CN213092147U

CN213092147U - 一种基于fpga和stm32的多通道信号采集装置

Info

Publication number: CN213092147U
Application number: CN202022607606.5U
Authority: CN
Inventors: 丑幸幸; 黄璜; 汤伟
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2030-11-12

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，将STM32作为上位机，FPGA作为下位机，上位机负责接收、显示和处理由下位机发送的采集数据,并实现对下位机的运行控制；下位机数据采集模块主要实现对超声背散射信号的采集,以及与上位机基于SPI3通信的数据交互。在实际测试中表明,多端口数据采集器能够对低频模拟信号量进行实时准确的采集。该装置采用多通道ADS1278芯片对多路模拟信号进行同步采集。FPGA作为采集时序及逻辑控制,读取并整理ADC芯片数据写入FIFO区,并根据FIFO在实际应用中的特性增加相应的操作。STM32单片机通过与FPGA的通信,读取FIFO数据并检测数据检验位,最终将数据写入大容量SD卡中，并且在液晶显示屏中显示数据波形。

Description

一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置

技术领域

本实用新型涉及信号采集技术领域，具体为一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，基于FPGA和STM32控制器开发，可以对超声背散射信号进行快速采集、显示。

背景技术

随着信息技术的高速发展，信号采集变的越来越重要，它广泛应用于通信、网络、航空、军事等重要部门，因此对于信号采集技术的研究具有非常重要的意义。信息科学技术的快速发展使得系统处理速度越来越高，传统的采集系统已经难以满足高速信号的采集。

超声医学检测技术具有安全、迅速、功能丰富等特点，是目前应用最为广泛的医学检测技术之一，超声医学检测系统的研究对于医学领域的发展具有重要意义。

本专利立足于现阶段骨质疏松症的研究，自主设计了一款多通道高速信号采集装置，对在体实验检测的骨质疏松症人群进行初步筛选，由于超声背散射信号的分析对于骨质疏松症的研究具有很好的优势，所以基于FPGA和STM32开发一款超声背散射信号采集装置可以有效分析骨质疏松症。

现阶段超声诊断设备都往着实时性更好的方向发展，其关键在于基于FPGA超声前端的系统设计，它的性能直接影响着整个系统的质量。但超声系统仍然存在着许多问题，比如单一的信号通道，采集效率低等，因此设计一款多通道高速信号采集装置十分必要。

实用新型内容

为了克服现有技术方案的不足，本实用新型提供一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，具有采集效率高、稳定性可靠等特点，能有效的解决背景技术提出的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，主要包括超声波激励机构、电源机构、信号调节机构、人机交互机构、超声探头，其中信号调节机构又包含前置放大电路、程控增益电路、带通滤波电路和幅值衰减电路以及采样机构、FPGA主控机构和通讯机构。

进一步地，超声波激励机构，负责产生幅值和频率可调的激励信号，作用于超声波换能器，从而产生超声波；

电源机构，负责为电路板中各个机构供电，使装置能够正常工作；

信号调节机构，将接收到的超声背散射信号进行放大、滤波，抑制噪声干扰等相应处理后，将散射波信号的幅值调理成满足模数转换器输入要求的范围内，防止幅度过大损坏控制器的GPIO区；

人机交互机构，主要包含STM32控制器、存储卡和液晶显示电路，通过此机构来设置超声波激励脉冲的幅值和频率以及超声背散射信号的增益等相关数据；

采样机构，对规定幅值范围内的超声背散射信号进行采样、保持、量化、编码，将模拟量转变为数字量，并将采样后的数据送入FPGA主控机构；

FPGA主控机构是装置的核心，主要负责复杂的逻辑控制和时序处理任务，提供各机构运转所需要的时钟信号，对接收的数据进行数字滤波等相应的信号处理，并将数据通过通讯机构传输至上位机；

通讯机构作为FPGA主控机构和STM32之间通讯和数据传输的桥梁，完成数据交互任务，并将数据存储到后端，在液晶显示屏上显示波形的相关信息；

超声探头是超声诊断的关键附件，其内部结构是压电晶体制成的换能器，完成电信号与超声信号的发射和接受双重功能，外部结构主要由插头、连线、探头三部分构成，探头外部主要由透镜、壳体构成。

进一步地，信号调节机构将信号进行不同程度地放大和滤出噪声信号,满足后端采样机构对信号参数的要求。

进一步地，程控增益电路采用运算放大器AD系列核心芯片，跟不同的控制信号，将产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益的机器。

进一步地，带通滤波电路中，超声背散射信号中的有用信号集中在以超声波换能器中心频率为中心的窄频带上,为了能够滤除信号中掺杂的大量噪声，使信噪比满足装置正常工作的要求，带通滤波电路可以实现对信号的的滤波。

进一步地，幅值衰减电路采用了高速、宽频带、电压反馈型运算放大器。

进一步地，超声波激励机构使用脉冲的方式激励超声探头，即产生一个高压放电脉冲激励压电晶片，从而激发出超声波。

进一步地，人机交互机构由STM32作为上位机，发送指令产生超声激励，实现和FPGA主控机构之间的通讯，接收FPGA主控机构发送的信息数据，并且存储到存储卡里，并在液晶显示屏上显示相应的采集波形数据信息。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用了一种基于FPGA的采集系统对高速信号采集，利用FPGA的特点，进行了基于FPGA和STM32的软硬件设计，可以弥补现有信号采集处理装置采样通道数少、动态接收范围小、灵活性针对性差等问题，并且提出的更加优化、更为全面的包括采集预处理、处理和传输三位一体的一整套解决方案可以给予后续研究者更多的经验。

附图说明

图1显示了系统框图；

图2显示了通讯模块示意图；

图3显示了装置图；

图4显示了装置的调节模块放大电路图；

图5说明了装置的调节模块的衰减电路图；

图6说明了装置的调节模块的程控增益电路图；

图7说明了装置的调节模块的滤波电路图。

图中标号：

1-FPGA开发板，2-STM开发板，3-导线，4-AD转换机构，5-电源，6-探头，7-液晶显示屏，8-开关，9-存储卡，10-USB线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～图7所示，本实用新型提供了一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，主要包括超声波激励机构、电源机构、信号调节机构、人机交互机构、超声探头，其中信号调节机构又包含前置放大电路、程控增益电路、带通滤波电路和幅值衰减电路以及采样机构、FPGA主控机构和通讯机构。

该装置主要由FPGA和STM32构成，其中FPGA作为下位机负责数据的采集和处理，STM32当作上位机负责接收FPGA传输的数据信息，FPGA和STM32之间的通讯方法采用FPGA作为Slaver实现SPI3方式与STM32通信。STM32方面：用库函数配置SPI1，设置CPOL＝1，CPHA＝1。FPGA方面通过边沿检测技术得出SCK上升沿与下降沿标志,用于下面状态机中的数据采样及发送。根据时序图，采用2个状态机分别在SCK上升沿实现数据采样，下降沿实现数据发送。无论是采样还是发送，都是高位在前，共8位数据。最后通过边沿检测技术得出数据采样完成标志，用于用户操作。

用户可以通过人机交互机构在液晶显示屏上对相应波形参数进行设置；液晶显示屏连接STM32单片机，STM32单片机将FPGA采集的数据传输到液晶显示屏上显示，用户可以观测到波形的状态和详细数据。

超声波激励机构通过STM32单片机控制，使探头发出达到超声频率的声波，通过探头采集实体数据，然后由FPGA处理。

采样机构是将采集到的模拟量转换为数字量，由AD转换器实现采样转换过程，然后将转换好的数字量传输到FPGA开发板中进行快速处理。

信号调节机构包括放大电路、衰减电路、增益电路和滤波电路，其中放大电路是将采集到的信号进行放大，方便计识别；衰减电路使调控信号幅值，避免信号幅值过大冲击开发板接收区；滤波电路主要将信号中的干扰部分滤除；增益电路是通过STM32对系统进行调控。

SPI通信包含SPI通信的4跟线。M_TX_PIN表示如果SPI主机给从机发送数据前，需要把它拉高，表示目前只在发送，平时空闲为低；S_TX_PIN表示如果SPI从机给主机发送数据前，需要把它拉高，表示目前只在发送，平时空闲为低。SPI主机给从机发送数据：首先读取S_TX_PINIO口，如果为高，代表SPI从机目前只在给SPI主机发送数据，忙，则此时不能给从机发送数据。首先读取S_TX_PINIO口，如果为低，代表可给从机发送数据，立刻把主机M_TX_PINIO口拉高，延时一会，再次读取S_TX_PINIO口。如果S_TX_PINIO口为低电平，表示抢得主机给从机发送数据的权限，接下来主机可以给从机发送数据了。发送完成以后，主机把M_TX_PIN拉高。如果S_TX_PINIO口为高电平,表示刚才同一时刻，主从同时进行发送数据的总线请求，同时检查到对方空闲，并同时拉高自身发送的IO口，这样造成了互抢了临界资源，所以此时主机把M_TX_PIN拉低，释放发送总线。SPI从机给主机发送数据，原理同上。

进一步说明的是，超声波激励机构，负责产生幅值和频率可调的激励信号，作用于超声波换能器，从而产生超声波；

通讯机构作为FPGA主控机构和STM32之间通讯和数据传输的桥梁，完成数据交互任务，并将数据存储到后端，在液晶显示屏上显示波形的相关信息。

超声探头是超声诊断的关键附件，其内部结构是压电晶体制成的换能器，完成电信号与超声信号的发射和接受双重功能，外部结构主要由插头、连线、探头三部分构成，探头外部主要由透镜、壳体构成。透镜的作用是将换能器发出的波束聚焦提高分辨力，反复摩擦透镜会影响声透度，降低探头寿命。

进一步说明的是，信号调节机构将信号进行不同程度地放大和滤出噪声信号,保证背散射信号的可靠性，满足后端采样机构对信号参数的要求。超声波回波信号幅值较小，需要对信号进行不同程度地放大。本装置采用的超声波换能器是压电式超声波换能器，具有较大的阻抗，而后级程控增益电路所采用的芯片是低阻抗输入的运算放大器，前置放大电路要设计成高阻抗输入、低阻抗输出的形式，因此前置放大电路主要起阻抗转换的作用。根据装置需求，前置放大电路的设计中采用高速、宽频带、电压反馈型运算放大器，它具备超低失真和超低噪声的特性。根据电路原理图，其放大倍数为：

前置放大电路的本质是同相比例放大电路，最主要的作用是起到超声波换能器和程控放大电路之间的桥梁作用。

进一步说明的是，程控增益电路采用运算放大器AD系列核心芯片，跟不同的控制信号，将产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益的机器。程控增益放大器与普通放大器的差别在于反馈电阻网络可变且受控于控制接口的输出信号。

进一步说明的是，带通滤波电路中，超声背散射信号中的有用信号集中在以超声波换能器中心频率为中心的窄频带上,为了能够滤除信号中掺杂的大量噪声，使信噪比满足装置正常工作的要求，带通滤波电路可以实现对信号的的滤波。

进一步说明的是，幅值衰减电路采用了高速、宽频带、电压反馈型运算放大器AD8065。该芯片噪声低，具有较高的输入阻抗。衰减电路电压转换公式：

进一步说明的是，超声波激励机构使用脉冲的方式激励超声探头，即产生一个高压放电脉冲激励压电晶片，从而激发出超声波。这种激励方式简单可靠,通过人机交互机构对激励进行参数设置。

进一步说明的是，人机交互机构由STM32作为上位机，发送指令产生超声激励，实现和FPGA主控机构之间的通讯，接收FPGA主控机构发送的信息数据，并且存储到存储卡里，并在液晶显示屏上显示相应的采集波形数据信息。

首先根据实际需要，制定系统总体方案，从硬件和软件两个方面进行设计工作。

硬件方面，设计了超声波激励模块、信号调节模块、人机交互模块、采样模块以通讯模块。其中信号调节模块设计了前置放大电路、程控增益电路、带通滤波电和衰减电路的结构来调节背散射信号。超声波激励模块最大能发射重复频率为3kHz超声波，满足实验研究的需求，信号调节模块能够在增益范围内实超声波调节。

软件方面，利用STM32主控芯片设计了人机交互模块控制程序，利用FPGA实现了高速模数转换器驱动、数据缓存、数字滤波、数据传输等功能，使本装置能够更加快速的识别背散射信号，并且设计了通信协议通讯模块，用于硬件系统和上位机软件之间的数据交互，在上位机界面上，实现数据保存和波形显示功能。

具体工作原理：装置通上电源以后，按照超声背散射实验，通过人机交互机构设置超声波激励脉冲的幅值和频率，由STM32控制超声波激励机构产生信号脉冲，进而产生超声波；超声波进入松质骨样本后，装置采集到反射的回波，并将背散射信号送入信号调节机构完成放大、滤波去噪等处理后，再送入采样机构；采样机构对模拟信号完成采样和量化后，转化成数字量信号，将数据送入FPGA处理器；FPGA处理器对数据进行数字滤波等相应处理后，由通讯机构传输至上位机STM32端；上位机完成采样数据的接收、波形绘制和采集数据的保存工作。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：主要包括超声波激励机构、电源机构、信号调节机构、人机交互机构、超声探头，其中信号调节机构又包含前置放大电路、程控增益电路、带通滤波电路和幅值衰减电路以及采样机构、FPGA主控机构和通讯机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：

超声波激励机构，负责产生幅值和频率可调的激励信号，作用于超声波换能器，从而产生超声波；

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：信号调节机构将信号进行不同程度地放大和滤出噪声信号,满足后端采样机构对信号参数的要求。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：程控增益电路采用运算放大器AD系列核心芯片，跟不同的控制信号，将产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益的机器。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：带通滤波电路中，超声背散射信号中的有用信号集中在以超声波换能器中心频率为中心的窄频带上,为了能够滤除信号中掺杂的大量噪声，使信噪比满足装置正常工作的要求，带通滤波电路可以实现对信号的滤波。

6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：幅值衰减电路采用了高速、宽频带、电压反馈型运算放大器。

7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：超声波激励机构使用脉冲的方式激励超声探头，即产生一个高压放电脉冲激励压电晶片，从而激发出超声波。

8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和STM32的多通道信号采集装置，其特征在于：人机交互机构由STM32作为上位机，发送指令产生超声激励，实现和FPGA主控机构之间的通讯，接收FPGA主控机构发送的信息数据，并且存储到存储卡里，并在液晶显示屏上显示相应的采集波形数据信息。