STM32的实收实发超声波

2万 · 2018-11-1 13:06

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
式是使用卜位机高速连续采样，上位机进行数据分析的模式，然后在将检测的信号通过D/A发送出去。然而这些在工业领域
中采用的现场高速频率实收实发系统的设备都存在着设备体积大，需要上位机进行软件处理，但是设备的组件较多，而且无
法脱机运行，对于需要连续采集实时输出的系统且对功耗处理时间有较高要求的汽车倒车需达信号检测应用场合就无法较
好的满足应用需求了。提出基于S"I}M32的实收实发系统，主控芯片采用目前最新的STM32F}07芯片，属于低功耗高性能片
上系统，最高主频可以到168 MHz,采用ARM的精简指令集，并且集成了ARM公司的浮点DSP指令集，可以对数据进行信
号滤波以及FF'I}运算;采用了片上系统设计，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S"I}M32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卜进行独立工作，具有较
好的应用前景。

2万 · 2018-11-1 13:08

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，口前最经常采用
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niA发送出去。这种
模式可以完成M级甚至于G级的数据连续采样，口前已
经在高速的工业信号采集中得到了广泛的应用万”es。
然而口前在工业领域中采用的现场高速频率实收实
发系统的设备都存在着设备体积大，需要上位机进行软件
处理，虽然软件功能强大，但是设备的组件较多，而且无法
脱机运行，对于需要连续采集信号的超声实时检测输出的
系统来说是不允许大体积的设备的，尤其是对汽车的倒车
雷达的检测更是需要低功耗小体积的设备了几。
提出基于STM32的实收实发系统，主控芯片采用口
前最新的STM32F407芯片，属于ARM公司推出的最新
一代低功耗高性能片上系统，内核为(ortexM4，最高主频
可以到168 MHz，内部采用ARM的精简指令集，单周期
指令，并且集成了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，训一算能力超过TI的
200 M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
J隋况下进行独立工作，具有较好的应用前景二”es。

2万 · 2018-11-1 13:10

系统的组成：
系统的核心处理器采用了基于(ortexM4内核的
STM32F407芯片，最高稳定工作主频为168 MHz，内核功
耗仅为128 }A/MHz，采用ARM的32 bit精简指令集，单
周期指令，并且集成了ARM公司的浮点DSP指令集，拥有
乘累加器与除法器，可以对数据进行信号滤波以及FFT运
算，训一算能力较强，并且可以采用开源的arrrrgcc编译器进
行编译，软件设计较为灵活，同时意法半导体已经将芯片的
内核及外设都编写了驱动库，更加简化了应用的难度。
芯片采用片上系统的设计，拥有1 Mbyte Flash,
192 kbyte SRAM，并且可以扩展外部FLASH与SRAM;
芯片的外设非常丰富:包括16个定时器、3个12位的
ADC',2个DAC'、一个数宇随机发生器、3个L} }.接口、3个
SPI接口、2个I= S接口、6个DART接口、2个USB,2个
C'AN总线,1个SDI()接口以及1个以太网接口。

2万 · 2018-11-1 13:11

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300-}-500 kHz，因此采
样率需要设定为500 kHz的2倍以上。
STM32F407的单个ADC'控制器工作的最高频率为
36 MHz，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2. 4 MHz。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7. 2 MHzo

2万 · 2018-11-1 13:11

为了保证采样的精度，因此采用了2路Arx并联使用，
使得采样率达到4. 8 MHz，保证了在500 kHz的噪声频带上
也能有10倍的采样率。噪声采集设计原理如图3所示。
将噪声采集后使用DMA传输8 192个点的噪声信
号，训一算噪声的幅度，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STM32F407芯片的
PA。脚，在PA。脚中会产生一个上升沿的脉冲信号，该上
升沿会触发中断，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。

2万 · 2018-11-1 13:11

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
2000，以模拟接收到的高频声信号的拖尾现象。

2万 · 2018-11-1 13:12

整体软件的架构由信号判断处理模块、延时工作模
块、通信模块等4个部分组成，信号判断处理软件模块用
于噪声门限、信号频率判断的程序。
延时工作模块主要是在系统启动后，在系统启动一段
时间后，系统再进入噪声采集阶段，在噪声采集判断结束
后继续进入延时程序，延时结束后进行信号检测，如果信
号在持续一段时间内没有出现，将再次进行噪声门限检测
与判定，直到检测到通过门限的信号出现。
通信部分主要采用了DART接口进行通信。
STM32F407拥有6个DART, 6路可以同时工作，可以利
用中断接收数据，也可以采用DMA传输的方法收发数
据。本系统采用了DMA方式传输，节省了大量的运算
资源。

2万 · 2018-11-1 13:13

从STM32F407发出的DART输出的信号主要有3
个命令:第1种命令是用于发送测出采样率的命令，起始
有2个宇节的识别码，为OXAFOI，后而的8个宇节数据为
采样频率的结果;第2种命令为脉冲宽度测量命令宇，起
始有2个宇节的识别码，为OXAF02，后8个宇节为脉冲宽
度测量值;第3种发射脉宽命令字，起始有2个字节的识
别码，为。XAF03，后8个宇节为发射脉宽测量值。
第4个部分是SD卡的存储，STM32F407有一个
SDI()的接口，可以实现4线SD卡存储或者是其他符合
SDI()协议的设备工作，例如SDI() WIFI设备等。这里采
用了基于2. 0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C:MD8命令用于确认工作电压是否稳定，具体
初始化与工作的流程如图7所示。

不知道为什么不能上传图片了！W

2万 · 2018-11-1 13:15

预处理结束后中接入3组单频脉冲信号，分别为
300 kHz,400 kHz,500 kHz的单频脉冲信号，初始信号通
过传播管道进行超声传递，本系统根据噪声信号确定门
限，检测到传播的信号，并准确测量出给定信号的频率，最
终输出的PWM信号，输出信号结果如图10所示。图10(a)
为输出的单个脉冲内的方波信号，图(b>为单频脉冲信号
在长时间下的情况。

只看该作者 · 2018-11-1 13:16

汽车的倒车雷达都是专用的芯片吧？

这个稳定性如何啊？

只看该作者 · 2018-11-1 13:18

就担心不如专用的 ASIC 的稳定性好！

成本怕也比不过人家的！

2万 · 2018-11-2 13:25

可能的确不如 ASIC 的稳定性吧！

1万 · 2018-11-6 15:04

收发超声波是不是需要专业的芯片呀

2万 · 2018-11-12 15:06

renzheshengui 发表于 2018-11-6 15:04
收发超声波是不是需要专业的芯片呀

用专业的 ASIC 会更稳定。更省钱。

1万 · 2018-11-15 13:37

成本大概多少呀

2万 · 2018-11-27 12:32

renzheshengui 发表于 2018-11-15 13:37
成本大概多少呀

大概估计会在45元左右了。。。

1万 · 2018-12-3 14:02

wangjiahao88 发表于 2018-11-27 12:32
大概估计会在45元左右了。。。

那也不贵啊挺便宜的

2万 · 2018-12-6 13:44

是啊还是有很大的价格优势的！

只看该作者 · 2019-3-7 19:23

wangjiahao88 发表于 2018-11-12 15:06
用专业的 ASIC 会更稳定。更省钱。

请问大神有什么推荐的集成电路吗？

2万 · 2019-3-11 16:42

专业集成电路估计日系台系的比较多。。。

STM32的实收实发超声波

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