STM32數(shù)字示波器的設(shè)計

...wd......wd......wd...STM32簡易數(shù)字示波器的設(shè)計本設(shè)計是基于ARM(AdvanceRISCMachine)以STM32為控制核心簡易示波器的設(shè)計。包括前級電路處理，AD轉(zhuǎn)換，LCD顯示燈模塊。前級電路處理由程控放大衰減器，極性轉(zhuǎn)換電路組成，AD的轉(zhuǎn)換速率最高為500KSPS，采用實時采樣方式，設(shè)計中采用模塊設(shè)計方法?？蓽y量輸入頻率范圍為1HZ—50KHZ的波形，測量幅度范圍為-3.3V—+3.3V，實時顯示輸入信號波形，同時測量波形輸入信號的峰峰值。總體來看，本文所設(shè)計的示波器，體積小，價格低廉，低功耗，方便攜帶，適用范圍廣泛，根本上滿足了某些場合的需要，同時抑制了傳統(tǒng)示波器體積龐大的缺點，減小本錢，完全可以把本設(shè)計當做手持數(shù)字示波器。關(guān)鍵詞：AD，STM32，實時采樣，數(shù)字示波器TOC\o"1-3"\h\z\u16781前言111703第1章緒論2139151.1課題背景22481.2課題研究的目的和意義2204051.3課題的主要研究工作3817第2章系統(tǒng)整體設(shè)計方案3182572.1硬件總體構(gòu)造3261462.2系統(tǒng)實現(xiàn)的原理介紹4295172.2.1STM32處理器介紹4198142.2.2LCD顯示介紹5161272.3軟件整體設(shè)計672882.4數(shù)字手持示波器技術(shù)參數(shù)65999第3章軟件編程與調(diào)試7117333.1軟件設(shè)計總體框圖7205943.2鍵盤控制程序710553.3峰峰值測量程序設(shè)計8286023.4LCD顯示程序設(shè)計919826第四章性能測試與分析1130046第五章總結(jié)13前言由于傳統(tǒng)示波器雖然功能齊全但是體積旁大，不方便攜帶，本設(shè)計針對這種缺點設(shè)計一種體積小、本錢低、功耗小、便攜數(shù)字示波器，同時到達學以致用，理論和實踐相結(jié)合，進一步學習課外知識，培養(yǎng)綜合應用知識，鍛煉動手和實際工作的能力。示波器實現(xiàn)輸入頻率范圍為1HZ—50KHZ，幅度范圍為-3.3V—+3.3V，實現(xiàn)波形實時顯示以及幅度測量。示波器在電子、電氣、控制等領(lǐng)域應用十分廣泛，隨著計算機的開展，示波器已經(jīng)實現(xiàn)了和計算機互聯(lián)，共享數(shù)據(jù)，但現(xiàn)有示波器有諸多缺乏，體積龐大，價格昂貴，功能齊全的示波器在某些場合并不能得到充分的應用。本課題所研究的示波器定位于抵擋型，即在性能上滿足大多場合的需要，努力實現(xiàn)小型化，價格低廉，攜帶方便，這樣在財力有限的小用戶能夠普及，并和功能齊全高檔示波器配合使用，取長補短。本設(shè)計對信號的采樣，使用實時采樣方式，這種方法的優(yōu)點是，設(shè)計相對簡單，能實時顯示所測信號的波形。缺點是，由于受AD轉(zhuǎn)換速率的限制不能測量頻率很高的信號。另外，AD只能測量范圍很小的電壓信號，單輸入信號可能更小，或者更大，所以要對信號進展程控放大和衰減。由于本設(shè)計使用的AD只能測量正極性的電壓信號，而外界輸入的信號有正有負，因此在輸入AD前要把所有信號轉(zhuǎn)換成正極性的，再做測量。第1章緒論1.1課題背景在電子測量技術(shù)的開展史上，示波器的出現(xiàn)給測量技術(shù)帶來了翻天覆地的變化，可以說的上是一場革命，從布勞恩的第一臺示波器問世以來，示波器的功能越來越豐富，性能也與日俱增。從70年代開場人們的注意力主要轉(zhuǎn)向自動化、實用化和提高準確度。微型計算機和儀器通用接口的出現(xiàn)，給示波器的自動化開展推到了一個嶄新的水平。微機的引入使示波器在設(shè)計、性能、功能、實用以及操作和故障診斷等方面都產(chǎn)生了巨大變化，隨著工業(yè)開展對示波器的設(shè)計和測量的需要，示波器的功能已從時域分析擴展到了數(shù)據(jù)域分析。當前，高精度、功能多樣、使用靈活、操作方便、性能可靠，已成為示波器生產(chǎn)廠家追求的主要目標。1.2課題研究的目的和意義隨著電子工業(yè)的開展，電子技術(shù)已經(jīng)滲透到過敏經(jīng)濟個領(lǐng)域中利用電子技術(shù)進展的測量即電子測量技術(shù)開展很快，已經(jīng)成為一門學科，并在一定程度上反映了一個國家科學技術(shù)水平。在電子測量儀器中，示波器所占的地位越來越重要，對電量和許多非電量的測試來說是一種主要的、通用的測量工具。其實用之廣泛和開展速度之快都遠遠超過其他測量儀器，已經(jīng)廣泛應用于國防、科研、學校以及工農(nóng)商業(yè)等各個領(lǐng)域和部門。數(shù)字示波器是隨著數(shù)字電路的開展而開展起來的一種新型示波器。它是采用數(shù)字電路，把輸入信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，把模擬波形變換成數(shù)字信息，并存儲在存儲器中，待需要讀出時，在通過DA轉(zhuǎn)換，能捕捉觸發(fā)前的信號，可通過接口與計算機相連接等特點，與計算機連成系統(tǒng)。傳統(tǒng)模擬的示波器也有其優(yōu)點，即具有迅速的響應特性、面板直接控制操作、可直接觀測輸入信號、價格低廉等。目前數(shù)字示波器已經(jīng)完全能夠做到，特別是在捕獲非重復信號、防止信號虛化和閃爍等方面，數(shù)字示波器顯示出了模擬示波器無可比較的優(yōu)勢。因此，數(shù)字示波器由于其性能優(yōu)越，和良好的性價比，現(xiàn)在已成為示波器的主流產(chǎn)品。通過本設(shè)計，可以到達學以致用，把理論與實踐相結(jié)合，學會處理設(shè)計過程中出現(xiàn)的一些問題，掌握設(shè)計的技巧，為以后工作打下根基，并完成一個能滿足根本需要的手持示波器。1.3課題的主要研究工作數(shù)字示波器利用AD把被測量的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在液晶上顯示波形。在這里，主要對按鍵的控制和波形的液晶顯示模塊進展分析和探究。和傳統(tǒng)模擬示波器相比，屏幕更新速率是數(shù)字示波器另一個限制因素，它不像模擬示波器那樣實時顯示波形的變化，波形在采樣轉(zhuǎn)換顯示的過程中被延遲了，被測信號總要經(jīng)過一段時間才能在屏幕上顯示出來。為了使測量的波形更便于觀測，需要對波形的幅度和周期進展放大和縮小。幅度的改變可通過對按鍵的檢測來適當調(diào)整波形顯示的系數(shù)比例；周期的放大和縮小可以通過調(diào)整采樣間隔來在LCD上顯示出適當大小的波形。第2章系統(tǒng)整體設(shè)計方案示波器的設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩局部。示波器的控制核心采用ARM9，由于STM32芯片里有自帶的AD，采樣速率最高為500KSPS,分辨率為10位，供電電壓為3.3V，根本上能滿足本設(shè)計要求，顯示局部用3.2寸TFTLCD〔分辨率：320*240〕模塊。軟件局部采用C語言進展設(shè)計，設(shè)計環(huán)境為Keil。2.1硬件總體構(gòu)造該設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，根據(jù)系統(tǒng)功能把整個系統(tǒng)分成不同的具有特定功能的模塊，硬件整體框圖如以下列圖所示。圖2-1系統(tǒng)整體框圖該示波器由4局部電路構(gòu)成，分別是：(1)輸入程控放大衰減電路；(2)極性轉(zhuǎn)換電路；(3)AD轉(zhuǎn)換電路；(4)顯示控制電路；(5)按鍵控制電路；整體設(shè)計思路是：信號從探頭輸入，進入程控放大衰減電路進展放大衰減，程控放大器對電壓大的信號進展衰減，對電壓小信號進展放大以符合AD的測量范圍，經(jīng)過處理后信號進入極性轉(zhuǎn)換電路進展電平調(diào)整成0—3.3V電壓，因為被測信號可能是交流信號，而AD只能測量正極性電信號，經(jīng)調(diào)整后送入AD轉(zhuǎn)換電器對信號進展采樣，采樣所得數(shù)據(jù)送入LCD顯示，這樣實現(xiàn)了波形的顯示。按鍵控制可以通過不同的按鍵來控制波形的放大和縮小，同時也可以改變采樣間隔，以測量更大頻率范圍的信號。2.2系統(tǒng)實現(xiàn)的原理介紹2.2.1STM32處理器介紹STM32系列基于專為要求高性能、低本錢、低功耗的嵌入式應用專門設(shè)計的ARMCortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型〞系列和STM32F101“根本型〞系列。增強型系列時鐘頻率到達72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；根本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最正確選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。本設(shè)計所用的STM32F103VCT6集成的片上功能如下：(1)1.2v內(nèi)核供電，1.8V/2.5V/3.3/V存儲器供電，3.3V外部I/O供電(2)外部存儲控制器(3)LCD控制器(4)4通道DNA并有外部請求引腳(5)3通道UART(6)2通道SPI(7)1通道IIC總線接口1通道IIS總線接口(8)AC’97編解碼器接口(9)兼容SD主接口協(xié)議1.0版和MMC卡協(xié)議2.11兼容版(10)2通道USB主機1通道USB設(shè)備(11)4通道PWM定時器和1通道內(nèi)部定時器/看門狗定時器(12)8通道10位ADC和觸摸屏接口(13)80個通用I/O和24通道外部中斷源2.2.2LCD顯示介紹LCD液晶顯示器是LiquidCrystalDisplay的簡稱，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，通過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。LCD的主要技術(shù)參數(shù)有：1.比照度LCD制造時選用的控制IC、濾光片和定向膜等配件，與面板的比照度有關(guān)，對于一般用戶而言，比照度能夠到達350:1就足夠了，但在專業(yè)領(lǐng)域這樣的比照度還不能滿足用戶的要求。比照值定義是最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值2.亮度LCD是一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的物質(zhì)，本身是不能發(fā)光的，需要借助于額外的光源才行。因此，燈管數(shù)目關(guān)系著液晶顯示器亮度。液晶顯示器的最大亮度，通常由冷陰極涉嫌管來決定，亮度值一般都在200~250cd/m2間。3.可視面積液晶顯示器所表示的尺寸就是與實際可以使用的屏幕范圍一致。4.可視角度當背光源通過偏極片、液晶和去向?qū)又?，輸出的光線變具有了方向性。也就是說大多說光都是從屏幕中垂直射出來的，所以從某一個較大的角度觀看液晶顯示時，便不能看到原來的顏色，甚至是只能看到全白或者全黑。為了解決這個問題，制造商們也著手開發(fā)廣角技術(shù)，到目前為止有三種比較流行的技術(shù)，分別是：TN+FILM、IPS和MVA。5.色彩度任何一種色彩都是由紅、綠、藍三種根本色組成的。LCD面板上是由480×272個像素點組成現(xiàn)象的，每個獨立的像素色彩是由紅、綠、藍(R、G、B)三種根本色來控制。2.3軟件整體設(shè)計整體設(shè)計思路是：信號從探頭輸入，進入程控放大衰減電路進展放大衰減，程控放大器對電壓大的信號進展衰減，對電壓小信號進展放大以符合AD的測量范圍，經(jīng)過處理后信號進入極性轉(zhuǎn)換電路進展電平調(diào)整成0—3.3V電壓，因為被測信號可能是交流信號，而AD只能測量正極性電信號，經(jīng)調(diào)整后送入AD轉(zhuǎn)換電器對信號進展采樣，采樣所得數(shù)據(jù)送入LCD顯示，實現(xiàn)波形的顯示按鍵控制可以通過不同的按鍵來控制波形的放大和縮小，同時也可以控制程控放大器，選擇放大和衰減的倍數(shù)。該示波器軟件開發(fā)環(huán)境為Keil4，代碼采用C語言編寫。ARM中軟件完成的功能:(1)輸入波形顯示和峰峰值測量。(2)LCD的初始化和顯示控制。(3)按鍵的檢測和控制。2.4數(shù)字手持示波器技術(shù)參數(shù)(1)水平掃描速度可調(diào)(2)垂直電壓靈敏度可調(diào)(3)被測信號的電壓峰峰值在屏幕上顯示。(4)能測量輸入頻率為1HZ~50KHZ的信號(5)測量幅度范圍為-3.3V~3.3V第3章軟件編程與調(diào)試整體設(shè)計思路是：經(jīng)過程控放大衰減和極性轉(zhuǎn)換后的電壓作為AD轉(zhuǎn)換的輸入電壓，然后通過不同的按鍵來控制波形的放大和縮小，最后在LCD屏上顯示出大小適中的波形。同時測出電壓峰峰值，并顯示。以下是根據(jù)整個系統(tǒng)進展的軟件設(shè)計。3.1軟件設(shè)計總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)總體框圖3.2鍵盤控制程序利用4個按鍵K1,K2,K3,K4來選擇波形的放大和縮小，按鍵采用外部中斷方式。其中通過K1和K2來調(diào)整波形顯示的高度比例，通過K3和K4來改變采樣間隔增加或減少一個周期內(nèi)采樣點數(shù)，到達控制水平掃描速度，使低頻率波形能完整顯示。當檢測到K1時，波形幅度系數(shù)置為2，當檢測到K2時，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。當檢測到K3、K4時，采樣函數(shù)中分別參加不同的延時函數(shù)來拉長或縮短波形。按鍵中斷程序流程圖如以下列圖所示。圖3-2按鍵中斷流程圖3.3峰峰值測量程序設(shè)計通過遍歷AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，取出最大值和最小值求差，結(jié)果即為電壓峰峰值。測量函數(shù)：high_vpp=low_vpp=Buff[0];for(i=0;i<200;i=i+1) { if(Buff[i]>high_vpp) { high_vpp=Buff[i];//最大值 } if(Buff[i]<low_vpp) { low_vpp=Buff[i];//最小值 }}vpp=(float)(high_vpp-low_vpp)*(6.6/4096);3.4LCD顯示程序設(shè)計本設(shè)計所使用的是3.2寸320×240圖形點陣LCD，該局部程序主要有LCD初始化，AD轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成顯示數(shù)據(jù)。用數(shù)組連續(xù)存儲AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，存滿后依次在LCD上顯示，依次循環(huán)。顯示過程中由于STM32處理器頻率較低，導致顯示一屏的時間較長，從而使刷屏速度較慢，效果不好。這里采用每次刷一列的的算法，即每次顯示下一列點之前將此列初始化為屏幕底色，從而改善視覺效果。LCD顯示主要程序為：intmain(){Stm32_Clock_Init(9); //系統(tǒng)時鐘設(shè)置delay_init(72); //延時初始化 LCD_Init(); //初始化液晶 KEY_Init(); //按鍵初始化Adc_init();//ADC初始化LCD_Clear(BLACK);//清屏POINT_COLOR=RED; //點顏色BACK_COLOR=BLACK;//背風光while(1){ key=KEY_Scan(); //獲取按鍵返回值 high_vpp=low_vpp=Buff[0]; for(i=0;i<200;i=i+1) { Buff[i]=Get_Adc(0); Choose_Delay(); //改變采樣間隔 } for(i=0;i<200;i=i+1) { Clear_Line(i);//清列 first_point=next_point; temp=Buff[i]; Vpp_Change();//調(diào)整電壓顯示幅度 next_point=100+temp*100/4096;//得到點坐標 Draw_net();//畫網(wǎng)格 LCD_DrawLine(first_point,i,next_point,i+1);//通過連線畫波形 } LCD_ShowChar(80,220,'V',18,0); vpp=(float)(high_vpp-low_vpp)*(6.6/4096); //求得峰峰值 temp=vpp; LCD_ShowChar(97,202,'o',18,0); LCD_ShowChar(50,220,'.',18,0); LCD_ShowNum(40,220,temp,1,18,0);//顯示峰峰值整數(shù)