STM32的瞬态运动参数存储测试系统设计

摘要：在瞬态运动参数测试中，对存储测试系统的实时性和功耗提出了更高的要求。提出了一种基于STM32的嵌入式存储测试系统的设计方案，介绍了该系统关键部分的软硬件设计，主要包括模拟信号调理、数据采集存储和USB数据回读。该系统具有实时性好、体积小、功耗低的特点，适合于恶劣环境下加速度信号的采集存储。试验结果表明，该系统工作稳定，实现了设计目标。

关键词：存储测试技术;信号调理;STM32;USB;LabView

引言

存储测试技术是在特殊环境下记录运动物体参数行之有效的方法，先将测试数据存入存储器，待装置回收后通过特定接口与上位机进行通信，还原数据信息。在诸多领域的测试中，对数据采集存储系统的实时性和功耗提出了更高的要求，随着半导体技术的发展，各种技术的进步使得高速度、低功耗的存储测试系统能够实现。

本系统选择ST公司超低功耗的基于ARM Cortex—M3四核的处理器STM32F103C8T6作为核心控制元件，采取内部A/D转换器与铁电存储器结合的方法，实现压阻式加速度传感器测试数据的采集、存储，并利用LabView开发平台设计上位机应用软件实现测试数据的USB回读及处理。

1 系统原理

存储测试系统由电源管理模块、调理模块、外部晶振、微控制器、存储模块、上位机模块以及接口电路组成，如图1所示。

系统采用单电池电源供电，电路内部经过多路电源管理单元的稳压处理后为系统各个模块供电，实现多分支电源网络管理，以保证系统良好的抗干扰性能。系统的控制核心为STM32F103C8T6，传感器信号经调理模块进入微控制器的12位μs级的A/D转换器后，经过处理和格式转换后循环记录在铁电存储器 FM25V10内，一旦传感器感受的加速度值达到设定阈值，则系统将被触发，并会自动持续记录一段时间，装置回收后则利用LabVieW上位机应用软件实现测试数据的USB回读及处理。

2 系统主要部分的硬件设计

2.1 信号调理

由于传感器测量的信号十分微弱，需要经过适当的放大、滤波等修正后才能够进行一系列处理。信号调理电路是存储测试系统中非常关键的一个部分，它在数据采集存储之前对传感器输出信号进行调理，其性能的优劣直接决定了系统的性能与可靠性。信号调理电路主要由4部分串联组成：隔离放大、交流耦合、电压跟随、低通滤波。

2.1.1 隔离放大

在存储测试系统中，不合适的接地是造成测量问题的普遍原因，必须对信号进行电气隔离以防止这些问题的发生。隔离电路能够打破接地环路，避免产生高幅值共模电压。

本设计选用通用的、双端口的变压器耦合隔离放大器AD202作为主放大器件。作为一种符合工业标准的隔离放大器，AD202能够提供一整套隔离功能，包括信号隔离和电源隔离，且封装紧凑，有利于实现产品的小型化。

图2为隔离放大电路原理图，R1和R2的配比可实现衰减功能，R6可实现比例的精确调节，R3、R4和R5实现了调零功能。

2.1.2 交流耦合

为了消除加速度信号中直流分量的影响，实现交流耦合，利用电容的“隔直通交”的特性去除信号里的直流分量，而对纯交流信号没有影响。因此，本设计在隔离放大电路之后，加入了一级交流耦合。

2.1.3 电压跟随

传感器信号在交流耦合之后，串联一级电压跟随，可以起到缓冲、隔离的作用。电压跟随电路具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，可以使后级放大电路工作更稳定，如图3所示。

2.1.4 低通滤波

由于测试环境中不可避免地存在着各种干扰和噪声，如果传感器信号线引入外界干扰，将造成进入测试系统的信号掺杂有一定的噪声，严重的甚至会影响测试的真实性。因此，需要使用滤波器对信号进行抗混叠滤波，以保证信号的正确性、提高系统信噪比。

系统使用的二阶压控电压源低通滤波电路因性能稳定、增益易调节，已广泛应用于测试系统中，此系统也采用此型滤波电路。电路设计如图4所示。

2.2 微控制器接口

STM32F103处理器采用ST公司独有的两大节能技术(130 nm专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构)，使其成为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式系统的良好选择。该设计利用其自带的12位μs级的A/D转换器、SPI通信接口和USB2.0全速接口，实现传感器信号的采集、存储和回读分析。

3 系统关键部分的软件设计

3.1 负延时数据存储

本系统选用1 Mb铁电存储器FM25V10(128K×8位)，每个加速度数据占用2个字节，可供存储65536个数据。系统触发前，存储器保持循环记录，存储的内容不断被擦除改写。当记录数据达到触发阈值时，测试系统触发，延时计数器开始计数，数据继续记录至延时计数器到时。触发点前后的数据长度可根据设计要求确定，计