基于STM32的數(shù)字示波器設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上山東科技大學 電子技術(shù)綜合實踐報告設(shè)計題目：基于STM32的簡易數(shù)字示波器專 業(yè)：電子信息科學與技術(shù) 班級學號：電科10-1 學生姓名： 指導教師： 設(shè)計時間：2013.6.18 摘 要本設(shè)計是基于ARM(Advance RISC Machine)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1HZ50KHZ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

2、輸入信號的峰峰值?？傮w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，基本上滿足了某些場合的需要，同時克服了傳統(tǒng)示波器體積龐大的缺點，減小成本，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)字示波器專心-專注-專業(yè)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、成本低、功耗小、便攜數(shù)字示波器，同時達到學以致用，理論和實踐相結(jié)合，進一步學習課外知識，培養(yǎng)綜合應(yīng)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1HZ50KHZ，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

3、波器在電子、電氣、控制等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，隨著計算機的發(fā)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)有示波器有諸多不足，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(yīng)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

4、行程控放大和衰減。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)的發(fā)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年代開始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)，給示波器的自動化發(fā)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)發(fā)展對示波器的設(shè)計和測量的需要，示波

5、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)的發(fā)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)進行的測量即電子測量技術(shù)發(fā)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。其實用之廣泛和發(fā)展速度之快都遠遠超過其他測量儀器，已經(jīng)廣泛應(yīng)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)字電路的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型示波器。它是采用數(shù)字

6、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(yīng)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(fù)信號、避免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擬的優(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，可以達到學以致用，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，為以后工作打下基礎(chǔ)，并完

7、成一個能滿足基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行分析和探究。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行放大和縮小。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

8、設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。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，基本上能滿足本設(shè)計要求，顯示部分用3.2寸TFTLCD（分辨率：320*240）模塊。軟件部分采用C語言進行設(shè)計，設(shè)計環(huán)境為Keil。2.1硬件總體結(jié)構(gòu)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，硬件整體框圖如下圖所示。圖2-1 系統(tǒng)整體框圖該示波器由4部分電路構(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)

9、計思路是：信號從探頭輸入，進入程控放大衰減電路進行放大衰減，程控放大器對電壓大的信號進行衰減，對電壓小信號進行放大以符合AD的測量范圍，經(jīng)過處理后信號進入極性轉(zhuǎn)換電路進行電平調(diào)整成03.3V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)換電器對信號進行采樣，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2.2.1 STM32處理器介紹STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM 內(nèi)核。按性能分成兩個不同

10、的系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為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)品用戶的最佳選擇。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) L

11、CD 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) AC97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2.2.2 LCD顯示介紹LCD液晶顯示器是Liquid Crystal Display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，

12、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. 對比度LCD制造時選用的控制IC、濾光片和定向膜等配件，與面板的對比度有關(guān)，對于一般用戶而言，對比度能夠達到350:1就足夠了，但在專業(yè)領(lǐng)域這樣的對比度還不能滿足用戶的要求。對比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200250cd/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

13、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、藍三種基本色組成的。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)三種基本色來控制。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行放

14、大衰減，程控放大器對電壓大的信號進行衰減，對電壓小信號進行放大以符合AD的測量范圍，經(jīng)過處理后信號進入極性轉(zhuǎn)換電路進行電平調(diào)整成03.3V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)換電器對信號進行采樣，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Keil 4，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)

15、(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1HZ50KHZ的信號(5) 測量幅度范圍為-3.3V3.3V 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)進行的軟件設(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

16、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)，達到控制水平掃描速度，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)中分別加入不同的延時函數(shù)來拉長或縮短波形。按鍵中斷程序流程圖如下圖所示。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=Buff0;for(i=0;i<200;i=i+1) if(Buffi>high_vpp)h

17、igh_vpp = Buffi;/最大值if(Buffi<low_vpp)low_vpp = Buffi;/最小值vpp=(float)(high_vpp-low_vpp)*(6.6/4096);3.4 LCD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，該部分程序主要有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

18、效果。LCD顯示主要程序為：int main() 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; /背景色 while(1) key=KEY_Scan(); /獲取按鍵返回值high_vpp=low_vpp=Buff0; for(i=0;i<200;i=i+1)Buffi=Get_Adc(0);Ch

19、oose_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=Buffi;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)*(6.6/409

20、6);/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)位 vpp-=temp; temp=vpp*100; LCD_ShowNum(58,220,temp,2,18,0); /顯示峰峰值小數(shù)位 第四章 性能測試與分析在最初的安裝調(diào)試中，由于沒有使用過函數(shù)發(fā)生器導致一些問題，波形始終不能正常顯示，在老師的指導下最終正確顯示。但硬件的缺陷與軟件的實現(xiàn)仍然有些小弊端。1、 當采樣間

21、隔與波形頻率不太匹配時并不能很好顯示出波形。但適當調(diào)整采樣時間仍可準確測量1HZ60KHZ的信號，并顯示電壓峰峰值。2、 當信號頻率大于60KHZ時正弦波波形不能很好分辨出來，當信號頻率大于500KHZ時波形失真，發(fā)生重疊。3、 使用刷屏顯示時會出現(xiàn)閃屏，這里采用刷列顯示。但當信號頻率較低時，由于處理器的速度較慢，使得刷列顯示出的波形連續(xù)性不好，目前沒找到更好的解決辦法。 總體來講，所有預(yù)期技術(shù)參數(shù)都能正確實現(xiàn)。仿真波形如下： 圖4-1正弦波 圖4-2方波 圖4-3三角波第五章 總結(jié) 本設(shè)計是基于ARM開發(fā)板設(shè)計的，利用了其內(nèi)部自帶的AD，和LCD控制器來控制外圍的LCD，這部分用實物實現(xiàn)，并調(diào)試成功，能顯示和控制波形，并能測量顯示被測信號的峰峰值。在本次設(shè)計中遇見很多問題，采取了各種解決方法，例如，設(shè)計中采用讀取一個轉(zhuǎn)換值就立即顯示的方法，仿真后才發(fā)現(xiàn)由于速度太慢以致測試信號頻率太低。因此采取了存滿一屏再顯示，達到測量高頻率波形的效果。盡管如此由于知識和時間有限，有不少地方需要改進，例如