆的衰减和和接收机的输出非常有效的手段。根据不同的频率，功率计测试的灵敏度达到约-50dBm，最大可测电平达到+10dBm，如果增加一个20dB 的衰减器，最大可测量电平可达+30dBm。而三维静态磁场传感器能提供大容量数据存储功能5，频谱仪的宽带峰值功率计功能，并可上传到电脑保存并分析。可以进行物探测量，测量地球磁场的异常，也可以将仪器变成一个磁强计，测试永磁铁的静态场强。由于传感器增加了3维各向同性的特点，测试可以同时在三个方向上进行，或者单独一个方向上进行，灵敏度是10nT-600T。1.4 论文组织结构安排论文围绕基于嵌入式技术的空间辐射分析仪展开论证。第1章已经从空间辐射分析仪的研究意义、国内外研究状况进行了阐述。第2章主要从电磁信号产生的原理、电磁辐射信号的采集及辐射分析仪的功能设计进行介绍。第3章从信号采集的硬件电路、处理器、人机交互等方面进行了设计。然后第4章从硬件底层驱动、软件滤波等进行设计。最后第5章从各个模块的调试及结果分析、波形的展示进行总结。整个组织结构图如图1所示。图1 组织结构图2 系统总体设计2.1 空间辐射信号产生的原理根据电磁场理论，由于场源电流变化产生的电磁能在空间或导体中传播，这就是电磁发射信号，在自由空间中的电磁发射为辐射发射。本文关注的问题是伴随正常信号的无意发射,例如微机视频辐射、通信线上信号的辐射发射、PCB板上的走线产生的辐射等，这些辐射统称为电磁辐射。在地球上各式各样的电磁波充满人类的生活空间，无线电广播、电视、移动通讯、无线电遥控、导航、高压送配电线等均向空中和地面辐射强大的电磁波能量。电子产品或设备在空间形成的许多电磁波不仅相互干扰，使它们的功能异常，而且当达到一定强度时，无形中会对人产生伤害。电磁波污染看不见、摸不着、闻不到，但却无处不有。人体时时处处处于一定能量电磁波辐射环境中，当其频率超过105HZ以上时就对人体有害12。2.2 空间电磁信号的采集设计空间中的电磁场可以用的常见的磁传感器例如霍尔传感器，磁敏电阻，磁敏二极管，电感，电子罗盘等。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。利用电感构成LC谐振电路，在具有电感L和电容C元件的交流电路中，通过计算L和的值，可以在特定的频率产生谐振，此时电路输出达到峰值。利用线圈结合电磁感应定律，同样可以测量磁场11。电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。其他的方法同样各有所长。可以说测量空间磁场的的方法有很多但是综合考量，霍尔传感器适合测量静态磁场，谐振电路只能测量固定的一个频率分量，结合本次设计的功能要求，我们用线圈检测交变磁场，用霍尔传感器辅助测量静态磁场。2.3 辐射分析仪的功能设计此次设计旨在为身边的辐射值提供一个参考量，作品要简洁、美观、易携带。使用的核心芯片STM32是个功能极其强大的芯片，既可以完成普通的信号采集和处理，又可以配合彩色显示屏实现丰富的界面显示。线圈将检测回来的信号传给采集卡，首先将信号进行放大，由于空间广泛存在的50Hz工频信号，这是个巨大的干扰源，它可以轻易的产生几十毫伏的噪声，这足以将检测的有用信号完全覆盖，所以我们在电路中加上了一个50Hz的陷波电路，以去掉这个干扰。然后利用程控滤波器MAX262分段进行带通滤波，将滤波后的幅值进行AD采样，进行比较后确定能量最大的频段，即辐射所在的频段。将处理后的信息显示在LCD彩色显示屏上。因此，整个嵌入式系统的智能辐射分析仪包含以下三个主要部分：（1） 信号采集电路：主要由前置放大电路、陷波器电路和程控滤波器电路组成，空间电磁信号采集过来后，经滤波、陷波、放大等处理后得到的信号由STM32芯片的AD采集获得5。（2） 信息处理电路：由STM32采集回的信号经过程序上的软件滤波去除掉杂波等无用信号，将采集回的模拟量进行数字信号处理获取有用的值，并将其与需要显示的单位量进行单位换算。（3） 人机交互：获取的数据在LCD彩色显示屏上显示出来，使用者可以获取当前的空间辐射信息。其中危险时发出警告信号提示使用者。本次设计的系统原理结构图如图2所示。 图2 系统原理结构图3 空间辐射分析仪硬件的设计本系统通过传感器检测到的信号，将其滤波、放大、处理后用STM32单片机进行AD采样。由于空间内各类噪声频带分布较宽，常用的各种探头难以单独完成，所以在这里我们分别使用霍尔传感器和线圈分别测量低频段和中频段的信号。 由于我们生活的空间里到处都在使用50Hz的工频信号，有他产生的50Hz的空间杂波幅值较大，这对我们检测的信号是个巨大的干扰，需要将其滤除。检测回的信号包含各个频率的分量，配置MAX262不同频率段的带通滤波器进行检波处理，依次检出各频段的频率分量。3.1 辐射检测电路的设计3.1.1 程控滤波器MAX262介绍MAX262是CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，由微处理器精确控制滤波函数。可构成各种带通、低通、高通、陷波和全通配置，且不需外部元件。应用：uP调谐滤波器，抗混叠滤波器，数字信号滤波器，自适应滤波器，信号分析等。特性：可得到滤波器设计软件，6位处理器接口，64步中心频率控制，独立的品质因数和中心频率编程，140kHz中心频率范围。图3为滤波器的框图。 图3 MAX262框图每片MAX262包括两个开关电容有源滤波器，使用了两个串联积分器和一个求和运算放大器。MAX262还有一个独立的放大器，片内开关和电容提供反馈以控制每个滤波器的和Q。内部开关电容的速率是影响这些参数精度的主要因素。尽管这些开关实际上为采样系统，但他们的特性与连续滤波器(如RC快速滤波器)的特性相媲美。时钟频率与滤波器中心频率之比保持较大值，以便保持理想的二阶状态变量响应。3.1.2 陷波器及放大电路的设计我国市电电网供应的是固定的50Hz正弦波，为了抑制和减少50Hz交流电噪声干扰，我们加入了陷波电路。由于此次设计探测的信号是微弱信号，虽然我们可以在设计运放的过程中选择低噪声前置放大和提高共模抑制比等多种方法，交流电噪声仍极易对我们的测量造成巨大的干扰，影响我们的结果，所以我们用了陷波电路用以滤除这个频率的杂波。双T网络带阻滤波器如图4所示。 图4 双T网络陷波器传统的双T网络带阻滤波器中，一个单T网络由两个电阻R和一个电容C组成低通滤波器；另一个单T网络由两个电容和一个电阻R组成高通滤波器2。假设双网络滤波器输入为Vi输出为Vo，公式(1)(2)为该网络的传输特性，用表示。 （1） （2）通过计算可得在处可得到Q值为1/4的陷波点，改进型的带阻滤波器当时可以较好地滤除处的频率，而对于其他频率，则能较好的通过。经过改进的双T网络陷波电路如图5所示。 图5 改进型的双T网络50Hz陷波器传递函数如下式(3)(4)(5)所示： (3) (4) (5)电路是带有正反馈的有源双T陷波电路，计算可得电路的反馈系数K1且十分接近于1，这可以显著改善电路的性能，滤波器的性能达到最佳。其中电路中的R5=R6=2R2，R3与R4的比值发生变化可以改变Q值的大小，影响电路的性能。双T网络的纵臂接到电压跟随器U1A的输出端。放大器U1A将U1B的部分输出信号反馈到双 T网络的纵臂形成自举，从而引入正反馈，Q值将随反馈量的增加而增加，使得陷波器的阻带变窄，Q值提高。MAX262使用的采样比范围较低，因此工作频率和信号贷款较高，对MAX262进行设计时，大致分为三个步骤：（1） 滤波器设计。确定滤波器的类型(巴特沃斯、切比雪夫等)和极点数，程序还要计算每个二阶滤波器的零、极点的和Q值。（2） 产生编程系数。从第一步的和Q值入手，使用程序产生对每个二阶滤波器的和Q进行编程的数字系数。N为设置滤波器部分关于和Q的二进制代码的十进制等值显示。同时，还要设置输入时钟频率和滤波器参数。Max262有四种方式可选。方式1是最方便的选择，椭圆和低通滤波器要求方式3，高通滤波器也选用方式3，全通滤波器采用方式4。（3） 加载滤波器。当每个二级滤波器的和Q确定后，滤波器就可被编程和工作。系数N以ASCII字符的形式加载到滤波器。配置好的MAX262是一个二阶带通滤波器，Q值为1，通带是1KHz10KHz，内部增益为1，是一个性能优异的滤波器。配合之前调试的陷波电路，可以完整的将数据采集回并进行放大，从而为我们所检测。 3.1.3 电路防干扰设计空间电磁环境微弱极易受到各种杂波的干扰，设计精度除了与选用器件的精度和电路设计的性能有关，很大程度上依赖于电路的抗干扰措施是否合适、到位。在实际应用中，除非电路本身就具有较强的抗干扰措施而忽视电路受到的外来信号的干扰，否则必需采取一定的抗扰措施来维护甚至提高系统的性能。绘制的检测电路的PCB电路如图6所示。在设计的过程中，收到的干扰噪声源可能来自耦合电容、寄生电容，也可能来自与各种接触到物体所带的静电。这就要求我们既要合理安排电阻电容的数值与位置，又要做好板上的屏蔽防干扰措施13。系统的增益增益最大可达到20dB，可采用下述方法减少干扰和噪声，避免自激：（1） 整板布局上，将前置放大，陷波电路和程控运放部分按功能分区域放置。将输入输出的接口留在板子的边缘部分。布局时优先考虑信号完整性，使信号部分走线清晰，无额外回路。 图6 检测电路PCB图（2） 地线隔离，尽量将有信号通过的部分与电源模块部分附近覆铜，这样可以最大限度的避免噪声信号形成回路。数字地与模拟地要分开，各级地线单独走线，二者之间单点连接，中间加电感隔离。（3） 输入级和增益控制部分要选择噪声低、性能优良的元器件，例如电阻一律采用金属电阻，避免内部噪声过大；电容采用高精度电容，容值不随温度的改变而改变。（4） 级间耦合在有条件的情况下最好采用直接耦合，如需电容耦合，必须采用钽电容与高频瓷片电容并联进行耦合，避免高频增益下降。 （5） 布线完毕后，进行信号完整性仿真检测，通过调整元件布局与走线避免过冲与回流的现象发生。3.2 最小核心系统的设计本系统设计主要从以下几个方面来考虑：（1） 处理器的处理效率：在本设计中，处理器不仅要进行滤波处理，同时还要实时显示辐射数据，将采集数据显示在LCD显示屏上，因此，合理安排外设模块的功能与引脚分配可以使处理器要有较高的处理效率。（2） 尽可能简化外围电路的复杂程度：一个系统中所使用的元器件越多、电路结构越复杂，则系统的出问题的概率越大，可靠性与稳定性越差。因此在选择MCU的时候，希望MCU内部集成功能单元越精简越好，这样就能简化系统设计，增加系统的可靠性及稳定性4。（3） 尽可能减少生产成本：在本系统中，由于多数属于家庭使用，对于普及性的大众化产品，希望替换成本越低越好，其中处理器的成本占了整个系统的重要的一部分，能够降低处理器的成本也就从而降低了产品的总成本。3.2.1 最小核心系统结构组成 最下核心系统系统由若干子模块构成，构成一个完整的最小系统，原理图如下图7所示。（1） 电源和通讯模块：单片机系统的工作离不开电源，电源不稳定会造成整个单片机系统运行不稳定，因此电源电路的设计关乎整个单片机系统的可靠性运行。本系统采用电池供电，其输出电压稳定，杂波较小。电池电量不但能够供电还能实现通讯，一条普通的USB数据线就可连接于PC机和单片机系统之间，USB线只是实现了连接并没有真正的实现PC机和单片机的通讯，还需要进一步的信号转换，需要把USB中的信号经过USB转串口电路把信号送给单片机，实现了PC机和单片机的成功对接。（2） 复位电路：复位电路使单片机本身的硬件初始化操作，单片机在上电开机时都需要复位。以便CPU以及其他内部功能部件都处于一个确定的初始状态并从这个初始状态开始工作。除了系统上电的正常复位初始化外，也可通过外部复位引脚进行人工复位。利用RC电路的延时特性，设计了简单的复位电路，有此可简单计算出延时时间，这里用一个10 k电阻和1.0 F的电容，时间延时大约为3.6ms，符合STM32系统芯片的复位要求。（3） LCD彩色液晶显示模块：主要用来将采集的数据呈现给用户，便于我们实时掌握空间的辐射状态。使用彩屏显示，色彩丰富，内容清晰，其中自带触摸功能，使用SPI接口，即可获得良好的操作体验。（4） 接口模块：本系统设计了两个接口，一个是串行接口，一个是JTAG接口。串行接口主要用来与电脑连接测试状态，JTAG接口模块用来对具有JTAG接口的STM32单片机进行程序的烧写，配合J-link仿真器还可以进行硬件仿真 ，这大大提高了我们开发的效率。 图7 STM32最小系统原理图（5） 晶振电路：这里选用两个晶振，首先8M无源晶振，晶振两端分别通过22pF的电容接地，另一个32.768K的晶振使用的15pF的电容接地电路简单，并能很容易的就能使晶振起振。（6） 电源部分：模块有4个数字电源供电引脚，1个模拟电源供电引脚以及相应的接地引脚。需要我们设计一个输入5V，输出3.3V的供电电路，产生的信号给单片机及一些模块供电。在电源端要注意接滤波电容，电源和地之间加若干去耦电容。 3.2.2 处理器的选型处理器相当于人体的大脑机制，整个系统在处理器合理指挥调度下才能完成我们赋予他们的任务，所以一款合适的处理器对于整个系统来说是非常重要的。STM32微控制器有如下优点： （1） STM32内部有高达128K字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。多达20K字节的内置 SRAM。这大大节约了系统成本，提高了系统可靠性及稳定性13.（2） STM32增强型系列拥有内置的ARM核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容。由于可用于ARM开发的工具软件很多，大大加快了项目开发的速度和效率。（3） STM32的内部FLASH是在线可编程的。这一功能使得可以在不用接JTAG烧写器的情况下根据USART接口接收到的数据来修改FLASH中的配置参数，在设备再次启动时，就会读取新参数来进行初始化。（） STM32F103xx增强型支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。综合以上几个方面，最终选用了意法半导体公司推出的新型32位ARM内核处理器芯片STM32系列中的STM32F103ZET6。它的工作频率为最高可达72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的FLASH和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O 端口和连接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。3.2.3 电源模块的设计电源电路是整个系统中十分重要的一环，随着便携式产品的普及，如何降低功耗成为工程师面临的急需解决的问题。如果电源不稳定可能造成系统不能正常工作，严重的甚至烧坏芯片引发事故，因此电源管理越发显得重要。 电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。要认真的分析它的电源需求。我们不仅仅是关心输入电压、输出电压和电流，还要仔细考虑总的功耗、电源实现的效率、电源部分对负载变化的瞬态响应能力、关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许电源纹波，还有散热问题等等。功耗和效率是密切相关的，效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对降低整个系统的功率预算就非常有利了（对比LDO和开关电源，开关电源的效率要高一些）。值得注意的是，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平。 5V的电压采用AMS1117产生，其最大的特点是简单易用，而且性价比高，输入电压5V12V，直接输出3.3V，而运放所需的负压电源则用LM2660设计。电路如图13所示。LM2660是一款大电压的电荷泵是负压产生芯片，他它可以最大输出电压达到1A，具有低噪声，高稳定性的特征，可以较好的胜任整个电路的能量供应。 图8 AMS1117稳压电路 图9 LM2660负压电路3.4 人机交互界面设计在操作时，我们需要对各种数据实时监控以获得各种状态，将这些数据有效地显示出来靠的就是人机交互界面。人机交互界面是指人与计算机系统之间的通信媒体或手段，是人与计算机之间进行各种符号和动作的双向信息交换的平台。设计空间辐射分析仪，那么在LCD的选择上，就要符合实际的需要，必须要考虑功耗和成本。现在显示技术的飞速发展，为我们提供了多种选择。各种彩色显示屏，不仅可以清晰地显示各种信息，而且可以将彩色的图片显示出来。这既能获得良好的阅读体验，又可以缓解了我们的视觉疲劳。因此把LCD的选择定位在了彩色液晶上。主要从以下几个方面做出选择： （1） 颜色：从美观角度来讲，在液晶上不同类型的数据最好能够以不同的颜色来区分：比如波形、汉字、数字最好颜色不同。所以在液晶的颜色上要达到一定的数量。 （2） 尺寸：便携式式是本系统设计时的一个指标，因此液晶的尺寸不易过大，但也要便于观察，选择时要符合实际情况，过大则不便于随身携带，过小则可能出现汉字或数字不便于观察等问题。（3） 功耗：对于便携式嵌入式设备来说，低功耗是一般都作为一项重要的指标，在外边使用时能够尽可能地延长电池的工作时间。（4） 材质：液晶主要有两类，STN型和TFT型，后者较之前者显示效果更佳，但耗电能方面也高于前者。（5） 价格：正如上面所提到的，性价比高是本系统设计的一个目标，因此要可能的用符合设计要求价格低廉的产品。因此，根据上述几点本设计选用了2.4寸真彩TFT液晶触摸屏ILI9325，320*240像素，26万色，16位并行接口，可以直接用AVR、ARM7、STM32等MCU驱动。相关参数： （1） 分辨率：QVGA 240 x 320 （2） 尺寸：2.4英寸（3） 控制器：IL9325 （4） 触摸屏：4线电阻式 （5） 接脚：40PIN间距2.54mm （6） 背光：4 LED并联LCD显示界面接口如图10所示图10 LCD模块原理图这部分主要介绍了空间辐射分析仪的硬件部分的详细设计与分析。主要包括以下子模块：信号采集模块、LCD显示模块、电源电路、复位电路、时钟电路、接口电路。先后对STM32最小系统整体及各个构成的子模块分别做了详细具体的阐述，并对电路设计的重点和关键点予以说明。在信号采集电路等主要部分都配有图片并对它们的原理进行了详细的分析，对元件的功能也一一进行了分析。STM32芯片作为整个系统的核心，在设计电路时做到了由原理分析，方案比较，电路仿真，到最终决策都严格按照要求，并最终实现较为理想的效果。4 空间辐射分析仪的软件设计4.1 软件开发平台Keil是德国Keil公司（现已并入ARM 公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发的主流工具。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。uVision当前最高版本是uVision5,它的界面和常用的微软VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能5。开发环境界面如图11所示。 图11 keil开发环境界面uVision4 IDE是一款集编辑，编译和项目管理于一身的基于窗口的软件开发环境。uVision4集成了C语言编译器，宏编译，链接/定位，以及HEX文件产生器。如图11所示，是它的一个典型的调试窗口，它主要包括以下几个窗口：l 工程区：用于访问文件组和文件，调试是可以查看CPU寄存器。l 输出窗口：显示编译结果，以便快速查找错误的地方，同时还是调试命令输入输出窗口，也可以用于显示查找结果。l 程序窗口：将程序写在这里，用编译器对其编译修改，生成所需要的HEX文件，同时也可以在这里惊醒仿真调试。使用Keil来开发嵌入式软件，开发周期和其他的平台软件开发周期是差不多的，大致有以下几个步骤：（1） 创建一个工程，选择一块目标芯片，并且做一些必要的配置。（2） 编写C或者汇编源文件。（3） 编译应用程序。（4） 修改源程序中的错误。（5） 联机调试。4.2 底层驱动的编写在程序运行过程中，系统涉及到了以下几个模块：AD模块、TIM定时器模块、彩色触摸显示屏LCD。4.2.1 AD模块的设计12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。ADC程序流程图如图12所示。主要特点： 图12 ADC程序流程图 单次和连续转换模式 从通道0到通道n的自动扫描模式 带内嵌数据一致的数据对齐 通道之间采样间隔可编程 规则转换和注入转换均有外部触发选项 ADC1初始化步骤如下：（1） 端口与时钟配置，慢速一般为50Hz，设置工作模式。（2） DMA模式及端口配置。（3） 工作方式设置为ADC1的独立工作方式。（4） 扫描方式设置为单通道方式。（5） 启动方式设置为软件启动。（6） 数据方式设置为右对齐。（7） 设置规则转换的ADC通道数目为6个。4.2.2 LCD的驱动设计在本系统中采用彩色TFT液晶，波形显示清晰，界面良好。彩色TFT液晶的控制繁杂，功能强大，难点在于编写底层驱动程序，我们只需配置读写及控制信号的时序，将驱动程序中需要配置的函数封装好，用指定指针就可以实现对液晶的读写访问。这样处理不但简化了对液晶的操作，只需指定读写数据的指针就可完成操作，而且提高了访问速度，避免了用端口模拟时序访问液晶产生的滞后现象。并且STM32自带FSMC方式控制TFT-LCD的实例，只需做一些相应的修改就可应用到本系统中。图13所示即为LCD显示流程图。 图13 LCD显示流程图首先，初始化LCD的寄存器，包括FSMC、定时器、时钟设置等部分，然后写入需要显示的内容。读标志位判断是否写入完毕，如果显示完成，则定时刷新即可。STM32的FSMC模块是能够与同步或异步的存储器和16位的PC存储器卡的接口，它的主要作用是： （1） 将AHB传输信号转换到适当的外部设备协议。（2） 满足访问外部设备的时序要求。（3） 每一个存储器块都有独立的片选控制。（4） 具有16个字，每个字32位宽的写入FIFO，允许在写入较慢存储器时释放AHB进行其它操作。在开始一次新的FSMC操作前，FIFO要先被清空。（5） 将32位的AHB访问请求，转换到连续的16位或8位的，对外部16位或8位器件的访问。 4.3 采样与滤波算法的设计4.3.1 数字信号的采样空间辐射信号的精确采集对于后面的进一步处理至关重要。STM32的片内ADC是12位的模数转换器，可以在16路模拟输入中任选一路进行采样，其最高采样率为1MHz，本次采集的信号的频率较低约为1kHz50KHz，片内ADC足以满足系统采样定理的要求，这样可以提高采样的稳定性和降低系统成本。为保证采样的准确性，降低干扰对结果的影响，我们打开6路AD分别读取霍尔传感器与线圈采样回的信号，AD数据采集流程框图如14所示。 图14 AD数据采集流程图 转换后的数据存放在ADC_ConvertedValul这个数组里，由于使用了DMA模块，我们可以实时进行AD数据采集而不会影响其他的子程序进程，这大大提高了我们的运行效率。4.3.2 数字滤波算法设计数字滤波就是通过一定的算法，对信号进行处理，将某个频段的信号进行滤除，得到新的信号。由于AD采样的数据刷新频率很快。采集回的空间电磁信号经过硬件电路滤波之后，工频干扰大幅度除去，主要杂波为电路噪声。常见的滤波方法有中间值法、最小二乘法拟合、平均值法、卡尔曼滤波法等。这些都可以快速有效地滤除掉无用信号，有的甚至可以对未来结果进行预估6。本次我们用最简单的多次采样求平均值结合中间值法的方式进行软件滤波。表3是软件滤波数据表，展示了数据经过两次滤波后发生的变化。在进行计算时，我们每组取6个数据，首先经过中值滤波去掉最大值与最小值，然后进行平均值滤波，将之前值取平均值。中值滤波的优点是可以去掉可能存在的跳变信号，这些跳变信号数值变化大，计算中影响很大。平均值滤波的特点是将数次的采样中和，使数值实现平稳过渡。可以看出，虽然当中存在两个严重偏离的噪声信号，但经过处理的结果接近正常值，成功实现了软件滤波的功能。 表3 软件滤波数据表 AD值 中值滤波 平均值滤波 1 21132056 2316 2 2056 3 1575 4 23492576 5 2576 6 38974.3.3 应用程序的设计在完成对空间电磁信号的采集、滤波、计算、传输以及人机界面设计之后。应用程序的设计是用户最关心的问题。如图15所示为本系统的软件流程图。 图15 软件功能流程图 5 系统调试及结果分析经过软硬件的设计和制作，完成了基本的构架，但是还需经一步的调试和分析才能更加完善系统。5.1 调试手段为检验各模块是否按要求进行正常工作，借助万用表、函数信号发生器、J-Link、示波器来以及各类软件进行调试，通过测试结果完成对各个模块完成功能的评估，对整体练调是一种很好的促进手段。调试界面如图16所示。 图16 调试界面 各种工具的特点如下：（1） 数字万用表：可用来测量直流和交流电压、电流、电阻、电容、二极管、三极管、温度、频率、电路通断等。测试精度三位半。可以帮助我们进行初期硬件的调试。（2） KEIL软件：进行程序的编写与调试，将各底层驱动与功能语句在软件中编写。同时还可以生成各种所需要的HEX可执行文件。（3） J-Link进行在线调试：当硬件电路正常工作后，我们使用J-Link进行在线调试，J-Link是调试ARM嵌入式系统的常用工具。在每一部分程序调试通过后，对所有子程序进行整合编写出完的主程序。在开发环境中完成程序编译之后，通过J-Link工具把程序代码下载到STM32处理器中，然后来进行程序的调试。（4） 串口调试助手：串口调试工具是通过串行通信接口与主控芯片的进行信息交互，其输出波特率与数据帧的格式都可以进行设置，具有使用灵活、操作简便的特点。这些调试工具入门简单、不仅可以全面的了解的硬件电路的各项性能指标，也可以观察微处理器中各个寄存器的值和状态，为我们调试提供了诸多方便。 5.2 硬件电路的调试调试过程中需要对该电路的每一模块逐步进行调试，使其完成各自的目标指数后方可整体联立进行综合调试。硬件实物图如图17所示。 图17 硬件电路实物图采集电路主要是完成对空间电磁信号的正确提取，主要调试50Hz陷波电路测试以及运放放大。滤波前后的波形分别如图18(a)(b)所示。 图18(a) 输入50Hz信号 图18(b) 滤波后的信号在测试阶段，在输入端用信号发生器加上特定频率的信号，调节其频率使输出频率为50Hz，调节滑动变阻器，观察输出电压幅度的变化，当输出波形幅值最小最佳。5.3 结果显示与分析实测常用电器附近辐射值如表4所示。 表4 常用电器附近信号幅值 处理前 处理后 电源变压器 150mv 100mv 电脑 40mv 10mv 音响 55mv 30mv电路的放大倍数调试结果如表6所示，结果电路的放大倍数为270倍，完成了最初的设计要求。 表5 运算放大电路调试结果放大前幅值放大后幅值放大倍数102.7270实验测试过程中严格遵守测试规划，认真操作，准确记录下各项数据，