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基于STM32和FPGA的射频数据采集系统设计流程

article 2024/9/28 15:00:19

一、项目概述

高速采集射频（RF）信号是一个关键的需求。本文旨在设计一种基于STM32和FPGA的射频数据采集系统，以实现对接收到的射频信号的高精度和高速度的处理。该系统适用于无线通信、信号分析、雷达系统等应用场景。

技术栈关键词：STM32、FPGA、高速ADC、DMA、SPI、USB、信号调理、数据采集

二、系统架构

1. 系统架构设计

系统架构由多个主要组件组成，包括天线、信号调理电路、高速ADC、FPGA、STM32以及USB接口。每个组件在数据采集和处理过程中扮演着重要角色。

2. 主要组件

STM32：作为主控单元，负责数据处理和USB通信。
FPGA：用于信号处理和高速数据传输，提供并行处理能力。
高速ADC：将模拟射频信号转换为数字信号，确保高采样率。
信号调理电路：用于对接收到的射频信号进行放大和滤波。
USB接口：用于将处理后的数据传输到计算机。

3. 选择的通信协议与传感器

SPI：采用串行外设接口（SPI）进行STM32与FPGA之间的通信，利用DMA技术确保高速数据传输。
USB：用于与计算机的通信，数据传输速度高，适合实时数据处理。

4. 系统架构图

三、环境搭建和注意事项

1. 开发环境

硬件：STM32开发板、FPGA开发板、高速ADC模块、信号调理电路、USB接口模块
软件：Keil MDK、Vivado、STM32CubeMX、Python（用于数据处理）

2. 注意事项

确保电源稳定，以避免对ADC和FPGA的影响。
在设计信号调理电路时，注意输入信号的范围，避免过载。
调试时应监测信号链路的每个环节，以确保数据的完整性。

四、代码实现过程

在本节中，我们将详细介绍基于STM32和FPGA的射频数据采集系统的代码实现过程。我们将分模块进行讲解，重点关注如何通过STM32和FPGA实现高速数据处理。

1. 功能模块设计

系统的功能模块包括数据采集、数据处理和数据传输。以下是每个模块的详细实现。

1.1 数据采集模块

数据采集模块主要负责从高速ADC读取射频信号并将其传输到FPGA进行后续处理。我们使用DMA（直接存储器访问）来实现高速数据采集，减轻STM32的CPU负担。

流程图：

代码示例：

#include "stm32f4xx_hal.h"

ADC_HandleTypeDef hadc1;
DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;

// ADC配置函数
void ADC_Config(void) {
    // ADC初始化代码
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
}

// DMA配置函数
void DMA_Config(void) {
    // DMA初始化代码
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();
    hdma_adc1.Instance = DMA2_Stream0;
    hdma_adc1.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;
    hdma_adc1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_adc1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_adc1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;
    hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;
    hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; // 循环模式
    hdma_adc1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
    HAL_DMA_Init(&hdma_adc1);
    __HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc1);
}

// 启动ADC和DMA
void Start_ADC_DMA(void) {
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adcBuffer, ADC_BUFFER_SIZE);
}

代码说明：
- ADC_Config()：配置ADC的分辨率、扫描模式和数据对齐方式。
- DMA_Config()：配置DMA的通道、方向、优先级等参数，并将DMA与ADC关联。
- Start_ADC_DMA()：启动ADC并进入DMA传输模式，ADC采样的数据将存储在adcBuffer中。

1.2 数据处理模块

数据处理模块负责将从ADC中获得的数据进行处理。FPGA用于高速数据处理，STM32主要负责数据的接收与管理。

流程图：

代码示例：

#include "spi.h"

uint32_t adcBuffer[ADC_BUFFER_SIZE]; // ADC数据缓冲区

void Process_ADC_Data(void) {
    for (int i = 0; i < ADC_BUFFER_SIZE; i++) {
        // 数据处理逻辑，例如滤波
        uint32_t processedData = Filter(adcBuffer[i]);
        
        // 发送处理后的数据到FPGA
        SPI_Transmit(processedData);
    }
}

// 模拟滤波函数
uint32_t Filter(uint32_t data) {
    // 简单的平均滤波
    static uint32_t lastValue = 0;
    return (lastValue + data) / 2;
}

代码说明：
- Process_ADC_Data()：循环遍历ADC缓冲区中的数据，调用Filter()函数进行数据处理，并通过SPI将处理后的数据传输到FPGA。
- Filter()：实现了一个简单的平均滤波，用于平滑ADC采集到的信号。

1.3 数据传输模块

数据传输模块主要负责将来自STM32的数据通过USB接口发送到计算机。我们将使用USB CDC（通信设备类）作为传输协议，以实现数据的实时传输。

代码示例：

#include "usbd_cdc_if.h"

void USB_Transmit(uint8_t* data, uint16_t length) {
    // 通过USB发送数据
    CDC_Transmit_FS(data, length);
}

void Send_Processed_Data(uint32_t processedData) {
    // 准备数据并发送
    uint8_t buffer[4]; // 假设数据为32位
    buffer[0] = (processedData >> 24) & 0xFF;
    buffer[1] = (processedData >> 16) & 0xFF;
    buffer[2] = (processedData >> 8) & 0xFF;
    buffer[3] = processedData & 0xFF;
    
    USB_Transmit(buffer, sizeof(buffer));
}

代码说明：
- USB_Transmit()：使用USB CDC接口向计算机发送数据。
- Send_Processed_Data()：将处理后的数据转换为字节格式，并调用USB_Transmit()将数据通过USB发送到计算机。

2. 总体代码逻辑

结合以上各个模块，我们的主程序流程如下：

int main(void) {
    // 初始化系统
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    // 配置ADC和DMA
    ADC_Config();
    DMA_Config();
    
    // 启动DMA模式下的ADC
    Start_ADC_DMA();
    
    while (1) {
        // 主循环中处理数据
        if (dataReady) { // 假设有一个机制标记数据准备好
            Process_ADC_Data(); // 处理数据
            dataReady = 0; // 清除标记
        }
    }
}

// DMA回调函数
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
    if (hadc->Instance == ADC1) {
        dataReady = 1; // 数据准备好标记
    }
}

代码说明：
- main()：初始化系统，配置ADC和DMA，启动DMA模式下的ADC。在主循环中检查数据是否准备好，并调用数据处理函数。
- HAL_ADC_ConvCpltCallback()：DMA转换完成的回调函数，当ADC完成数据转换时，设置dataReady标志。

3. FPAG与STM32的高速度数据处理

在该系统中，STM32与FPGA之间的高速通信通过SPI协议实现，利用DMA技术可以在不占用CPU资源的情况下实现数据的快速传输。FPGA负责执行复杂的信号处理任务，如FFT（快速傅里叶变换）、滤波等，而STM32则集中处理数据管理与传输。

3.1 SPI通信实现

在FPGA中，我们实现了SPI接口来接收来自STM32的数据。以下是FPGA部分的伪代码示例：

module SPI_Interface (
    input wire clk,
    input wire mosi,
    input wire sclk,
    input wire cs,
    output reg [31:0] received_data,
    output reg data_ready
);
    // SPI接收逻辑
    always @(posedge sclk) begin
        if (!cs) begin // 当片选信号有效时
            // 接收32位数据
            received_data <= {received_data[30:0], mosi};
            data_ready <= 1;
        end
    end
endmodule