基于STM32的手持示波器設(shè)計(jì)

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摘 要 隨著電子行業(yè)飛速發(fā)展，電子開發(fā)工程師數(shù)量急劇上升。在這樣一個(gè)關(guān)鍵的市場領(lǐng)域中，人們常常將示波器稱為電子工程師的“武器”。電子初學(xué)者、學(xué)生、以及很多電子愛好者而言，示波器也是常用工具，但是示波器的價(jià)格卻十分昂貴，好的十多萬，一般的也要近萬元。這讓很多電子愛好者望而卻步，尤其是學(xué)生?；诖?，一款低成本高性能的示波器體現(xiàn)出了他獨(dú)特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的虛擬示波器需要高帶寬、高采樣率的芯片、高速ADC，以及DSP數(shù)字信號處理芯片。而本文設(shè)計(jì)的示波器減少了這些昂貴硬件的使用，通過FPGA可編程邏輯器件和高速代替昂貴的采集硬件，通過高速AD芯片ADS830檢測到數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA內(nèi)部FIFO中，再經(jīng)過觸發(fā)條件發(fā)送到STM32單片機(jī)并將繪制的波形顯示在TFT屏幕上。基于STM32的手持示波器儲存深度更大，在去掉了傳統(tǒng)虛擬示波器中的電子槍、偏轉(zhuǎn)板等器件后，PCB的設(shè)計(jì)更加小巧緊湊，大大的提升了便攜性，并保證了其效果和性能。

關(guān)鍵詞 STM32 FPGA DSP ADS830 數(shù)字示波器

中圖分類號：TM935.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1硬件電路設(shè)計(jì)STM32主控工作電路

考慮到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對主控處理器的資源、速度、穩(wěn)定性等有一定的要求，因此選用了內(nèi)核為ARM CORTEX-M3位內(nèi)核的STM32F103C8T6芯片作為主控制器芯片。這個(gè)主控芯片具有32位的帶寬，相比于51單片機(jī)其最高處理速度有72MHz。并有48個(gè)外部引腳，64kb的存儲容量和20kb的數(shù)據(jù)存儲空間。其從資源到性能均可以實(shí)現(xiàn)本電路需要實(shí)現(xiàn)的功能。

1.1高速AD采集電路

由于單片機(jī)只能讀取數(shù)字信號，而不能進(jìn)行模擬量讀取，在本系統(tǒng)中示波器的采集電路需要對電子線路中的信號進(jìn)行采集，將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的0，1數(shù)據(jù)，這就需要有一個(gè)芯片來對模擬量進(jìn)行采集、量化和編碼最終傳送給單片機(jī)進(jìn)行讀取和處理。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，選擇了一款TI公司生產(chǎn)的專為數(shù)字示波器設(shè)計(jì)的數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換器ADS830E。其是一款高性能的AD轉(zhuǎn)換芯片，信噪比可以達(dá)到49.5db，采樣頻為60MHz，支持單極性和雙極性信號輸入，信號輸入范圍為1.5v-3.5v。為提高信號穩(wěn)定性，選用雙路運(yùn)算放大器OPA2356和LM358來對采集的信號進(jìn)行衰減和調(diào)理。

1.2 FPGA核心工作電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了阿爾特拉公司的Cyclone系列EP1C3100核心的FPGA芯片，其擁有高達(dá)294912位RAM，支持LVTTL，LVCOMS，SSTL-2，SSTL-3的IO標(biāo)準(zhǔn)。擁有最多八個(gè)全局時(shí)鐘線和六個(gè)可用的時(shí)鐘資源。內(nèi)核供電電壓為1.5v，EP1C3系列芯片只有一個(gè)鎖相環(huán)PLL，用于一個(gè)時(shí)鐘和一個(gè)專用收雙倍數(shù)據(jù)速率接口，以滿足DRAM和快速周期RAM內(nèi)存需求。擁有104個(gè)用戶I/O引腳并支持多種I/O標(biāo)準(zhǔn)。

FPGA的基本工作電路有主控芯片、下載電路、晶振電路、電源濾波電路組成。由于FPGA芯片特性下載電路采用了AS和JTAG的組合下載電路，通過串行配置器件EPCS與AS連接的組合下載接口，將下載線連接到AS接口來完成對POF文件的下載。由于FPGA芯片中JTAG接口協(xié)議的特性，下載測試的配置文件會(huì)在主控芯片掉電之后消失，這樣就在開發(fā)測試階段通過JTAG接口進(jìn)行測試。晶振電路在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于對時(shí)序要求比較高就選擇了50M的有源晶振。由于FPGA芯片本身需要多種電壓供電，如PLL供電，I/O口供電，核心供電等都需要不同的電壓供電，這樣穩(wěn)定而且較少紋波的供電電壓也成了組成整體電路的重要部分。

1.3屏幕顯示電路

為了節(jié)約系統(tǒng)資源，本設(shè)計(jì)采用I2C協(xié)議的串口屏多為0.96小尺寸的OLED屏幕，雖然OLED屏幕由于自發(fā)光的特性不需要背光源并且有很高的對比度和很大的可視角度，但是由于屏幕尺寸較小不適合用來顯示波形參數(shù)等信息。所以綜合所有信息，本系統(tǒng)選擇了SPI協(xié)議的TFT液晶屏。這里選擇了以ADS7843為驅(qū)動(dòng)芯片的2.4寸TFT屏幕，分辨率為240*320。既保證了能夠清晰顯示所需繪制的波形及波形信息，又能兼顧本設(shè)計(jì)作品的便攜性。

2手持示波器的軟件設(shè)計(jì)

2.1軟件總體設(shè)計(jì)及流程

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，做好規(guī)整的系統(tǒng)軟件框架可以讓自己在完成程序設(shè)計(jì)后更容易進(jìn)行調(diào)試修改和增加新功能。并且由于軟硬件調(diào)試時(shí)間比較長，在保存和修改時(shí)要按照日期和版本規(guī)范編寫程序名稱并在程序中標(biāo)注好出現(xiàn)的問題，所有的子函數(shù)都規(guī)范命名，以便自己在之后的調(diào)試中能夠最快時(shí)間看懂程序并上手修改。

在整個(gè)系統(tǒng)流程中，首先被測信號在經(jīng)過衰減和調(diào)整后進(jìn)入ADS830數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，之后通過FPGA內(nèi)部開辟的FIFO進(jìn)行緩存，將高速AD采集的數(shù)據(jù)緩存后，根據(jù)觸發(fā)條件發(fā)送到STM32單片機(jī)內(nèi)，最后通過TFT屏幕將接收到的數(shù)據(jù)繪制成波形并顯示出來。

2.2初始化程序流程

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要對STM32引腳配置的初始化，也要對FPGA及高速AD采集、屏幕等外設(shè)器件進(jìn)行初始化。FPGA需要對讀取數(shù)據(jù)端口、讀取端口時(shí)鐘等等進(jìn)行初始化。屏幕需要將引腳配置、控制命令、屏幕設(shè)置、清屏等進(jìn)行初始化，并且在程序中加入一定的延時(shí)使其達(dá)到主控的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)TFT顯示屏的初始化。

參考文獻(xiàn)

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