PAGE22基于STM32的手持式示波器設計目錄TOC\o"1-2"\h\u4869基于STM32的手持式示波器設計 1182861引言 2100841.1選題的必要性 3311421.2國內外發展情況 3121311.3示波器的起源和發展 3163362方案論證 451342.1電源電路方案對比 4305832.2信號條理電路方案對比 668512.3主控制器方案對比 7228703硬件設計 822823.1主控模塊設計 879383.2前端信號處理模塊 11292953.3AD轉換模塊 12272543.4TFT顯示模塊 13207774軟件設計 14326834.1主控電路程序設計 1580672.滴答定時器初始化過程 1711023.外部中斷初始化 17301164.2AD轉換模塊程序設計 17154734.3顯示電路程序設計 18270865結果分析及結論和總結 1896935.1技術指標完成一覽表 1922875.2結論和總結 19307696參考文獻 21引言示波器的出現對于電子信息技術時代來說，是開啟了一個新篇章。示波器各方面的性能在發展中逐漸變得豐富了起來。在硬件開發上，測量信號的幅度、頻率等信息都離不開示波器，因此示波器的應用與日俱增。市場上的示波器大多都價格昂貴，因此一個成本低，操作簡便，便于攜帶的數字示波器性價比很高。本設計致力于設計出一個高性價比的數字示波器。據悉，模擬示波器最初采用的是顯像管技術，但這項技術導致在測量瞬時信號和非周期信號時，不能清晰的顯示波形。模擬示波器體積大，不易攜帶，使用起來十分不方便。因此數字示波器應運而生。泰克、里弗斯等數字示波器有著強大的波形處理能力，可以直接進行FFT變換。在測量一些小信號時，它們的失真率較小，能準確的給出結果。數字示波器特點是體積小，便于傳輸，便于攜帶，在日常的測量工作中起著重要的作用。1.1選題的必要性示波器是一種我們熟知的機電儀器。它能將看不見的電信號轉換成可見的數字信號或圖像，讓實驗結果變得更加清晰可見。能測量數據、顯示波形、波形觸發、存儲數據、分析數據等都是數字示波器的優點。隨著科學技術的發展，使用者對示波器的高頻、高帶寬、高速度有了新的要求。示波器在眾多機電設備中，有著不可替代的地位，它雖然只是一種常用工具，但各種測量都離不開它。因此設計一個簡易的手持式示波器是很有必要的。1.2國內外發展情況國際上，示波器的制造商主要分布在美國和日本，示波器市場基本上都被外國瓜分了。但是不得不說，在示波器的發展中，國外的研究始終走在中國前面。這并不是說中國沒有研究示波器，相反的，大量的新型人才正在涌入工科的學習。高鐵——中國速度的象征，其源頭就是自動化，因此，在大環境的影響下，自動化這一專業近年來成為了熱門專業。而示波器則是自動化學者得心應手的工具。近年來中國在數字示波器的發展上得到了機電行業的重視，許多人力物力被投入研究數字示波器，許多學者也選擇示波器進行研究，因此我國的示波器研究進入了一個高速發展的軌道上。雖然我國的示波器研究僅僅處于摸索階段，但我相信，有志者，事竟成，我們終有一天能研發出屬于我們自己的，好用的數字示波器。1.3示波器的起源和發展1973年第一臺示波器誕生了，之后的很長一段時間里，示波器的發展變得十分緩慢，直到20世紀81年代中期，半導體技術和計算機技術的突飛猛進同時也帶動了示波器的發展。逐漸的，日漸先進的技術對示波器的功能提出了更多的要求，使得示波器的研究也逐漸前進著。1984年到1987年是最值得銘記的四年，因為這四年是示波器最輝煌的年代，惠普公司、泰克公司相繼推出了數字示波器。與數字頻率計、數字電壓表等數字儀器相比，示波器也具有這些重要的功能。近年來，示波器被用作測量、顯示、存儲、比較、計數、程控等功能的指標。示波器數字存儲的可靠性和穩定性在科研界也引起了大范圍的討論。目前，示波器行業的發展正處于蒸蒸日上的階段。特別是近幾年，國內數字示波器的生產取得了很大的進步，學者們的研究功不可沒。2方案論證本設計是一個簡易的基于STM32的手持式示波器，在設計過程中，畫出系統結構框圖如下：圖2.1總體設計框圖2.1電源電路方案對比電源是一個器件最關鍵的部分，機電設備，不管是弱點還是強電，必須要通電才能正常工作，因此，電源的選擇也十分關鍵。下面從參數角度討論電源電路的使用。2.1.1采用LM2596-5.0的方案如下圖所示，這是一個十分簡單的供電電路，整個電路只有幾個電容、二極管和相匹配的電感。這就是LM2596電路。它的電流能力是輸出3A、輸入電壓40V、開關頻率150K、具有TTL立即關斷能力、具有較高的轉換效率、以及限流保護功能等，是TI公司研發的一款性價比很高的開關電源芯片，內部集成了MOS、PWM控制器、電壓檢測環等。圖2.2LM2596電路原理圖2.1.2LM317的應用相信這款電源芯片大家都很熟悉，因為它是目前市場上最為常見的電源集成電路之一。它的穩壓器使用起來非常簡便。并且具有如下特點：1.輸出電壓可改變至1.2V；2.輸出電流能達到1.5A；3.0.01%的典型線性調整率；4.0.1%的典型負載調整率；5.紋波抑制比為80dB；6.電路輸出短路保護；7.電路過流、過熱保護；8.保護調整管的安全工作區；9.封裝標準三端晶體管；10.1.25V-37V內電壓范圍連續可調。由電路可以推導出公式：（公式2.1）如圖2.3：R3的阻值為240Ω時考慮到Iadj的電流值很小，R4的計算阻值為720歐姆，但是該阻值不存在，因此用1KΩ的滑動電阻替代。由于信號調理電路是雙電源供電模式，所以本設計采用LM317和LM337雙電源供電。電路最終采用LM317供電方式如圖2.3，原因具體如下：1.從電源屬性來看，因為LM317是線性電源，采用開關電源LM2596不符合要求。2.從信號強度來看，高頻噪聲會產生干擾，進而產生不好的后果。3.從獲取源來看，LM317的器件實驗室有現成器材，而LM2596的貨源不充足。圖2.3LM317電路原理圖2.2信號條理電路方案對比本設計的一個難點在于信號的變換。信號調理開關可以對輸入信號的幅度進行增減和補償，一般示波器的各種參數都會因為輸入信號而受限制，因此示波器的精度在一定程度上與此有關。2.2.1采用程控放大器本設計使用程控放大電路，選用AD8337芯片，原理圖如圖2.4所示。它的工作范圍在100MHZ頻率以下。它的工作原理是通過控制端將對應的字發送給DAC，然后由DAC運算出確切的電壓信號從而得出放大倍數。但是從成本考慮，AD8337芯片的價格接近RMB50，成本太高，故不選用此方案。圖2.4AD8337電路實現2.2.2基于繼電器實現程控基于繼電器實現程控放大器的功能繼電器的主要作用是切換放大或衰減倍數是，通過電阻值的大小的改變，切換不同的量程，在普通運算放大器的配合下，完成電路要求。在考慮成本的情況下使用此方案。2.3主控制器方案對比2.3.1STM32F103作為主控制器采用STM32F103單片機，STM32F103單片機是Cortex—M3內核，因為AD采樣速率不高且不具備FPU功能，而對于本設計，完成FFT變換MCU運算時間較長，且實時顯示能力不強，該方案難度較大，因此不采用該芯片。2.3.2STM32F407作為主控制器采用STM32F407單片機，STM32F407是基于Cortex—M4內核，具有如下特點：1.內核是Cortex—M4，具有FPU功能，主頻高達168MHZ，具有DSP架構；2.具有1M字節Flash單元、64K數據內存、192+4K的SRAM以及靜態存儲控制器；3.具有時鐘、復位、電源管理；4.16通道DMA控制器支持FIFO；5.可以隨機數生成器；6.具有高精度的RTC；7.具有17個定時器；8.具有并行的液晶接口；9.2個12位DA轉換器；10.具有SWD和JTAG調試接口；11.140個具有中斷能力的IO口；12.具有96位ID；13.支持全速USB2.0協議，10/100自適應接口、8-14位并行攝像接口；14.功耗功能低可以隨機數生成器；15.具有CRC計算單元；16.具有15個通信接口；17.3個12位，2.4M的AD，具有24通道和7.2M的AD轉換；基于以上所述原因，選用STM32F407單片機完成本設計。3硬件設計3.1主控模塊設計本設計的主控芯片是STM32芯片，該芯片自帶16通道的12位高精度A/D轉換器，速度非常快，完成轉換只需1μs，本設計的要求它都能滿足。STM32示波器的整體結構如下圖所示：圖3.1基于STM32的示波器的整體結構3.1.1主控板電路硬件分析本次主控板使用的是ST公司的STM32F4DISCOVERY開發板。STM32F4DISCOVERY是一款芯片，32位ARMCortex-M4F核，電源指示燈為LD2:3.3V。它是一塊高性能芯片，支持3.5寸工業級LCD觸摸屏，130萬像素OV9655Camera模塊，多達6路串口，CAN，IIC,SPI,以太網口，USB2.0FSOTG/device/host,TFT卡等。圖3.2STM32F4DISCOVERY3.1.2IO管腳分配序號單片機外設備注1PA1ADAD2PC9TFT_CSTFTTFT3PC8TFT_RS4PC7TFT_WR5PC6TFT_RD6PB0TFT_D07PB1TFT_D18PB2TFT_D29PB3TFT_D310PB4TFT_D411PB5TFT_D512PB6TFT_D613PB7TFT_D714PB8TFT_D815PB9TFT_D916PB10TFT_D1017PB11TFT_D1118PB12TFT_D1219PB13TFT_D1320PB14TFT_D1421PB15TFT_D1522PA0XPT2046_INTXPT204623PA4XPT2046_CS24PA5XPT2046_SCLK25PA6XPT2046_MISO26PA7XPT2046_MOSI27PD12LED_1,Q_1繼電器28PD13LED_2,Q_229PD14LED_3,Q_330PD15LED_4,Q_431Q_532PA6TIM3_CH1TIM333NRST復位按鍵復位表1IO管腳分配一覽表3.2前端信號處理模塊圖3.3信號處理流程圖本模塊功能是對輸入信號波形進行處理。對于數字波而言，ADC采樣時，需要先在幅度和相位方面對輸入的信號進行線性處理。前級信號調理電路主要由阻容衰減電路，程控放大電路，電平移位電路，極性變換電路和阻抗變換電路五部分組成。電路原理圖如下圖所示。圖3.3信號處理流程圖3.3AD轉換模塊A/D轉換就是將模擬量轉換成數字量。模數轉換的形式較多，如逐次逼近型，計數比較型，雙積分型等。在啟動信號的控制下設置邏輯電路，選擇寄存器的最高位置“1”。D/A轉換后，將模擬值與輸入模擬值進行比較，電壓比較返回比較結果，如果輸入值大于或等于D/A轉換后的初始值，則比較值為1，否則為0。根據比較的初始結果，所選選擇邏輯電路將改變逐次逼近寄存器的內容，使D/A轉換后的模擬量逐步逼近輸入的模擬量，這樣經過多次修改后的數字量就是A/D轉換結果的量。圖3.4STM32F407的DAC運放3.4TFT顯示模塊為了對實驗產生的動態波形圖有清晰的展現，我們采用TFT屏作為人機交互界面，同時可以實現觸摸人機界面、多級菜單設計，將不必要的設計刪去，減小了數字示波器體積。出于降低能耗的考慮，智能調節屏幕亮度。圖3.5TFT內部結構圖TFT接口電路如下圖所示：圖3.6TFT接口電路4軟件設計系統軟件是本設計的核心，以STM32為中心，通過AD采集數據，運算，顯示結果。這就要求單片機能處理以上要求，程序的設置就尤為關鍵，本小結將分模塊介紹本設計軟件方面的設計。下圖是示波器軟件分析流程圖：圖4.1示波器軟件分析流程圖4.1主控電路程序設計為了使得電壓滿足條件，首先將輸入的模擬信號經過運放進行衰減和放大，等它能夠進行實現采集、數值的處理和顯示波形，再進入STM32芯片，進行運算后輸出。下圖為系統軟件框圖：圖4.2系統軟件框圖4.1.1主控芯片的啟動方式STM32F407是CORTEX—M4內核，采用C語言編程方式，啟動應該是從main函數啟動開始，此時應該考慮到單片機里的main函數應用，這樣就涉及到STM32單片機的啟動過程。啟動方式如下表：啟動模式選擇引腳啟動模式說明BOOT1BOOT0X0主閃存存儲器主閃存存儲器選定為啟動區域01系統存儲器系統存儲器選定為啟動區域11內置SRAM內置SRAM選定為啟動區域表2啟動方式ST公司提供了STM32單片機的啟動文件“startup_stm32f4xx.s”，開發人員直接調用啟動文件即可進行C開發。該啟動文件中配置了如下信息初始化SP、設置初始PC值、設置中斷向量地址、設置系統時鐘和存儲器的分配、跳轉到main函數。4.1.2主控芯片程序的初始化SPI的初始化過程SPI1的初始化先進行時鐘的使能，IO設置，SPI模式配置，SPI的使能四個步驟完成上述過程。2.滴答定時器初始化過程滴答定時器是一個簡單的定時器。主要用途有如下幾個方面：1）產生時鐘街拍2）便于程序移植3）測量時間只要不把它在滴答控制及狀態寄存器中的使能位清除，計時器就永不停息。可以實現延時功能，這樣不占用系統定時器。3.外部中斷初始化STM32的每一個IO口可以作為外部中斷的輸入，同時可以設置成上拉或下拉，也可以設置成為懸空輸入，但懸空輸入外部需要加上拉電阻或下拉電阻，不然會不停的觸發，而在干擾較大的地方，就算使用了上拉或下拉也建議在外部使用上拉或者下拉，這樣可以在一定程度上防止外部干擾帶來的影響。4.2AD轉換模塊程序設計A/D轉換器一般用分辨率和轉換誤差描述轉換精度。A/D轉換模塊特點：1.8/10位精度；2.7us，10位單詞轉換時間；3.采樣緩沖放大器；4.模擬/數字輸入引腳復用；5.1到8轉換序列長度；6.連續轉換模式；7.多通道掃描方式。圖4.3AD轉換流程圖4.3顯示電路程序設計TFT屏幕的分辨率為320*240。TFT是薄膜晶體管的縮寫，他說最好的LCD彩色顯示器之一。它可以做到高速、高亮度、高對比度的顯示屏幕信息。TFT屏幕的圖像細膩逼真，且自重輕，功耗低，環保性能好，廣泛用于各行各業中。TFT軟件流程圖如下圖所示：圖4.4TFT軟件流程圖5結果分析及結論和總結5.1技術指標完成一覽表如表13所示，本設計完成了單通道100KHZ的采樣，并且有交流和直流耦合方式，能進行FT變換，水平和垂直靈敏度達到10檔以上。5.2結論和總結本文所述的數字示波器采集系統滿足要求，數字示波器可以完成交流、直流耦合，輸入阻抗達1M歐姆，輸入電壓5mv~10V，最高采樣率為100KHZ在調試系統時得出以下幾個經驗小結：1.在Keil中遇到不能在線仿真的問題，出現的解決辦法：1）先確認ST-link的驅動是否安裝正確，在設備管理器里確認；2）在debug里選擇ST-linkdebugger；3）點后面的setting,將里面的ort選為SW；4）在utilities里同樣選擇st-linkdebuger；5）setting里點add，找出里面的STM32F4xx后面帶1M選上。完成以上download一下，解決了下載問題。如何理解傅里葉變換：使用實驗室優利德公司的UTD2062CE60MHZ1GS/S數字示波器進行傅里葉變換分析，得到了示波器上的傅里葉變換函數，并得出以下結論：當示波器中插入信號時，示波器突出顯示其不同的頻率值和不同的寬度，顯示在示波器屏幕上。然后，通過該函數，可以更容易地提取大信號的頻率、主信號的頻率以及相應的信號寬度。3.下載時候遇到“st-linknotargetconnected”之前所有下載無任何問題。1）思考是否板子ST_Link驅動問題，確認Keil能正確識別，無問題2）是否板子晶振損壞，之前下載程序能在CPU中正確執行，無問題3）是否ST_link硬件損壞，同理1），否則不會出現正確識別的現象，無問題技術指標預設指標達標情況通道模式雙通道單通道輸入阻抗1M達標耦合方式直流、交流耦合達標觸發方式上升或下降不涉及波形儲存存儲4K不涉及頻譜分析FFT要求達標波形暫停顯示要求不涉及輸入電壓范圍5mV～10V達標模擬頻帶寬度0Hz～1MHz0HZ～100KHZ最高實時采樣率1MHz100KHZ水平時間靈敏度10檔達標垂直幅度靈敏度10檔達標表3技術指標完成一覽表4）思考前一次和后一次程序有何不同，僅僅只配置了PA14的IO為輸出模式，查看原理圖發現問題，原理圖中PA13、14連接了TMS/SWDIO和TCK/SWCLK引腳，而且該引腳是作為下載輸入端口，那么這里原因發現了。我設置該IO口狀態為推挽輸出，待上次程序正確之后，一旦MCU板上電，則該IO口為輸出狀態，而再次下載時，該IO口是需要作為輸入進行讀取數據操作的。而需要的解決辦法參照以下步驟：1）在程序中更改IO的輸出模式為輸入模式，編譯；2）先確認電源是否連接好；3）先長按住目標板上的復位鍵，再點擊設定，再松開目標板上的復位鍵；4）然后軟件調到設置，設置好參數，再進行下一個設定；5）將芯片切斷電源，再重新連接；6）先長按芯片的復位鍵，然后點下載按鈕，再釋放復位鍵。6參考文獻[1]劉君.基于STM32的示波器設計[D].長江大學.2014.[2]王文理,劉志強.基于AT89S52單片機與AD0804的數字示波器設計[J].微計算機信息.2009(25)：114-115.[3]王鵬天.數字存儲示波器關鍵技術研究[D].電子科技大學.2012：67-68.[4]周萍,陳毅華.基于STM32掌上型數字存儲示波器的研制[J].江蘇技術師范學院學報.2011(04)：68-69.[5]聶素麗.基于嵌入式系統的便攜式數字示波器設計[J].數字技術與應用.2013(11)：56-57.[6]蘇鵬,周風余.基于STM32嵌入式語音識別模塊設計[J].單片機與嵌入式系統應用