基于STM32和FPGA的遠(yuǎn)程寬帶幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)

謝桂輝 鄭旭初 趙天明 劉子緒 趙娟

摘 ?要： 介紹一種基于STM32與FPGA雙控制核心的遠(yuǎn)程寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的幅頻特性測(cè)試裝置。該裝置采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9959產(chǎn)生頻率和幅度均可控的正弦信號(hào)，并將其發(fā)送至待測(cè)網(wǎng)絡(luò)。接收端對(duì)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)進(jìn)行可變?cè)鲆娣糯蠛颓凡蓸訑?shù)字峰值檢測(cè)后，將幅頻信息通過(guò)WiFi模塊無(wú)線傳輸至上位機(jī)進(jìn)行幅頻特性曲線的顯示。該裝置具有500 kHz～100 MHz的寬帶掃頻范圍，52 dB的大動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度可達(dá)100 μV，支持多節(jié)點(diǎn)測(cè)試。由于采用了欠采樣技術(shù)，該系統(tǒng)不需要高速ADC即可完成寬帶信號(hào)采樣，具有成本低、易維護(hù)等特點(diǎn)，可滿足分布式測(cè)量、野外作業(yè)等特殊場(chǎng)景下的幅頻特性測(cè)試需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試; 寬帶掃頻; 動(dòng)態(tài)范圍; 欠采樣; STM32; FPGA

中圖分類(lèi)號(hào)： TN06?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）09?0132?05

A long?range wide?band amplitude?frequency characteristics test system

based on STM32 and FPGA

XIE Guihui1， 2， ZHENG Xuchu3， ZHAO Tianming3， LIU Zixu3， ZHAO Juan1， 2

（1. School of Automation， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China;

2. Hubei Key Laboratory of Advanced Control and Intelligent Automation for Complex Systems， Wuhan 430074， China;

3. School of Mechanical Engineering and Electronic Information， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract： A long?range amplitude?frequency characteristics test device based on STM32 and FPGA is introduced in this paper. The device generates a sinusoidal signal with controllable frequency and amplitude by means of direct digital frequency synthesis chip AD9959， and then sends the signal to the network under test. The variable gain amplification and undersampling digital peak detection are carried out for the output signal of the network under test in the receiving end， and then the amplitude?frequency messages are sent to the host computer through the WiFi module for display of amplitude?frequency characteristics curve. The device has the wide?band sweep frequency range of 500 kHz～100 MHz， amplitude dynamic range of 52 dB， voltage sensitivity highest to 100 μV， and supports multi?node test. The proposed system using undersampling technology can complete the wide?band signal sampling without high?speed ADC， has the characteristics of low cost and easy maintenance， can meet the demand of amplitude?frequency characteristics testing in some unique scenes such as distributed measurement or field operation， and has broad application prospect.

Keywords： long?range amplitude?frequency characteristics test; wide?band sweep frequency; dynamic range; undersampling; STM32; FPGA

0 ?引 ?言

幅頻特性測(cè)試裝置是一種專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量電子設(shè)備或產(chǎn)品中特定電路頻率特性的儀器，常用于濾波器網(wǎng)絡(luò)、放大器網(wǎng)絡(luò)等電路的測(cè)量與驗(yàn)證。其降低了測(cè)量操作的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了快速、方便、準(zhǔn)確、直觀的測(cè)量過(guò)程。

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的掃頻儀大多價(jià)格高昂、操作繁瑣、體積較大且不具有無(wú)線傳輸能力，具有不便攜帶、難以應(yīng)用于野外環(huán)境的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款低成本、可測(cè)試頻率覆蓋500 kHz～100 MHz、可測(cè)試幅度最低達(dá)100 μV的便攜式遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試裝置，適用于野外環(huán)境等場(chǎng)景測(cè)試。

1 ?系統(tǒng)方案論證

本儀器以STM32為控制核心、FPGA作為數(shù)據(jù)采集核心、ESP8266為WiFi傳輸核心，主要由信號(hào)源模塊、自動(dòng)增益控制模塊、幅度檢測(cè)模塊和WiFi模塊組成。采用DDS芯片AD9959產(chǎn)生正弦掃頻電流信號(hào)經(jīng)[I/V]轉(zhuǎn)換電路處理后輸出，作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)信號(hào)。設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯箅娐穼?duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)放大，調(diào)整為合適的幅度供ADC采樣，由高速ADC采集后輸入至FPGA測(cè)幅，將測(cè)得的幅度信息與源信號(hào)的頻率信息送入STM32分析，結(jié)果通過(guò)WiFi上傳至上位機(jī)，生成待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量待測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性的功能。單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖和多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)框圖如圖1，圖2所示。

圖1 ?單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

圖2 ?多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)框圖

2 ?系統(tǒng)功能硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ?信號(hào)源模塊

信號(hào)源模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生測(cè)試所需源信號(hào)。該模塊由集成DDS芯片AD9958和[I/V]轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。模塊由單獨(dú)的STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，與幅頻特性測(cè)試模塊分離，模塊具有生成500 kHz～100 MHz的超寬帶掃頻信號(hào)的能力。

AD9958輸出信號(hào)的峰峰值受10位幅度控制字控制，AD9958的輸出信號(hào)峰峰值范圍為0～500 mV：

[Vout=RDW210×500 ?mV] （1）

式中：[Vout]為輸出信號(hào)幅度;RDW為頻率控制字。由式（1）知，其幅度精度為0.5 mV。

AD9958的輸出為電流量，通過(guò)外部[I/V]轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，輸出電壓信號(hào)。

2.2 ?增益控制模塊

增益控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理以便于ADC采樣。該模塊由前級(jí)固定增益電路、中間級(jí)壓控增益電路和末級(jí)固定增益電路構(gòu)成。

前級(jí)固定增益電路采用高速電流反饋運(yùn)算放大器AD8009。該芯片的小信號(hào)帶寬達(dá)350 MHz，在130 MHz以下具有0.1 dB的增益平坦度。設(shè)計(jì)本級(jí)固定增益為12 dB，輸入信號(hào)頻率最大值為100 MHz。

中間級(jí)壓控增益電路采用兩級(jí)壓控放大器VCA821。該芯片的增益可根據(jù)控制電壓[VG]調(diào)節(jié)帶寬達(dá)320 MHz，在135 MHz以下具有0.1 dB的增益平坦度，單片增益可調(diào)范圍大于40 dB。為避免放大倍數(shù)過(guò)大引起芯片自激振蕩，設(shè)計(jì)本級(jí)的增益范圍為0～52 dB，輸入信號(hào)頻率最大值為100 MHz，增益可根據(jù)控制電壓連續(xù)調(diào)節(jié)。

末級(jí)固定增益電路采用AD8009。本級(jí)主要考慮芯片壓擺率是否達(dá)標(biāo)，芯片壓擺率達(dá)5 500 [Vμs]，允許的最高輸出信號(hào)峰峰值為17.5 V。

設(shè)計(jì)本級(jí)固定增益為12 dB，輸出信號(hào)的最大幅度峰峰值為4 V，最高頻率為100 MHz。AD8009符合設(shè)計(jì)要求。

本模塊設(shè)計(jì)四級(jí)增益范圍共24～76 dB，級(jí)間阻抗匹配衰減24 dB，最終增益范圍為0～52 dB，電路圖如圖3～圖5所示。

圖3 ?前級(jí)固定增益電路圖

圖4 ?末級(jí)固定增益電路圖

2.3 ?幅度測(cè)試模塊

幅度測(cè)試模塊負(fù)責(zé)采集經(jīng)增益控制模塊處理后的信號(hào)幅度。該模塊由獨(dú)立于信號(hào)源模塊的STM32單片機(jī)控制，采用FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS805測(cè)幅，ADS805具有12位有效位，即幅度采樣精度可達(dá)[5 ?V212≈1.22] mV，能夠較準(zhǔn)確地檢測(cè)幅值信息。電路圖如圖6所示。

圖6 ?幅度檢測(cè)電路

FPGA采樣完成后進(jìn)行峰值檢波，并將幅度信息發(fā)送到STM32，由STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝和打包，最后上傳到WiFi模塊完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 ?WiFi模塊

該模塊采用ESP8266無(wú)線模塊制作。ESP8266系列芯片集成度高、功耗低、成本低、體積小，非常適用于便攜式設(shè)備中無(wú)線控制領(lǐng)域的應(yīng)用。該模塊內(nèi)部具有32位MCU處理功能，可獨(dú)立于單片機(jī)之外工作。ESP8266模塊帶有斷電寄存器E2ROOM，能夠在突然掉電的情況下實(shí)時(shí)保留斷電前的狀態(tài)，再次上電時(shí)，數(shù)值不變。ESP8266收發(fā)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，傳輸波特率可達(dá)115 200 b/s。ESP8266的供電電壓為3.3 V，可利用單片機(jī)的3.3 V引腳進(jìn)行供電，電壓穩(wěn)定。

ESP8266支持AT指令方式進(jìn)行配置，選擇UDP透?jìng)鞯呐渲梅绞?。在該種方式下，ESP8266模塊Rx引腳接收到的輸出將會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)至UDP透?jìng)鹘壎ǖ腎P端口，配置ESP8266在上電后立刻連接路由器并綁定上位機(jī)的IP端口，上位機(jī)端使用UDP調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)與預(yù)設(shè)條件匹配的數(shù)據(jù)包，則繪制幅頻特性曲線。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分包括主控程序、欠采樣測(cè)幅程序、ESP8266配置程序。其中，主控程序在STM32中執(zhí)行，負(fù)責(zé)完成壓控增益運(yùn)放的控制電壓調(diào)節(jié)、集成DDS芯片的配置、幅度測(cè)量數(shù)據(jù)的處理等。欠采樣測(cè)幅程序在FPGA中完成，主要實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)的精確測(cè)幅。上位機(jī)程序負(fù)責(zé)處理WiFi模塊上傳的數(shù)據(jù)，程序運(yùn)行流暢，界面友好。各程序遵循結(jié)構(gòu)化、層次化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)軟件得以有條不紊地運(yùn)行。

3.1 ?主控程序

主控程序分為兩個(gè)單元：主控單元一負(fù)責(zé)配置信號(hào)源模塊和調(diào)節(jié)增益控制電壓;主控單元二負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理。

主控單元一作為主動(dòng)發(fā)送方，上電后首先初始化，然后進(jìn)入等待遙控指令狀態(tài)。收到遙控指令時(shí)，控制器對(duì)相應(yīng)情況作出反應(yīng)，主要包括信號(hào)源模塊控制和增益模塊控制電壓調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)采用的主要思路是：主函數(shù)執(zhí)行遙控按鍵檢測(cè)命令，并根據(jù)不同的按鍵命令調(diào)用不同的函數(shù)作出相應(yīng)處理，最后返回主函數(shù)繼續(xù)等待命令。程序流程圖如圖7所示。

主控單元二作為數(shù)據(jù)被動(dòng)接收方，其主要功能是處理采集到的幅度數(shù)據(jù)和配置WiFi模塊。上電后首先初始化并配置WiFi模塊，然后串口接收并處理FPGA發(fā)送的幅度信息，識(shí)別對(duì)應(yīng)頻率，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至WiFi模塊。程序流程圖如圖8所示。

圖7 ?STM32主控單元一程序流程圖

圖8 ?STM32主控單元二程序流程圖

3.2 ?欠采樣程序

系統(tǒng)采用欠采樣測(cè)量信號(hào)幅度。欠采樣可實(shí)現(xiàn)以低采樣率檢測(cè)高頻率信號(hào)的工作，故其能夠明顯降低對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片采樣率的要求。為提高欠采樣測(cè)幅的精確度，解決僅采用單頻欠采樣面臨的難以測(cè)量采樣頻率整數(shù)倍信號(hào)的難題，本系統(tǒng)使用多個(gè)不成倍數(shù)關(guān)系的采樣頻率進(jìn)行欠采樣。當(dāng)待測(cè)頻率不為多個(gè)采樣頻率的公倍數(shù)時(shí)可以正確檢測(cè)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)多個(gè)采樣頻率值，可以近似地看作對(duì)于全頻段具有采樣能力。欠采樣程序流程圖如圖9所示。

3.3 ?ESP8266配置程序

ESP8266支持三種模式，分別是softAP模式、station模式、softAP+station模式。本系統(tǒng)將ESP8266配置為station模式，作為節(jié)點(diǎn)與路由器進(jìn)行通信。

圖9 ?欠采樣程序流程圖

程序首先對(duì)STM32串口進(jìn)行初始化，之后STM32通過(guò)串口通信完成對(duì)ESP8266模塊的初始化配置，使ESP8266工作在station模式，并綁定WiFi連接。對(duì)ESP8266配置的初始化過(guò)程多使用AT命令，常用的AT命令有：AT+CWIAP列出當(dāng)前可加入網(wǎng)絡(luò)、AT+CWJAP加入AP、AT+CWDHCP設(shè)置DHCP開(kāi)關(guān)、AT+CWAVTOCONN在station模式下設(shè)置開(kāi)機(jī)自動(dòng)連接WiFi等。ESP8266與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸模式配置為UDP透?jìng)?，UDP稱(chēng)為用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，不需要數(shù)據(jù)接收方的回應(yīng)，也不進(jìn)行數(shù)據(jù)保留，即兩個(gè)端口之間不建立連接，相較于TCP/IP協(xié)議，UDP協(xié)議的實(shí)時(shí)性更高、速度更快、更為簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，使其更適用于對(duì)實(shí)時(shí)傳輸有較高要求的幅頻特性測(cè)試。

4 ?測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

4.1 ?信號(hào)源模塊輸出測(cè)試

測(cè)試條件：負(fù)載600 Ω。

測(cè)試方法：在輸出峰峰值范圍內(nèi)選擇5 mV/10 mV/20 mV/50 mV/100 mV作為典型值進(jìn)行測(cè)試。記錄其在不同頻率條件下的實(shí)際輸出峰峰值，觀察信號(hào)源的實(shí)際輸出峰峰值、頻率范圍，如表1所示。

表1 ?信號(hào)源模塊輸出測(cè)試表

結(jié)果分析：信號(hào)源模塊滿足輸出信號(hào)峰峰值范圍5 mV～100 mV、頻率范圍500 kHz～100 MHz的要求，頻率支持100 kHz、1 MHz兩檔步進(jìn)，頻帶內(nèi)起伏較小。

4.2 ?增益控制模塊輸出測(cè)試

測(cè)試條件：使用自制信號(hào)源測(cè)試。

測(cè)試方法：設(shè)定固定的增益控制電壓，改變信號(hào)源的輸出峰峰值和頻率，記錄放大網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出峰峰值，如表2所示。

表2 ?增益控制模塊輸出測(cè)試表

結(jié)果分析：放大網(wǎng)絡(luò)模塊通頻帶較預(yù)期值誤差小于9‰，增益可調(diào)范圍滿足0～52 dB連續(xù)可調(diào)，輸出波形未發(fā)生明顯失真。

4.3 ?系統(tǒng)總體測(cè)試

測(cè)試條件：使用自制信號(hào)源模塊、無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò)、WiFi模塊進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法：?jiǎn)?dòng)信號(hào)源模塊的掃頻功能，將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊上傳至上位機(jī)，由UDP調(diào)試助手顯示幅頻特性曲線。

測(cè)試結(jié)果：能夠在上位機(jī)上顯示被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

結(jié)果分析：幅頻特性曲線趨勢(shì)正確，曲線較為平滑。如圖10所示。

圖10 ?上位機(jī)程序結(jié)果圖

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)寬帶遠(yuǎn)程幅頻特性測(cè)試儀，該測(cè)試儀具有500 kHz～100 MHz的帶寬、52 dB的動(dòng)態(tài)范圍，最低輸入信號(hào)幅度峰峰值低至100 μV?？蛇h(yuǎn)程測(cè)試，支持多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，同時(shí)本文利用雙頻峰值采樣，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻寬帶信號(hào)的低成本精確采樣，大大降低了硬件成本。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐文.基于WiFi與Android的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

XU Wen. Design of intelligent home monitoring system based on WiFi and Android [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017.

[2] 陳祥.基于WiFi與移動(dòng)智能終端的室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2017.

CHEN Xiang. Research on indoor positioning technology based on WiFi and mobile intelligent terminal [D]. Harbin： Harbin University of Science and Technology， 2017.

[3] 甘國(guó)妹，梁榮才.增益可控射頻放大器設(shè)計(jì)方案的分析[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（5）：37?41.

GAN Guomei， LIANG Rongcai. Analysis of gain controllable RF amplifier design scheme [J]. Journal of Yulin Normal University， 2016（5）： 37?41.

[4] ?陳聰聰，席澤敏，張文成，等.基于STM32的低頻數(shù)字頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程，2016（12）：145?150.

CHEN Congcong， XI Zemin， ZHANG Wencheng， et al. Design of digital frequency characteristics tester based on STM32 [J]. Ship electronic engineering， 2016（12）： 145?150.

[5] 國(guó)成哲，王中訓(xùn)，王文奇，等.頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017（11）：102?106.

GUO Chengzhe， WANG Zhongxun， WANG Wenqi， et al. Design of the frequency characteristic instrument [J]. Electronic design engineering， 2017（11）： 102?106.

[6] 李曉陽(yáng).WiFi技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J].信息技術(shù)，2012（2）：196? 198.

LI Xiaoyang. WiFi technology and its application and development [J]. Information technology， 2012（2）： 196?198

[7] 曹振民，陳年生，馬強(qiáng)，等.基于ESP8266的無(wú)線控制電路設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017（1）：68?69.

CAO Zhenmin， CHEN Niansheng， MA Qiang， et al. Design of wireless control circuit based on ESP8266 [J]. Industrial control computer， 2017（1）： 68?69.

[8] 屈良潘，唐曼玲，劉靜，等.基于ESP8266的LED燈無(wú)線遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)[J].電子世界，2017（9）：179?181.

QU Liangpan， TANG Manling， LIU Jing， et al. Design of wireless remote control based on ESP8266 [J]. Electronics world， 2017（9）： 179?181.

[9] 侯老二，龍歡.基于ESP8266?01的無(wú)線溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)，2017（3）：5?10.

HOU Laoer， LONG Huan. Design of the wireless system in temperature and humidity based on ESP8266?01 [J]. Instrumentation analysis monitoring， 2017（3）： 5?10.

[10] 范興隆.ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新器件新技術(shù)，2016（9）：52?56.

FAN Xinglong. Application of ESP8266 in intelligent home monitoring system [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2016（9）： 52?56.