基于STM32和FPGA的射频数据采集系统设计流程

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

天线 信号调理电路 高速ADC FPGA STM32 USB接口 计算机

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：

开始 初始化ADC 配置DMA 启动ADC采样 DMA传输数据到FPGA 结束

• 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：

开始 接收DMA数据 数据处理 发送处理结果到FPGA 结束

• 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

五、项目总结

在本项目中，我们设计并实现了一个基于STM32和FPGA的高速射频信号采集系统。通过这个项目，参与者可以深入学习和掌握多个关键技术和知识点，以下是主要的收获总结：

1. 射频信号采集原理

• 射频信号的特性：了解射频信号的基本特性，包括频率、幅度、相位等参数，并掌握如何使用天线和调理电路接收和处理这些信号。

• 信号调理：学习如何设计信号调理电路，以确保接收到的信号处于适合ADC采样的范围内，包括放大和滤波技术。

2. ADC和DMA技术

• 高速ADC的使用：掌握高速ADC的工作原理及其在信号采集中的重要性，了解如何配置ADC以实现高采样率。

• DMA技术：深入理解DMA（直接存储器访问）的概念及其工作机制，学习如何配置STM32的DMA以实现数据的高速传输，提高系统的整体性能。

3. FPGA的信号处理能力

• FPGA设计与开发：了解FPGA的基本结构和编程方法，学习如何使用HDL（硬件描述语言）设计高效的信号处理模块。

• 并行处理：学习FPGA的并行处理能力，如何利用FPGA实现复杂的实时信号处理算法（如FFT、滤波等），以提高数据处理速度。

4. STM32和FPGA之间的通信

• SPI通信协议：深入学习SPI（串行外设接口）协议，了解其在STM32与FPGA之间的应用，掌握如何配置和使用SPI实现高速数据传输。

• 系统集成：学习如何将不同的硬件模块（ADC、FPGA、STM32）有效地集成在一起，确保各模块之间的协调工作。

5. USB数据传输

• USB通信原理：了解USB（通用串行总线）通信的基本原理和工作机制，学习如何在STM32中实现USB CDC（通信设备类）以便将处理后的数据传输到计算机。

• 实时数据处理：掌握如何通过USB接口实时传输数据，便于后续的数据分析和处理。