一种实时收发超声波检测嵌入式软件

软件详细设计报告 Error! No text of specified style in document. 孝感定原电子科技有限公司文 档 编 号产品版本密级产品名称：一种实时收发超声波检测软件共 页软件设计说明书目 录摘 要31详细设计31 .1软件简述31 .2软件功能描述31 .3频率脉宽测量流程处理61 .4频率脉宽测量流程处理81 .5SD卡的存储通讯处理101 .6PWM脉冲发射控制112编程协定132 .1操作系统132 .2调试工具132 .3编译链接工具13摘 要在高频的超声波数据采集及频率分析的应用中，通常会采用实收实发的系统来模拟收到信号，目前最经常采用的模式是使用下位机高速连续采样，上位机进行数据分析的模式，然后在将检测的信号通过DA发送出去。这种模式可以完成M级甚至于级的数据连续采样，目前已经在高速的工业信号采集中得到了广泛的应用。提出基于STM32的实收实发系统，集成了ARM公司的浮点DSP指令集，可以对数据进行信号滤波以及FFT运算，计算能力超过TI的200M主频的DSP；由于采用了片上系统设计，因此片内集成了大量的外设，具有较强的控制通信能力，很适合在工业控制信号处理中使用。整个系统基于STM32的低功耗设计，且系统体积较小，整个系统可以在不依赖主机的情况下进行独立工作，具有较好的应用前景。该软件属于智能检测软件主要用于电源设备的内部监控控制，能够保障大功率电源机柜的正常运转。软件工作中能够对过流、过压、过温进行相应的补偿操作，状态数据可以存储在EEPROM中，方便对问题的追溯。关键词数据采集 频率分析 1 详细设计1 .1 软件简述本软件设计的目的是实现快速鉴频，测量脉冲宽度等功能；并且在检测结束后延时发射单频脉冲信号，并模拟信号拖尾的情况。同时还带有UART通信接口，采用DMA方式工作，用于与上位机的数据通信。数据采样的结果通过SDIO接口存入SDHC卡中。经过实际测试，系统的稳定可靠，频率计算精准，PWM频率精度高，本系统具有较好的应用价值。1 .2 软件功能描述1 .2.1 软件功能介绍本软件提出基于STM32的超声波实收实发系统主要由3部分构成：1）多路信号调理输入；2）多路轮询切换；3）主控模块；4）模拟比较器5）数模转换6）LED状态指示通过微控制器作为主控单元，对信号进行快速鉴频，对测量脉冲宽度等信号进行数据存储，硬件总体设计如图1所示。1 .2.2 软件基本框架信号调理部分采用了模拟比较器输入的结构，下图是本软件的基本框架图和主程序流程图。图一 基本框架图信号通过高速运放搭建的模拟比较器，比较器的比较电压通过STM32F417的数模转换器提供，用于初始化进行噪声采集，门限自适应，这样可以滤除存在于信道中的噪声。若开机检测到串口发送指令，则程序切换到USART串口收发模式，可以进行参数设定和数据的导出操作。信号经过了模拟比较器后得到了一个标准的方波信号，方波信号进入到多路轮询模块中进行通道切换。图二 主程序流程图1 .3 模数转换处理模块首先利用STM32F417片内的ADC对外部噪声进行采集，由于需要判断的信号频率在100300H，因此采样率需要设定为300H的2倍以上。单个ADC控制器工作的最高频率为36MH，并且一个采样周期最短为15个工作周期，因此最大的采样率为24MH。不过对于更为高速的信号，STM32F417可以将3路ADC并联使用，形成交错采样，因此STM32F417最高的采样率为72MH。1 .3.1 程序流程图1 .3.2 设备侧实现为了保证采样的精度，因此采用了2路ADC并联使用，使得采样率达到48MH，保证了在500H的噪声频带上也能有10倍的采样率。将噪声采集后使用DMA传输8192个点的噪声信号，计算噪声的幅度，并根据噪声的最大值与均方根值确定比较器的电压幅度门限，然后通过DAC发出门限电压信号给比较器，形成电压门限。承载了单频脉冲的待测信号经过了模拟比较器后变成了1个方波信号，方波信号进入了微控制器芯片检测端，该信号会触发中断，从而开始记录信号的脉冲次数以及信号的脉冲长度，通过脉冲长度与脉冲次数的商值可以得到信号的频率、脉宽。当信号的2次脉冲的间隔小于预设区间或者大于预设区间时，就会被判定为无效脉冲或者是噪声脉冲，由此减小信号的虚警概率。1 .4 频率脉宽测量模块经过频率计算后，通过定时器进行物理延时，模拟信号传播的时间，在延时后，启动PWM定时器，将测量的频率值输入至PWM定时器中。同时再启动一个定时器，作为控制PWM信号脉冲宽度的定时器。控制脉冲宽度的定时器控制发射的时间需要比检测到的脉冲长度长20，以模拟接收到的高频声信号的拖尾现象。1 .4.1 程序流程图1 .4.2 设备侧实现软件上电初始化自检开始，先进行微处理器外设初始化，包括片内外设串口，定时器，CAN 接口，IO口等。把芯片默认的引脚跟内部的外设资源连接起来，即定义引脚的功能模式。然后读取温度传感器的信号，内部电压信号，电流信号等。最后进入while循环程序之前，对程序里面定义的全局变量进行上电初始化赋值。若出现异常，系统自动恢复出厂设置，进行系统报警，并将数据记录到EEPROM中。1 .5 SD卡的存储通讯处理通过微控制器的SDIO的接口进行通信，通过CMD命令进行SDHC卡封控制，实现数据的存储，具体初始化与工作的流程如下图。1 .5.1 程序流程图1 .5.2 设备侧实现STM32F417有一个SDIO的接口，可以实现4线SD卡存储或者是其他符合SDIO协议的设备工作，例如SDIOWIFI设备等。这里采用了基于20标准的SDHC卡，这种类型的卡出了容量远远大于第1代标准的卡以外，在初始化的程序上也有所不同，加入了CMD8命令可以确保工作电压的稳定运行。 1 .6 PWM脉冲发射控制 首先利用STM32F407片内的ADC对外部噪声进行采集，由于需要判断的信号频率在300500H，因此采样率需要设定为500H的2倍以上。STM32F407的单个ADC控制器工作的最高频率为36MH，并且一个采样周期最短为15个工作周期，因此最大的采样率为24MH。不过对于更为高速的信号，STM32F407可以将3路ADC并联使用，形成交错采样，因此STM32F407最高的采样率为72MH。1 .6.1 子程序流程图 1 .6.2 设备侧实现经过频率计算后，通过定时器进行物理延时，模拟信号传播的时间，在延时后，启动PWM定时器，将测量的频率值输入至PWM定时器中。同时再启动一个定时器，作为控制PWM信号脉冲宽度的定时器。控制脉冲宽度的定时器控制