电磁感应通信信号采集与存储系统设计
孙希彤+刘秋生
摘 要： 设计了一套感应通信信号采集与存储系统。阐述电磁感应通信基本原理，针对信号特点，明确系统参数，对系统进行总体设计，并对信号调理模块、A/D采集模块、SRAM及SD卡、主控芯片及网络通信模块等进行详尽的分析。系统采用金属线圈感应信号，STM32F407ZGT6微处理器作为主控芯片控制采集与存储，通过RJ45网口将数据转存给上位机。试验结果表明，该采集系统能够有效实现感应通信信号的高保真采集。
關键词： 信号采集； 感应通信； STM32F407ZGT6； 数据传输
中图分类号： TN911.7?34； TP306 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0014?04
Design of signal acquisition and storage system for
electromagnetic induction communication
SUN Xitong， LIU Qiusheng
（The Third Department of Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）
Abstract： A set of signal acquisition and storage system of electromagnetic induction communication was designed. The basic principle of electromagnetic induction communication is described in this paper. For the characteristics of the signal， the system parameters were determined， and the overall design of the system was performed. The signal conditioning module， A/D acquisition module， SRAM， SD card， main control chip and network communication module are analyzed in detail. The metal coil is used in the system to sense the signal. The STM32F407ZGT6 microprocessor is taken as the main control chip to control the signal acquisition and storage. The data is transferred to the host computer via RJ45 network interface. The test result shows that the acquisition system can realize the high?fidelity collection of the inductive communication signal.
Keywords： signal acquisition； inductive communication； STM32F407ZGT6； data transmission
0 引 言
电磁感应通信是一种安全、迅速的无线通信连接技术，具有距离近、带宽高、能耗低等特点，该技术在多领域具有广泛应用。民用上，最为典型的是无线充电[1]及门禁卡通信[2]；军用上，感应通信是制导弹药重要核心支撑技术之一 [3?5]。在弹药发射前，通过信号发射器，将与弹药控制系统相关的多种战场信息传输给弹上接收机，使其获得对发射弹丸的炸点控制甚至弹道控制，实现精确打击，提高弹药作战威力。由于战场环境复杂，通信过程一旦受到干扰或故障，造成通信失败，必然延误战机。因此，发射器的可靠性直接关系着信息化弹药能否发挥正常的毁伤效能。通过对信号的分析，查找到失败原因是实现发射器快速修复的关键。为实现信号分析，研制设计了一款针对该装备特点的信号采集与存储系统。试验验证表明该系统能够实现信号高精度采集与存储。
1 电磁感应通信原理
电磁感应通信是应用电磁感应原理，通过发送线圈和接收线圈的电磁耦合实现能量和信息的非接触传输[6]，其工作原理图如图1所示。
首先进行能量传输。感应信息发送端通过发送线圈发送正弦波，利用电磁、磁电近场感应原理，在接收线圈上形成感应电压。经电路电压变换，得到信息接收端工作所需的电压，给储能电容充电，存储的能量作为后续工作的能源。接着，感应通信发送端输出信号，控制发送线圈驱动电路的运行方式，达到改变发送线圈端电压参数的变化，如幅值、频率或者相位变化；根据电磁感应原理，接收线圈能够感知这种变化，并且体现在其端电压中。电磁感应通信接收端对接收线圈端电压进行处理，将端电压的参数变化转换为数字信号，即得传输信号。
2 系统总体设计
为了实现电磁感应通信信号的分析与质量评估，需要对电磁感应通信系统的传输信号进行采集与存储。电磁感应通信是利用发送线圈与接收线圈间的电磁耦合实现信息传输，在信号传输过程中，线圈自身失谐、外界电磁干扰等都会造成信号波形失真，高精度的采集信号，真实的还原信号波形，刻画出信号畸变细节是该系统首要完成的功能。同时，信号采集与存储系统应当具有结构简单、低功耗、低噪声的特点，以免对采集的信号造成污染。系统结构原理图如图2所示。
根据感应通信信号频率、幅值、通信时间等特点，合理设计系统指标，保证系统高保真、及时完整地采集到通信信号。最终确定的技术指标如下：A/D采样频率不低于1 MHz；A/D采样位数不小于8位；数据存储量不小于1 GB。
3 系统关键硬件设计
3.1 主控芯片
采集存储系统选用STM32F407ZGT6微处理器[7]。STM32F407ZG系列是基于高性能的ARM Cortex?M4的32位RISC内核。其核心功能支持ARM单精度数据处理指令和数据类型的单精度浮点单元。主系统由32位多层AHB总线矩阵构成。在STM32F407ZGT6中有5个重要的时钟源，工作频率可达168 MHz，完全能够满足整个系统的要求。芯片集成FPU和DSP指令，并具有192 KB SRAM，1 024 KB FLASH，2个DMA控制器，采用高速嵌入式存储器，具有提高应用程序安全性的内存保护单元（MPU）。
3.2 模数转换器
该系统所用模数转换器为芯片自带的ADC，STM32F407ZGT6包含3个12位逐次逼近型模拟数字转换器。这些ADC可以独立使用，也可以使用双重/三重模式，最大转换速率为2.4 MHz，也就是转换时间为0.41 μs。感应通信系统信号频率是100 kHz，根据奈奎斯特采样定律，A/D最小采样速率为200 kHz，为保证完整性，工程应用中通常选用6～8倍采样速率，系统A/D实际选用的采样速率为1 MHz。为保证采集信号的精度，配置A/D参考电压是2.5 V，采样位数为12位，采样分辨率达到2.44 mV。为提高CPU使用效率，采用DMA传输方式为A/D与SRAM开辟一条直接传送数据的通路，该方式无需CPU直接控制。
3.3 调理电路
为保护器件不被击穿，实现输入信号满足A/D参考电压范围。选用OPA365运算放大器进行信号调理[8]。實际调理电路图如图3所示。OPA365具有超低失真，极低噪声以及50 MHz增益带宽，在调理电压幅值的过程中有效避免引入其他干扰。经计算，此电路采用的电阻分别为：[R49=1 kΩ，R50=58 kΩ，R56=2.3 kΩ，]电路将信号调理到0～2.5 V范围。实际应用中，可以根据不同工作需求对[R49，R50，R56]的阻值进行适当调整。
3.4 存储电路
存储部分分为SRAM和SD卡两部分。SD卡按扇区模块化存储，SRAM可实现单字节存储。为提高SD利用率，采集数据先经SRAM缓存[9]，再传输给SD卡。
STM32F407ZGT6自带SRAM容量不够，系统选用IS61WV102416BLL芯片作为外部缓存。该芯片是高速、低功耗、1 MB容量的CMOS静态内存芯片。芯片直接接在STM32F407ZGT6的FSMC上，FSMC的BANK1区域3控制IS61WV102416BLL，IS61WV102416BLL原理图如图4所示。A[0：19]接FSMC_A[0：19]，OE接FSMC_NOE，WE接FSMC_NEW，UB接FSMC_NBL1，LB接FSMC_NBL0。
4 GB容量SD卡与STM32F407ZGT6标准接口相连，使用芯片自带的SDIO接口驱动，4位模式，最高通信速度可达48 MHz，最高每秒可传输数据24 MB，适合高速存储。本系统设置PLL48CK为48 MHz，用于驱动SDIO适配器，并用于产生SDIO_CK时钟，根据公式：
[SDIO_CK=SDIOCLK2+CLKDIV]
适当调整SDIO_CK时钟值为24 MHz，APB2总线接口时钟为84 MHz。SD卡接线图如图5所示。
3.5 通信电路
STM32F407芯片自带以太网模块[10]，该模块包括带专用DMA控制器的MAC 802.3（介质访问控制）控制器，自带一个用于外部PHY通信的SMI接口。外部PHY芯片通过MII/RMII接口与STM32F4内部MAC连接，通过SMI接口配置外部以太网PHY芯片。
采集与存储系统使用LAN8720A作为PHY芯片，芯片原理图如图6所示。
该芯片支持通过RMII接口与以太网MAC层通信，内置10?BASE?T/100BASE?TX全双工传输模块，支持10 Mb/s和100 Mb/s。配置PHYAD0引脚浮空，即设置LAN8720地址为0。nINT/REFCLKO引脚接下拉电阻，作为参考时钟输出，LAN8720A外接25 MHz石英晶振，通过内部倍频到50 MHz，通过REFCLKO引脚输出50 MHz参考时钟给MAC控制器。LED1引脚接下拉电阻，开启内部1.2 V稳压器。
RJ45网络接口选用HR911105A与计算机相连，实现SD卡中数据高速传输给上位机，原理图如图7所示。
4 系统软件设计
根据系统实现功能的需求，设计了系统初始化、采集选择、存储、传输等软件驱动。整个系统流程图如图8所示。在程序驱动下，系统各部分完成信号采集、数据保存。
系统部分程序如下：
RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_ADC1， ENABLE）； //使能ADC1时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN；
//模拟输入
ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_ DMAAccessMode_Enabled； //使能DMA模式
ADC_Cmd（ADC1， ENABLE）； //开启A/D转换器
RCC_AHB3PeriphClockCmd（RCC_AHB3Periph_FSMC，ENABLE）； //使能FSMC时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF；
//I/O口复用输出
#define Bank1_SRAM3_ADDR （（u32）（0x68000000））
//初始化外部SRAM
errorstatus=SD_PowerON（）； //SD卡上电
if（errorstatus==SD_OK）
errorstatus=SD_InitializeCards（）； //初始化SD卡
//设置时钟频率，SDIO 时钟计算公式：SDIO_CK时钟=SDIOCLK/[2]；
//其中，SDIOCLK固定为48 MHz
SDIO_Clock_Set（SDIO_TRANSFER_CLK_DIV）
5 试验测试与分析
为验证感应通信采集与存储系统的实际功能，运行该采集感应通信系统信号，并将采集到的信号传输给上位机，实现信号的复现。将复现的信号与示波器采集到的信号进行比对，确定该系统是否能够实现高精度的信号采集。采集电路板如图9所示，实物测量如图10所示。
打开网络调试助手，设置协议类型UDP，服务器端口号为8089。录入发送数据的命令55AA05，将采集数据传输给计算机。实际试验结果如图11所示。
6 结 语
本文针对感应通信系统特性设计了一套信号采集与存储系统。首先，进行了该系统的总体设计，合理配置调理电路元器件，选用STM32F407ZGT6高性能处理器合理设计A/D调理电路，缓存SRAM与SD卡存储电路互相配合，最终实现了信号高精度采集与存储。试验结果表明，该系统用于信号采集结果准确。同时，该系统具有调试方便，灵活可靠的特点，为下一步各型号感应通信系统的信号采集提供了工程借鉴。
参考文献
[1] SAMPLE A P， MEYER D T， SMITH J R. Analysis， experimental results， and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer [J]. IEEE transactions on industrial and electronics， 2011， 58（2）： 544?554.
[2] 王素英.基于非接触式IC卡门禁系统的研究与设计[D].沈阳：东北大学，2008.
[3] GOODMAN Leonard. Enhanced portable inductive artillery fuze setter （EPIAFS） [C]// Proceedings of The 52th Annual Fuze Conference. [S.l.： s.n.]， 2008： 11?16.
[4] 张志.感应装定数据传输技术研究[D].太原：中北大学，2014.
[5] 杜军，李红英，马君，等.间断供能的引信装定数据双向传输方法[J].探测与控制学报，2014，36（1）：80?83.
[6] 李志建，赵晓利，刘秋生，等.引信电磁感应装定校验纠错码研究[J].装备环境工程，2013，10（4）：94?97.
[7] 黄智伟，王兵，朱卫华.STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[8] 黄智伟，李月华.嵌入式系统中的模拟电路设计[M].北京：电子工业出版社，2014.
[9] SHARMA Vibhu， CATTHOOR Francky， DEHAENE Wim. SRAM design for wireless sensor networks [M]. Berlin： Springer， 2013.
[10] 尚鳳军.无线传感器网络通信协议[M].北京：电子工业出版社，2011.
摘 要： 设计了一套感应通信信号采集与存储系统。阐述电磁感应通信基本原理，针对信号特点，明确系统参数，对系统进行总体设计，并对信号调理模块、A/D采集模块、SRAM及SD卡、主控芯片及网络通信模块等进行详尽的分析。系统采用金属线圈感应信号，STM32F407ZGT6微处理器作为主控芯片控制采集与存储，通过RJ45网口将数据转存给上位机。试验结果表明，该采集系统能够有效实现感应通信信号的高保真采集。
關键词： 信号采集； 感应通信； STM32F407ZGT6； 数据传输
中图分类号： TN911.7?34； TP306 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0014?04
Design of signal acquisition and storage system for
electromagnetic induction communication
SUN Xitong， LIU Qiusheng
（The Third Department of Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）
Abstract： A set of signal acquisition and storage system of electromagnetic induction communication was designed. The basic principle of electromagnetic induction communication is described in this paper. For the characteristics of the signal， the system parameters were determined， and the overall design of the system was performed. The signal conditioning module， A/D acquisition module， SRAM， SD card， main control chip and network communication module are analyzed in detail. The metal coil is used in the system to sense the signal. The STM32F407ZGT6 microprocessor is taken as the main control chip to control the signal acquisition and storage. The data is transferred to the host computer via RJ45 network interface. The test result shows that the acquisition system can realize the high?fidelity collection of the inductive communication signal.
Keywords： signal acquisition； inductive communication； STM32F407ZGT6； data transmission
0 引 言
电磁感应通信是一种安全、迅速的无线通信连接技术，具有距离近、带宽高、能耗低等特点，该技术在多领域具有广泛应用。民用上，最为典型的是无线充电[1]及门禁卡通信[2]；军用上，感应通信是制导弹药重要核心支撑技术之一 [3?5]。在弹药发射前，通过信号发射器，将与弹药控制系统相关的多种战场信息传输给弹上接收机，使其获得对发射弹丸的炸点控制甚至弹道控制，实现精确打击，提高弹药作战威力。由于战场环境复杂，通信过程一旦受到干扰或故障，造成通信失败，必然延误战机。因此，发射器的可靠性直接关系着信息化弹药能否发挥正常的毁伤效能。通过对信号的分析，查找到失败原因是实现发射器快速修复的关键。为实现信号分析，研制设计了一款针对该装备特点的信号采集与存储系统。试验验证表明该系统能够实现信号高精度采集与存储。
1 电磁感应通信原理
电磁感应通信是应用电磁感应原理，通过发送线圈和接收线圈的电磁耦合实现能量和信息的非接触传输[6]，其工作原理图如图1所示。
首先进行能量传输。感应信息发送端通过发送线圈发送正弦波，利用电磁、磁电近场感应原理，在接收线圈上形成感应电压。经电路电压变换，得到信息接收端工作所需的电压，给储能电容充电，存储的能量作为后续工作的能源。接着，感应通信发送端输出信号，控制发送线圈驱动电路的运行方式，达到改变发送线圈端电压参数的变化，如幅值、频率或者相位变化；根据电磁感应原理，接收线圈能够感知这种变化，并且体现在其端电压中。电磁感应通信接收端对接收线圈端电压进行处理，将端电压的参数变化转换为数字信号，即得传输信号。
2 系统总体设计
为了实现电磁感应通信信号的分析与质量评估，需要对电磁感应通信系统的传输信号进行采集与存储。电磁感应通信是利用发送线圈与接收线圈间的电磁耦合实现信息传输，在信号传输过程中，线圈自身失谐、外界电磁干扰等都会造成信号波形失真，高精度的采集信号，真实的还原信号波形，刻画出信号畸变细节是该系统首要完成的功能。同时，信号采集与存储系统应当具有结构简单、低功耗、低噪声的特点，以免对采集的信号造成污染。系统结构原理图如图2所示。
根据感应通信信号频率、幅值、通信时间等特点，合理设计系统指标，保证系统高保真、及时完整地采集到通信信号。最终确定的技术指标如下：A/D采样频率不低于1 MHz；A/D采样位数不小于8位；数据存储量不小于1 GB。
3 系统关键硬件设计
3.1 主控芯片
采集存储系统选用STM32F407ZGT6微处理器[7]。STM32F407ZG系列是基于高性能的ARM Cortex?M4的32位RISC内核。其核心功能支持ARM单精度数据处理指令和数据类型的单精度浮点单元。主系统由32位多层AHB总线矩阵构成。在STM32F407ZGT6中有5个重要的时钟源，工作频率可达168 MHz，完全能够满足整个系统的要求。芯片集成FPU和DSP指令，并具有192 KB SRAM，1 024 KB FLASH，2个DMA控制器，采用高速嵌入式存储器，具有提高应用程序安全性的内存保护单元（MPU）。
3.2 模数转换器
该系统所用模数转换器为芯片自带的ADC，STM32F407ZGT6包含3个12位逐次逼近型模拟数字转换器。这些ADC可以独立使用，也可以使用双重/三重模式，最大转换速率为2.4 MHz，也就是转换时间为0.41 μs。感应通信系统信号频率是100 kHz，根据奈奎斯特采样定律，A/D最小采样速率为200 kHz，为保证完整性，工程应用中通常选用6～8倍采样速率，系统A/D实际选用的采样速率为1 MHz。为保证采集信号的精度，配置A/D参考电压是2.5 V，采样位数为12位，采样分辨率达到2.44 mV。为提高CPU使用效率，采用DMA传输方式为A/D与SRAM开辟一条直接传送数据的通路，该方式无需CPU直接控制。
3.3 调理电路
为保护器件不被击穿，实现输入信号满足A/D参考电压范围。选用OPA365运算放大器进行信号调理[8]。實际调理电路图如图3所示。OPA365具有超低失真，极低噪声以及50 MHz增益带宽，在调理电压幅值的过程中有效避免引入其他干扰。经计算，此电路采用的电阻分别为：[R49=1 kΩ，R50=58 kΩ，R56=2.3 kΩ，]电路将信号调理到0～2.5 V范围。实际应用中，可以根据不同工作需求对[R49，R50，R56]的阻值进行适当调整。
3.4 存储电路
存储部分分为SRAM和SD卡两部分。SD卡按扇区模块化存储，SRAM可实现单字节存储。为提高SD利用率，采集数据先经SRAM缓存[9]，再传输给SD卡。
STM32F407ZGT6自带SRAM容量不够，系统选用IS61WV102416BLL芯片作为外部缓存。该芯片是高速、低功耗、1 MB容量的CMOS静态内存芯片。芯片直接接在STM32F407ZGT6的FSMC上，FSMC的BANK1区域3控制IS61WV102416BLL，IS61WV102416BLL原理图如图4所示。A[0：19]接FSMC_A[0：19]，OE接FSMC_NOE，WE接FSMC_NEW，UB接FSMC_NBL1，LB接FSMC_NBL0。
4 GB容量SD卡与STM32F407ZGT6标准接口相连，使用芯片自带的SDIO接口驱动，4位模式，最高通信速度可达48 MHz，最高每秒可传输数据24 MB，适合高速存储。本系统设置PLL48CK为48 MHz，用于驱动SDIO适配器，并用于产生SDIO_CK时钟，根据公式：
[SDIO_CK=SDIOCLK2+CLKDIV]
适当调整SDIO_CK时钟值为24 MHz，APB2总线接口时钟为84 MHz。SD卡接线图如图5所示。
3.5 通信电路
STM32F407芯片自带以太网模块[10]，该模块包括带专用DMA控制器的MAC 802.3（介质访问控制）控制器，自带一个用于外部PHY通信的SMI接口。外部PHY芯片通过MII/RMII接口与STM32F4内部MAC连接，通过SMI接口配置外部以太网PHY芯片。
采集与存储系统使用LAN8720A作为PHY芯片，芯片原理图如图6所示。
该芯片支持通过RMII接口与以太网MAC层通信，内置10?BASE?T/100BASE?TX全双工传输模块，支持10 Mb/s和100 Mb/s。配置PHYAD0引脚浮空，即设置LAN8720地址为0。nINT/REFCLKO引脚接下拉电阻，作为参考时钟输出，LAN8720A外接25 MHz石英晶振，通过内部倍频到50 MHz，通过REFCLKO引脚输出50 MHz参考时钟给MAC控制器。LED1引脚接下拉电阻，开启内部1.2 V稳压器。
RJ45网络接口选用HR911105A与计算机相连，实现SD卡中数据高速传输给上位机，原理图如图7所示。
4 系统软件设计
根据系统实现功能的需求，设计了系统初始化、采集选择、存储、传输等软件驱动。整个系统流程图如图8所示。在程序驱动下，系统各部分完成信号采集、数据保存。
系统部分程序如下：
RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_ADC1， ENABLE）； //使能ADC1时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN；
//模拟输入
ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_ DMAAccessMode_Enabled； //使能DMA模式
ADC_Cmd（ADC1， ENABLE）； //开启A/D转换器
RCC_AHB3PeriphClockCmd（RCC_AHB3Periph_FSMC，ENABLE）； //使能FSMC时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF；
//I/O口复用输出
#define Bank1_SRAM3_ADDR （（u32）（0x68000000））
//初始化外部SRAM
errorstatus=SD_PowerON（）； //SD卡上电
if（errorstatus==SD_OK）
errorstatus=SD_InitializeCards（）； //初始化SD卡
//设置时钟频率，SDIO 时钟计算公式：SDIO_CK时钟=SDIOCLK/[2]；
//其中，SDIOCLK固定为48 MHz
SDIO_Clock_Set（SDIO_TRANSFER_CLK_DIV）
5 试验测试与分析
为验证感应通信采集与存储系统的实际功能，运行该采集感应通信系统信号，并将采集到的信号传输给上位机，实现信号的复现。将复现的信号与示波器采集到的信号进行比对，确定该系统是否能够实现高精度的信号采集。采集电路板如图9所示，实物测量如图10所示。
打开网络调试助手，设置协议类型UDP，服务器端口号为8089。录入发送数据的命令55AA05，将采集数据传输给计算机。实际试验结果如图11所示。
6 结 语
本文针对感应通信系统特性设计了一套信号采集与存储系统。首先，进行了该系统的总体设计，合理配置调理电路元器件，选用STM32F407ZGT6高性能处理器合理设计A/D调理电路，缓存SRAM与SD卡存储电路互相配合，最终实现了信号高精度采集与存储。试验结果表明，该系统用于信号采集结果准确。同时，该系统具有调试方便，灵活可靠的特点，为下一步各型号感应通信系统的信号采集提供了工程借鉴。
参考文献
[1] SAMPLE A P， MEYER D T， SMITH J R. Analysis， experimental results， and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer [J]. IEEE transactions on industrial and electronics， 2011， 58（2）： 544?554.
[2] 王素英.基于非接触式IC卡门禁系统的研究与设计[D].沈阳：东北大学，2008.
[3] GOODMAN Leonard. Enhanced portable inductive artillery fuze setter （EPIAFS） [C]// Proceedings of The 52th Annual Fuze Conference. [S.l.： s.n.]， 2008： 11?16.
[4] 张志.感应装定数据传输技术研究[D].太原：中北大学，2014.
[5] 杜军，李红英，马君，等.间断供能的引信装定数据双向传输方法[J].探测与控制学报，2014，36（1）：80?83.
[6] 李志建，赵晓利，刘秋生，等.引信电磁感应装定校验纠错码研究[J].装备环境工程，2013，10（4）：94?97.
[7] 黄智伟，王兵，朱卫华.STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.
[8] 黄智伟，李月华.嵌入式系统中的模拟电路设计[M].北京：电子工业出版社，2014.
[9] SHARMA Vibhu， CATTHOOR Francky， DEHAENE Wim. SRAM design for wireless sensor networks [M]. Berlin： Springer， 2013.
[10] 尚鳳军.无线传感器网络通信协议[M].北京：电子工业出版社，2011.
