【正文】 度和實(shí)時(shí)性需要，根據(jù)通道數(shù)、數(shù)據(jù)分辨率和采樣速度的要求， 所以 使用 STM32 系列處理器控制兩片 高性能、低功耗的 6 通道 16 位的AD7656 芯片，可同時(shí)對九路加速度計(jì)進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)的采集工作，最后通過雙口 RAM 實(shí)現(xiàn) 與 FPGA 之間的 雙 CPU 雙向?qū)崟r(shí) 通信。本采集 模塊 具有 采樣精度高、 功耗低、可靠性高、性價(jià)比高、便于攜帶及實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。 加速度計(jì)硬件連接 設(shè)計(jì) Model 1221002 型加速度計(jì)傳 感器的輸出有兩種形式： 至 的單端輸出和 ? 4V 的 差分輸出。 兩種輸出形式對應(yīng)的加速度量程都是 2g~+2g，分辨率都是 2021mV/g。加速度計(jì)有兩個(gè)輸出端口 AON 和 AOP。 AON 的輸出范圍為 ~，對應(yīng)的加速度量程雖然是 2g~+2g，輸出的是加速度計(jì)的反向加速度。 AOP 的輸出范圍是 ~，對應(yīng)的加速度計(jì)量程是 2g~+2g，輸出的是正向加速度。 圖 加速度計(jì)輸出信號(hào)和加速度值之間的關(guān)系 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 19 由于 Model 1221002 型加速度計(jì)采用差分輸出時(shí)具有零點(diǎn)漂移 小 ，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)中加速度計(jì)采用差分輸出連接方式。如圖 為加速度計(jì)的硬件連接原理圖。 圖 加速度計(jì) 典型差分輸出 硬件連接原理圖 加速度計(jì)調(diào)理電路 考慮到要使加速度計(jì)輸出的電壓信號(hào)范圍與 AD7656 輸入電壓信號(hào)范圍的匹配以及濾除高頻噪聲信號(hào)的需要，所以在 A/D 轉(zhuǎn)換前要先使加速度計(jì)輸出的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路。 調(diào)理電路由兩部分組成， 減法電路和低通濾波電路。 減法電路 圖 典型減法電路 根據(jù)減法電路功能可知： VAO= 1RRf (VAOPVAON)， 由于 AD7656 的輸入哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 20 范圍可設(shè)為 ? 5V 或 ? 10V，本系統(tǒng)設(shè)置為 ? 5V 輸入范圍，而加速度計(jì)的差分輸出范圍為 ? 4V，所以此處需使用合適的電阻使得 Rf/R1=， 即可使 VAO的輸出信號(hào)范圍放大至 ? 5V，其所對應(yīng)的加速度值不變?nèi)詾?? 2g，所以分辨率增加至 2500mV/g。 圖 經(jīng)過減法電路后加速度計(jì)輸出信號(hào)和加速度值之間的關(guān)系 低通濾波電路 Model 1221002 型加速度計(jì)輸出信號(hào)頻率為 0~400Hz，干擾信號(hào)多為高頻信號(hào)，因此高于 400Hz的信號(hào)需要濾除。 濾波器可分為有源濾波和無源濾波兩種，無源濾波的優(yōu)點(diǎn)是成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、容量大、技術(shù)也比較成熟，但是對諧波的濾除效果不如有緣濾波，反應(yīng)速度也不如有緣濾波，除此之外有緣濾波還可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率。因此本系統(tǒng)采用有緣濾波電路進(jìn)行低通濾波。 有源濾波 電路中以巴特沃斯濾波電路最為常用也最為簡單 ，由于一階濾波電路頻率響應(yīng)不夠理想，所以本系統(tǒng)中采用巴特沃斯二階低通濾波電路。 典型的巴特沃斯二階低通濾波電路如圖 所示。 電壓信號(hào)通過巴特沃思二階低通濾波電路電壓會(huì)被放大 1+ 34RR 倍，但是本系統(tǒng)中電壓信號(hào)已經(jīng)不需要被放大，所以將電路調(diào)整為圖 所示，相當(dāng)于取R4 阻值為 0， R3 阻值為無窮大，這樣放大倍數(shù)就為 1。為了使得濾波電路幅頻響應(yīng)比較平坦，通常取 R1 和 R2 阻值相同， C1 =2C2 ，此時(shí)如果我們?nèi)2 = F? ， C1 則取 F? ，由于濾波電路的截止頻率212121 CCRRf ?? ，截止頻率 Hzf 400? ，計(jì)算得出 R1 = R2 =28153 ?K 。 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 21 圖 巴特沃斯二階低通濾波電路 圖 本系統(tǒng)中的低通濾波電路 AD7656 管腳連接 設(shè)計(jì) AD7656 的工作是由微控制器 STM32 控制的， 所以首先將 AD7656 的VDRIVE 管腳接在與微控制器 STM32 工作電源相同的 上， VDRIVE 管腳是邏輯電源輸入，輸入電壓用于確定接口的運(yùn)行電壓，因此 AD7656 的各個(gè)管腳的邏輯電平就和微控制器 STM32 的 I/O 的邏輯 電平一致，可以直接連接在一起，無需 電平轉(zhuǎn)換。 在 設(shè)計(jì) AD7656 芯片的管腳連接前要 先 確定 AD7656 芯片在采集模塊中的工作模式。 AD7656 有串行接口和 高速的 并行接口兩種工作模式。 本系統(tǒng)中采哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 22 用高速的并行接口工作模式 ，將 SER/ PAR 管腳設(shè)為低電平即可選擇并行接口工作模式 。 并行接口模式下可以在字 （ 16 位） 的模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)操作， 也可以在字節(jié)的模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)操作， 本采集模塊里就是采用字模式下的數(shù)據(jù)操作 ，將 W /B 置低電平。 CONVST A， B， C 分別對應(yīng) 兩路模擬輸入通道的轉(zhuǎn)換使能，因?yàn)樾枰獙?9 路加速度計(jì)進(jìn)行同時(shí)采集，所以兩片 AD7656 的 CONVST X都使其高電平 ， 而且每片的 CONVST A， B， C 三個(gè)管腳都接在一起就行，由STM32 的 I/O 口控制高低電平，第一片采 6 路加速度計(jì)信號(hào)，第二片采 3 路加速度計(jì)信號(hào)。轉(zhuǎn)換的時(shí)候 BUSY 管腳一直處于高電平狀態(tài)，變?yōu)榈碗娖綍r(shí)說明轉(zhuǎn)換完畢，此時(shí)只要 把 CS 和 RD 管腳電平拉低，輸出端口就開始輸出數(shù)據(jù)。如圖 所示為 AD7656 并行接口字模式下的讀操作數(shù)據(jù)流。 圖 AD7656 并行接口字模式下的讀操作數(shù)據(jù)流 兩片 AD7656 的硬件連接設(shè)計(jì) 如圖 （ a）和圖 （ b） ： 第一片 AD7656 的 V1V6 和第二片 AD7656 的 V1V3 分別與 9 路加速度計(jì)輸出信號(hào)連接，輸出信號(hào)首先要經(jīng)過調(diào)理電路再連接到 AD7656。 CONVST A， B， C 三個(gè)管腳連在一起，然后連到 STM32 的一個(gè) I/O 上。 CS 、 RD 、 BUSY 分別連在 STM32 的 I/O 上。 REF IN/REF OUT 管腳接地，表示采用外部基準(zhǔn)電壓。 REFCAP A， B， C 通過電容接地。 VDD 接 +5V正電源， VSS 接 5V負(fù)電源。 RESET 接 STM32 的 I/O 口控制。 AVCC 直接連到 +5V 電壓源上，為了避免 DVCC 產(chǎn)生的數(shù)字噪聲對 AVCC的影響，將 AVCC 上的 +5V電源通過 0? 電阻后再接到 DVCC 上。 AGND 接在模擬地上。 DGND 接在 STM32 的電源地上。 H /S SEL、 W /B、 SER/ PAR 三個(gè)管腳始終設(shè)置為低電平，所以連在一起后接電源地，分別代表硬件控制引腳，字模式，并口工作模式。 WR /REF DISEN/ 、 RANGE 兩個(gè)管腳始終設(shè)置為高電平，所以連在一起，然哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 23 后接數(shù)字電源的輸入，分別代表基準(zhǔn)使能，使輸入電壓范圍是 2 倍的基準(zhǔn)電壓即將輸入電壓范圍設(shè)置為 ? 5V。 DB[0]~DB[15]接到數(shù)據(jù)總線上。 STBY 接數(shù)字電源上， 不使 用空閑模式。 VDRIVE 接 STM32 的 。 DGND 接電源地。 圖 (a) 第一片 AD7656 硬件連接原理圖 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 24 圖 (b)第二片 AD7656 硬件連接原理圖 基于雙口 RAM的雙 CPU通訊電路 IDT7133 采用 +5V 電源供電，管腳可識(shí)別的高電平電壓為 ，微控制 STM32 管腳輸出的高電平為 ，所以 IDT7133 可以識(shí)別 STM32 I/O 口的高電平 操作，又由于 STM32 微控制的管腳是和 5V 相兼容的，所以也可以讀取來自 IDT7133 管腳的信號(hào)，因此 IDT7133 和微控制器的管腳可以直接相連，無需電平轉(zhuǎn)換工作 。 IDT7133 的硬件連接設(shè)計(jì)如圖 所示 IOL[0]~IOL[15]是 16 位的數(shù)據(jù)總線直接連到微控制器 STM32 的 I/O 上。 AL[0]~AL[11] 是 11 位的地址總線，但是由于 STM32 管腳數(shù)目的局限，且本系統(tǒng)中不需要同時(shí)存儲(chǔ)那么多個(gè)數(shù)據(jù)，所以只用到了其中的低 7 位地址總線與微控制器 STM32 連接進(jìn)行尋址，高四位接地，地址范圍是 00000000000~0000FFFFFFF。 CEL 是片選引腳， 與 STM32 的 I/O 口連接 。 OEL 輸出使能信號(hào)， 與 STM32 的 I/O 口連接 。 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 25 R/ UBW 是高字節(jié)讀 /寫控制端， R/ LBW 是低字節(jié)讀 /寫控制端，由于這里是16 位數(shù)據(jù)操作，所以將 R/ UBW 管腳和 R/ LBW 管腳 連在一起，然后再連到 STM32 的一個(gè) I/O 口上。 BUSYL 忙 信號(hào) 與 STM32 的 I/O 口相連。 右側(cè)與左側(cè)管腳用途相同，與 FPGA 的 I/O 相連。 圖 雙口 RAM IDT7133 硬件連接圖 采集系統(tǒng)的供電電源設(shè)計(jì)方案 電源是 整個(gè)系統(tǒng)各個(gè) 芯片工作的能量來源，有的芯片需要一種 電源，有的芯片需要 2 種到 3 種電源，電源部分的設(shè)計(jì) 的好壞對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的 安全性和哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 26 可靠性 影響 非常大 ，是整個(gè)系統(tǒng) 穩(wěn)定 工作的基礎(chǔ)。微控制器 STM32 工作需要+ 電源 供電 。 AD7656 工作需要 +5V、 5V 和 + 供電。雙口 RAM IDT7133 需要 +5V 電源 供電。 采集模塊的 電源來源采用 USB 取電（ +5V） ， 為了得到 + 和 5V 電壓， 需要將 +5V 電源通過電路分別轉(zhuǎn)換出 + 電源和 5V電源。 +5V到 5V電壓 轉(zhuǎn)換電路 DCDC 轉(zhuǎn)換器可以將一種直流電壓轉(zhuǎn)換成另一種直流電壓。 DCDC電源是開關(guān)電源的一種，具有效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 DCDC 根據(jù)輸入與輸出電壓的關(guān)系可以分為升壓型、降壓型、升壓 /降壓 Cuk 型。本系統(tǒng)中用到的是降壓型 DCDC 轉(zhuǎn)換 器。 圖 降壓型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 內(nèi)部主 電路 DCDC 轉(zhuǎn)換器 有四個(gè)管腳：一個(gè)電壓輸入 VIN、一個(gè)電壓輸出VOUT，兩個(gè)地 GND，連接情況如圖 所示。 圖 DCDC 電路連接原理圖 哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 27 +5V到 轉(zhuǎn)換電路 AMS1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器。 AMS1117 有可調(diào)電壓的 型號(hào) ， 還有5 個(gè)固定電壓輸出的型號(hào)。 AMS1117 所有型號(hào)中都 提供電流限制和熱保護(hù) 措施， 電壓的精度在 177。1%以內(nèi)。 AMS1117 系列具有 多種封裝形式可供選擇，有TO26 TO220 和 TO252 封裝。 可以將 +5V 電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 +。 主要參數(shù)： 、 、 、 、 5V和可調(diào)電壓的型號(hào) 節(jié)省空間的 SOT223 和 LLP 封裝 電流限制和熱保護(hù)功能輸出電流可達(dá) 1A 線性調(diào)整率： % (Max) 負(fù)載調(diào)整率： % (Max) 溫度范圍： 0℃ ~125℃ 。 圖 從 5V轉(zhuǎn) 集成 開發(fā) 環(huán)境 介紹 Real View MDK 簡介 Keil 公司的 ? Vision IDE 是為廣大單片機(jī)及嵌入式開發(fā)者所熟悉 的一個(gè)窗口化的軟件開發(fā)平臺(tái) 。它集成了功能強(qiáng)大的源代碼編輯器、 完善的開發(fā)工具手冊、 豐富的設(shè)備數(shù)據(jù)庫、高速 CPU 及片上外設(shè)模擬器、 Flash 編輯器、 高級(jí)GDI 接口、設(shè)備數(shù)據(jù)手冊和用戶向?qū)У取? ARM 公司 收購了 Keil 公司后 ， 在 2021 年推出了 嵌入式開發(fā)工具M(jìn)DK(Microcontroller Development Kit)， MDK 是用來開發(fā)基于 ARM 核控制器的嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)工具。 MDK 包括 RealView 編譯器 和 ? Vision 集成開發(fā)環(huán)境 ， 可作為 ARM ARM9 和 Cortex3 核處理器 的集成開發(fā)環(huán)境 ， 可以 自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成 強(qiáng)大的 Simulation 設(shè)備模擬 ， Flash 燒寫模塊 ，性能分析等功能， MDK 與 ARM 之前的工具包 ADS 等相比， RealView 編譯器的性能改善超過 20%。 編譯器能生成優(yōu)化的 32 位 ARM 指令集、 16 位 Thumb 指令集哈爾濱工程大學(xué)專業(yè) 碩士學(xué)位論文 28 以及最新的 Thumb2 指令集代碼， 支持 C/C++， 生成的代碼具有 容量最小、 密度高、 性能高等 特點(diǎn) [10]。 MDK 作為完全支持 CortexM3 處理器開發(fā)的企業(yè)級(jí)開發(fā) 工具 之一 ， 內(nèi)含內(nèi)含 完整的數(shù)據(jù)手冊以及 STM32F10x系列處理器片上外圍接口固件庫。 STM32 固件庫是一個(gè)固件包，里面包括了程序、 處理器片上外圍接口各種 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、覆蓋所有外設(shè)特性的宏單元以及 基本驅(qū)動(dòng)函數(shù) [9]。固件庫是由ST 公司 提供，免去了開發(fā)者相當(dāng)多的煩瑣工作， 讓開發(fā)者把主要精力放在編程方面，提高了開發(fā)效率 。 MDK主要優(yōu)勢： MDK 集成了業(yè)界最優(yōu)秀的 RealView 編譯工具。 MDK 提供啟動(dòng)代碼生成向?qū)?，可以提高開發(fā)效率。 MDK 提供強(qiáng)大