基于STM32F407的高速峰值检测方法

魏烈祥，汪天照，张晶，廖辉，秦家宝

（湖北方圆环保科技有限公司，湖北武汉，430074）

模拟信号峰值检测在仪器仪表和工业检测中应用非常普遍，如放射性粒子检测、光谱分析和机械受损峰值压力等。常规方法采用高速AD+FPGA实现，技术要求高、价格比较昂贵。为此介绍一种基于STM32F407的低成本高速模拟信号峰值检测方法，通过三重ADC交替采样，利用DMA将实时采样数据传送到环形队列存放；动态设置STM32F407内置模拟看门狗上下限阈值；截取有效峰值信号并进行滤波和寻峰处理。通过此方法，AD采样率高达8.4MHz, 可以实时高速采样有效的模拟峰值信号，实现模拟信号的峰值检测。

1 基本原理

传感器输出的模拟信号经过前置放大、S–K滤波、高斯成形和调理，送入STM32F407内部A/D通道进行采样、滤波和寻峰处理,如图1所示。

图1 电路框图

STM32F407是ST（意法半导体）基于ARMCortex™–M4为内核的高性能微控制器，所使用的ART技术使得程序零等待执行，程序执行的效率非常高。集成了单周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮点单元），提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。

STM32F407自带多通道、三路ADC控制器，每路ADC具有DMA功能，ADC转换精度为12位，其中三路ADC控制器可以实现对同一通道的信号进行交替采样，实现对一个模拟通道信号的高速数据采集。每路ADC最大的采样率达到了2.8M，三路ADC在规则组模式下交替采样最快可以达到8.4M的采样率。模拟看门狗可以实时监控ADC通道模拟信号是否在设定的上下限阈值范围内[1]。

■1.1 多重ADC工作原理

在规则组模式下，三重交替ADC工作原理如图2所示。三路ADC：ADC1、ADC2和ADC3在规则组模式下交替转换，每一路ADC最小采样时间（Sampling time）为3个ADC时钟周期，AD转换时间（Conversion time ）最小12个ADC时钟周期。两路ADC之间最小间隔（Delay between sampling start of 2 ADC）5个ADC时钟周期。采用STM32F407三重ADC交替采样技术对同一模拟通道数据采集只需要5个ADC时钟周期，最快采样时间不到120ns，最高采样率可达8.4MHz。

图2 三重交替ADC原理框图

■1.2 模拟看门狗阈值设置

STM32F407内模拟看门狗可以通过设置上下限阈值，HTR寄存器设置上限阈值，LTR寄存器设置下限阈值，实时监控ADC模拟输入信号的幅度是否异常。

模拟看门狗实时监控模拟输入信号，当模拟信号高于上限阈值HTR 或小于下限阈值LTR 时，会引发模拟看门狗中断。

本方法的基本思路是：STM32F407的ADC工作在三重ADC交替工作模式，三路ADC对同一通道模拟信号连续、实时采样，ADC转换后的数据通过DMA方式存储到环形存储队列AdBuあer中。模拟看门狗实时监控该通道的模拟信号，通过动态设置上下限阈值，在环形队列AdBuあer中提取上升沿（信号大于Vthreshold），下降沿（信号小于Vmin）信号波峰区域的数据序列，如图3所示。剔除波峰宽度过大和过小的波峰信号（即t1–t0过大或过小），对有效模拟信号波峰数据（t0到t1之间AD转换数据）寻峰处理求出tp时刻峰值Vpp的数据并保存[2]。

图3 模拟信号峰值波形图

2 软件设计

本方法软件主要包括ADC和DMA初始化、模拟看门狗中断程序和寻峰程序。

图4 DMA存储环形队列AdBuffer

■2.1 初始化程序

设置ADC采用DMA的通道，数据从三重模式的 ADC通用规则数据寄存器（ADC–>CDR)传输到内存（环形队列AdBuあer）。每次传输的大小为半字（16位）,用于存放12位AD转换数据，内存大小为M个半字。使用DMA循环传输模式[3]。

模拟输入信号接入到三路ADC的模拟通道，每路ADC连续对模拟通道采样转换，转换结束立即启动DMA，将转换结果数据传输到环形队列AdBuあer保存。三重ADC交替采样，在时间上采样顺序为ADC1、ADC2、ADC3、ADC1…。模拟看门狗实时监控三路ADC模拟通道的信号，设置上下限阈值，启动模拟看门狗中断[4]。

下面是部分初始化程序：

■2.2 模拟看门狗中断、滤波及寻峰程序

模拟看门狗中断程序功能是检测模拟信号波峰的上升沿和下降沿，在下降沿时对有效模拟信号的波峰数据脉宽滤波及寻峰处理。如图5所示，模拟看门狗实时监控模拟信号，在检测模拟信号波峰的上升沿时，将模拟看门狗的上限阈值设为Vthreshold，下限阈值设为0，当模拟信号大于Vthreshold时会产生模拟看门狗中断，表示收到模拟信号的上升沿信号，处理上升沿程序；在检测模拟信号波峰的下降沿时，将模拟看门狗的上限阈值设为满刻度，下降沿设为Vmin，当模拟信号小于Vmin（即下降沿）时会产生模拟看门狗中断，表示收到模拟信号的下降沿信号，处理下降沿程序[5]。

具体流程：进入模拟看门狗中断程序后，首先判断当前中断是上升沿中断还是下降沿中断。如图3、图4所示，如果是上升沿中断，保存该时刻（t0时刻）的DMA计数器NDTR在环形队列中的位置Addr0，并且重新设置模拟看门狗的阈值为检测下降沿的阈值，表示已监测到脉冲信号的上升沿，下次需要监测脉冲信号的下降沿，退出模拟看门狗中断；如果是下降沿中断，表示已监测到脉冲信号的下降沿，开始对监测到的脉冲上升沿至下降沿之间的波形数据进行脉宽滤波、最大值寻峰处理。具体过程：记下此时刻（t1时刻）的DMA计数器NDTR在环形队列中的位置Addr1，将环形队列AdBuあer中上升沿的位置Addr0和下降沿的位置Addr1中的采样数据AdBuあer[Addr0]~ AdBuあer[Addr1]复制到缓冲区WaveBuあer中，由于ADC工作在三重ADC交替DMA工作模式，对信号的采样是连续、实时采样的，每个采样数据的AD转换时间都是一样的，因此可以通过波形上升沿t0时刻在循环队列的采样数据AdBuあer[Addr0]和下降沿t1时刻在循环队列的采样数据AdBuあer[Addr1]之间在循环队列AdBuあer中一共采样了多少个数据乘以ADC转换时间来计算上升沿和下降沿之间的时间间隔，即检测到的信号波峰脉宽t，比较t与有效信号的脉宽时间范围，当t不在有效信号的脉宽时间范围内时，信号为干扰信号，过滤掉脉宽过宽或过窄的信号，退出中断程序，不作寻峰处理；否则在缓冲区WaveBuあer的数据中寻找最大值，也就是寻峰处理，寻出的最大值即为峰值数据（tp时刻波峰Vpp的采样数据）。此时信号检测完毕，需要监测下一个脉冲信号，重新设置模拟看门狗的阈值为检测上升沿的阈值，退出模拟看门狗中断。图6和图7是模拟看门狗中断服务程序流程图和寻峰处理流程图。

图6

图7

3 结束语

本文利用STM32F407微控制器芯片的特点，采用其带有规则组交替转换的三路ADC对模拟信号采样，将ADC采样率提高了两倍，利用DMA技术，实时保存采样数据，同时结合模拟看门狗对模拟信号的实时监控，巧妙的提取信号的上升沿和下降沿，截取峰数据序列，实现模拟信号的峰值检测，摒弃了传统的脉冲幅度甄别电路、阈值调节电路和脉冲峰值保持电路，使得信号调理电路简单、信噪比提高、抗干扰性能好、脉冲计数通过率高。

本方法已成功运用在公司的放射性检测仪器设备产品中。