基于STM32的簡(jiǎn)易數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

張本俊

摘 要：本文利用STM32微處理器為控制核心，結(jié)合外部信號(hào)處理單元，提出了A/D采樣的定時(shí)器控制法，利用微處理器定時(shí)器的 PWM 輸出模式作為系統(tǒng)A/D采樣的觸發(fā)源，并利用 DMA 技術(shù)進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)輸送，形成了以定時(shí)器控制 A/D 采樣、DMA 數(shù)據(jù)輸送，最終將在 TFT 上面顯示波形信息。與現(xiàn)有數(shù)字示波器相比，該數(shù)字示波器系統(tǒng)具有性價(jià)比高、可操控性好、低功耗、便攜方便等

優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字示波器 STM32 觸發(fā) 采樣速率 定時(shí)器控制 直接內(nèi)存存取

示波器是電子測(cè)量行業(yè)最常用的測(cè)量?jī)x器之一，用來(lái)測(cè)量并顯示被測(cè)信號(hào)的波形等參數(shù)，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有示波器模擬帶寬頻率更高，作為示波器的衡量技術(shù)指標(biāo)，其重要性顯而易見(jiàn)；同時(shí)為不斷滿足行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，特別是電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電子設(shè)計(jì)工程師在技術(shù)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中每天要面臨著新技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

示波器接上電池或外接DC電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，如果白屏或花屏，按復(fù)位鍵重啟；S-和S+為時(shí)間軸加減鍵；V-和V+為電壓幅度加減鍵；在關(guān)機(jī)狀態(tài)下按住出廠設(shè)置鍵，不松手，再開(kāi)機(jī)然后松開(kāi)‘出廠設(shè)置鍵，這樣所有的設(shè)置回到初始化狀態(tài)；顯示功能菜單鍵顯示與隱藏；AUTO（自動(dòng)）和HOLD（保持）按鍵為狀態(tài)轉(zhuǎn)換，按一下保持波形靜止?fàn)顟B(tài)，具體性能參數(shù)如下：

最高實(shí)時(shí)取樣率：1Msps；精度：12位ADC取樣；模擬帶寬輸入：最大200KHz；輸入阻抗：0-2MΩ；最高輸入電壓：16Vpp（10：1探頭和標(biāo)準(zhǔn)探頭），150Vpp（100：1探頭）；信號(hào)耦合方式：DC/AC/GND；自帶1KHz /3.3V方波測(cè)試信號(hào)源與LCD背光調(diào)節(jié)；

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：STM32最小系統(tǒng)模塊，電源電路模塊設(shè)計(jì)，信號(hào)處理模塊，模式選擇模塊，顯示器模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，按鍵輸入模塊等。

2.1電源電路的設(shè)計(jì)

用LM7805 供電，外側(cè)加5 V電壓，經(jīng)過(guò)LM7805 穩(wěn)壓后，ASM1117將5 V的降壓到3.3 V，ASM1117 通過(guò)輸出電壓采樣，反饋調(diào)節(jié)并作用輸出阻抗上，輸出電壓的高低與輸出級(jí)阻抗的壓降大小成反比。ASM1117 外圍電路簡(jiǎn)單，幾乎是由電容構(gòu)成進(jìn)行濾波，使電壓紋波達(dá)到最小，低頻率的紋波采用容值相比高比率的電容對(duì)其進(jìn)行濾波，高頻率的紋波采用容值相比低頻率的電容對(duì)其進(jìn)行濾波。

2.2 信號(hào)處理模塊

阻容衰減電路由電阻、電容網(wǎng)絡(luò)組成，完成對(duì)信號(hào)的最佳補(bǔ)償及1倍程衰減、10倍程衰減的選擇。程控放大電路采用RC電路，分別外接不同阻值電阻和不同容值電容，選擇不同通道上電阻與 TL082 芯片組成反比例放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的放大。

2.3 顯示器模塊的設(shè)計(jì)

采用 TFT 屏作為人機(jī)交互界面。移入嵌入式圖形界面UCGUI，實(shí)現(xiàn)全觸摸人機(jī)界面、多級(jí)菜單設(shè)計(jì)，省去部分外圍硬件電路設(shè)計(jì)，減小數(shù)字示波器體積。同時(shí)，運(yùn)用 PWM 技術(shù)，智能調(diào)節(jié) TFT 屏幕亮度，自動(dòng)降低能耗。不同產(chǎn)品使用不同的顯示方式。本次設(shè)計(jì)考慮高效、亮度高真，因此采用3.2寸TFT 顯示屏。

2.4 按鍵輸入模塊

● 復(fù)位電路設(shè)計(jì)：當(dāng)reset 被拉低時(shí)有效，當(dāng)reset為高時(shí)，不復(fù)位。

● 接上電池或外接DC電源開(kāi)關(guān)鍵；

● 復(fù)位鍵：白屏或花屏情況下按復(fù)位鍵重啟；

● S-和S+為時(shí)間軸加減鍵；

● V-和V+為電壓幅度加減鍵；

● 恢復(fù)出廠設(shè)置鍵

● 顯示功能菜單鍵：顯示與隱藏

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

配置微處理器的通用定時(shí)器為 PWM 輸出模式， 作為 ADC 的觸發(fā)源，通過(guò)重裝計(jì)數(shù)器值來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采樣速率， 采樣值由 DMA 控制器輸送后，進(jìn)行波形重建； 配置微處理器的高級(jí)定時(shí)器為輸入捕獲模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率、周期、占空比等參數(shù)測(cè)量。

3.1 . A/D 采樣數(shù)據(jù)的 DMA 輸送

STM32F103x系列MCU提供了固件庫(kù)，包括ADC在內(nèi)的各種功能模塊的軟件使用接口， ADC的配置代碼如下：

1. ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent； //獨(dú)立ADC模式

2. ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE ； //禁止掃描模式

3. ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE； //連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None； //不用外部觸發(fā)

4. ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right； //采集數(shù)據(jù)右對(duì)齊

5. ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1； //要轉(zhuǎn)換的通道數(shù)目1

6. ADC_Init（ADC1， &ADC;_InitStructure）；

3.2. 鍵盤(pán)控制設(shè)計(jì)

利用4個(gè)按鍵來(lái)選擇波形的放大和縮小，按鍵采用外部中斷方式。其中K1和K2來(lái)調(diào)整波形顯示的高度比例， K3和K4來(lái)改變采樣間隔增加或減少一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)，達(dá)到控制水平掃描速度，使低頻率波形完整顯示。當(dāng)檢測(cè)到K1時(shí)，波形幅度系數(shù)置為2，當(dāng)檢測(cè)到K2時(shí)，波形幅度系數(shù)置為1/2，否則波形幅度系數(shù)為1，以此控制幅度的放大和縮小。當(dāng)檢測(cè)到K3、K4時(shí)，采樣函數(shù)中分別加入不同的延時(shí)函數(shù)來(lái)拉長(zhǎng)或縮短波形。

結(jié)論

本次設(shè)計(jì)采用 STM32F103 為主控制器，使用信號(hào)調(diào)理電路之后通過(guò)內(nèi)部 AD 采樣，利用 Cortexm3 內(nèi)核的獨(dú)特的 FPU 進(jìn)行運(yùn)算，分析、處理數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)， 最終將在 TFT 上面顯示，并通過(guò)不同功能按鍵實(shí)現(xiàn)幅值、測(cè)量頻率等功能。與現(xiàn)有數(shù)字示波器相比，該數(shù)字示波器系統(tǒng)具有性價(jià)比高、可操控性好、低功耗、便攜方便等優(yōu)點(diǎn)。

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