嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告基于stm32簡(jiǎn)易數(shù)字示波器

1、第14頁(yè) 共14頁(yè)嵌入式系統(tǒng)理論課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告基于stm32簡(jiǎn)易數(shù)字示波器西安電子科技大學(xué)嵌入式系統(tǒng)理論 課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告機(jī)電工程學(xué)院班 姓名學(xué)號(hào) 小組排名個(gè)人排位/總?cè)藬?shù)：6/12 實(shí)驗(yàn)日期2022 年11 月 23 日評(píng)定工程 A B C D 評(píng)定工程 A B C D 算法正確界面美觀，布局合理程序構(gòu)造合理操作純熟語(yǔ)法語(yǔ)義正確解析完好實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確文字流暢報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)排位評(píng)分指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)：指導(dǎo)老師：年月日 實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容根本要求及參考格式一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)所用儀器或?qū)嶒?yàn)環(huán)境三、實(shí)驗(yàn)根本原理及步驟或方案設(shè)計(jì)及理論計(jì)算四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄或仿真及軟件設(shè)計(jì)五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析p 及答復(fù)下列問(wèn)題或測(cè)試環(huán)境及測(cè)試結(jié)果

2、成績(jī)第一章 研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)是采用 STM32 芯片完成數(shù)據(jù)的采樣量化、 A/D 轉(zhuǎn)換、 波形分析p 、波形顯示和觸摸屏操作等多局部設(shè)計(jì)， STM32 處理器是 ST 公司面向于低價(jià)位市場(chǎng)設(shè)計(jì)的一種基于 ARM-M3 內(nèi)核的微處理器， 憑借其性價(jià)比高、 性能強(qiáng)悍的優(yōu)勢(shì)，非常合適于嵌入式開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)需求。本設(shè)計(jì)所采用是 STM32 芯片， 詳細(xì)是采用嵌入式數(shù)字示波器主要基于最新 Corte_-M3 內(nèi)核的微控制器是 STM32F103ZET6 芯片采用的封裝是 LQFP_144。ARM 作為當(dāng)今嵌入式時(shí)代的主流的嵌入式控制器產(chǎn)品, 隨著嵌入式技術(shù)的開(kāi)展, 對(duì)于嵌入式示波器功能也越來(lái)越強(qiáng)大,再附加上

3、一些通訊協(xié)議例如 USB、 RS232 的通信協(xié)議引用，有利于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集， 實(shí)時(shí)采樣效率更高。本設(shè)計(jì)是基于 ARM 的示波器的設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、顯示輸出等功能，并且系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行，采樣的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。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(jì)針對(duì)這種缺點(diǎn)設(shè)計(jì)一種體積小、本錢(qián)低、功耗小、便攜數(shù)字示波器，同時(shí)到達(dá)學(xué)以致用，理論和理論相結(jié)合，進(jìn)一步學(xué)習(xí)課外知識(shí)，培養(yǎng)綜合應(yīng)用知識(shí)，鍛煉動(dòng)手和實(shí)際工作的才能。本設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)的采樣，使用實(shí)時(shí)采樣方式，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，能實(shí)時(shí)顯示所測(cè)信號(hào)的波形。缺點(diǎn)是，由于受 AD 轉(zhuǎn)換速率的限制不能測(cè)量頻率很高的信號(hào)。1 1.

4、1 研究根據(jù) 本設(shè)計(jì)是基于 ARM Corte_-M3 的數(shù)字示波器設(shè)計(jì)可以通過(guò) AD 采樣和數(shù)值處理顯示周期信號(hào)和非周期信號(hào)并且將動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)波形顯示在 TFT 上。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括前端信號(hào)調(diào)理 AD 采樣控制、 ST-LINK 仿真接口、 TFT 顯示實(shí)時(shí)波形，其優(yōu)點(diǎn)是方便攜帶，可以實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展采集。2 1.2 研究 目的本設(shè)計(jì)的目的是通過(guò)接收任意電壓信號(hào)并且可以將顯示所接收到的實(shí)時(shí)波形，并且可以繪出波形。并完好的顯示動(dòng)態(tài)波形，顯示出波形的頻率和幅度特性本設(shè)計(jì)還附加信號(hào)發(fā)生器功能讓系統(tǒng)更加完好。3 1.3 研究意義由于采用嵌入式設(shè)計(jì)這樣使得設(shè)計(jì)的體積很小，有利于便攜和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。本設(shè)計(jì)中

5、采用 STM32 系列 ARM 芯片為主控制器，最大實(shí)時(shí)采樣速率可以到達(dá) 1M，并且采用彩色 TFT分辨率為 240_320液晶顯示，最終顯示出波形的頻率和幅度特性，得到波形的峰值和頻率。此外,本設(shè)計(jì)是基于嵌入式的數(shù)字示波器并且控制器內(nèi)部集成 A/D 和 D/A， 具有小體積、高可靠性能優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于信號(hào)的便攜式采集有著重要意義， 可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。第二章 設(shè)計(jì)思路 1 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路信號(hào)從探頭輸入，送入 AD 轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)展采樣測(cè)交流時(shí)要加直流偏置，以保證為正極性電壓，通過(guò)片內(nèi)高速 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)快速采樣，存儲(chǔ)其數(shù)字化信號(hào)。并對(duì)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)展實(shí)時(shí)快速處理，得到信號(hào)的原始

6、波形及其參數(shù)。在彩屏上顯示波形和波形的一些參數(shù)，可根據(jù)顯示要求，對(duì)波形進(jìn)展縮放。2 2.2 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)軟件分析p 主要分為：示波器軟件分析p 和信號(hào)發(fā)生器軟件分析p 。1 2.2.1 示波器軟件分析p 在滿足峰峰值03V的模擬信號(hào)由示波器探頭輸入進(jìn)來(lái)，進(jìn)展 A/D 采樣轉(zhuǎn)換，經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被存入到內(nèi)部 RAM 中，于此同時(shí) ARM 處理器從 RAM 中讀取出之前所保存的數(shù)據(jù)，進(jìn)展數(shù)學(xué)的變換處理，將處理后的數(shù)據(jù)送入 TFT 進(jìn)展動(dòng)態(tài)顯示，在下一次 AD 采樣數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，刷新原有數(shù)據(jù)使得波形可以動(dòng)態(tài)的變化， 同時(shí)設(shè)置觸摸屏上的菜單可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展操作，操作包括 調(diào)整幅度、DIV 調(diào)

7、整采樣率、COLOR 調(diào)整通道 1 波形的顏色、BKCOL 調(diào)整背景顏色、頻率、波形顯示，每一個(gè)菜單的選擇是通過(guò)觸摸相關(guān)觸摸屏的區(qū)域控制的在軟件局部和 GUI 設(shè)計(jì)局部會(huì)逐步設(shè)置這方面需求。2 2.2.2 信號(hào)發(fā)生器軟件分析p 設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器局部主要是通過(guò)計(jì)算波形如正弦波、 三角波等標(biāo)準(zhǔn)的波形一個(gè)周期內(nèi)的 100 個(gè) AD 值， 并將這些算出的 AD 的值存入某個(gè)數(shù)組，并通過(guò)使用內(nèi)部 DMA 循環(huán)觸發(fā)來(lái)更新 DA 的模擬輸出， 當(dāng)下一個(gè)周期降臨時(shí)原先的數(shù)組內(nèi)的值會(huì)被更新， 這樣就到達(dá)了循環(huán)輸出制定波形的模擬信號(hào)的目的。第三章 設(shè)計(jì)方案及資使用情況 本章主要是對(duì)軟件局部進(jìn)展了細(xì)致的分析p 。包

8、括 A/D 轉(zhuǎn)換的調(diào)用， 定時(shí)器的定時(shí)采樣， 和 A/D 的交替采樣等。本章函數(shù)多是根據(jù) STM32 系列的函數(shù)庫(kù) V3.5，和 UCGUI 的相關(guān)函數(shù)，并且設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的 GUI 菜單操作。引用庫(kù)函數(shù)的目的是可以在短時(shí)間內(nèi)理解內(nèi)部構(gòu)造便于快速掌握使用。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括， AD 的采樣設(shè)計(jì)、 DAC 設(shè)計(jì)以及顯示的圖形化設(shè)置，下面詳細(xì)介紹各個(gè)局部?jī)?nèi)容。1 3.1 顯示局部STM32F103ZET6 增強(qiáng)型系列是 ARM-M3 中， 性價(jià)比和功能最強(qiáng)的一個(gè)，其內(nèi)部資非常豐富，無(wú)論是硬件條件或者操作的難易性來(lái)說(shuō)都足夠滿足設(shè)計(jì)需求。在顯示局部所采用的顯示器件為 320_240 的 TFT 屏幕，由

9、于 STM32 的引腳很多并且引腳的配置也很多，可以較方便的控制 TFT 的處理操作， 應(yīng)用軟件對(duì) TFT 使能使其開(kāi)啟開(kāi)場(chǎng)畫(huà)面。TFT 顯示器件的優(yōu)勢(shì)在于可以穩(wěn)定的顯示動(dòng)態(tài)的波形，不需要和你繁瑣的操作穩(wěn)定性高。與傳統(tǒng)的 CRT 相比， TFT 有著色彩豐富的面板不但體積更小，厚度更薄、重量更輕、耗能更少、工作電壓低且無(wú)輻射、無(wú)閃爍現(xiàn)象， 而且外部驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單便于設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的連接驅(qū)動(dòng)就可以到達(dá)波形的動(dòng)態(tài)顯示功能。TFTThin Film Transistor作為比擬新的顯示器件， 根據(jù)分辨率的不同，像素點(diǎn)的分部也不同，本設(shè)計(jì)采用的是 240_320 的 TFT 屏幕。在 TFT 外表通常貼

10、合著一層導(dǎo)電膜，這也就是我們常說(shuō)的觸摸屏。在電阻屏導(dǎo)電膜物理擠壓時(shí)， 就會(huì)使得兩邊的導(dǎo)電膜接觸到一起，因此會(huì)反應(yīng)一個(gè)電壓值， 而我們所要做的就是將這個(gè)點(diǎn)的電壓值進(jìn)展采集，并且通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換的值來(lái)表達(dá)這一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)_,Y， 以此來(lái)確定因此所接觸區(qū)域的觸發(fā)事件選項(xiàng)。AD 可以通過(guò)處理器 STM32F103ZET6 在電路中的連接， 本電路中四線控制器連接方式采用的是 SPI 總線方式連接， 不同的模擬開(kāi)關(guān)根據(jù)控制器發(fā)來(lái)的不同測(cè)試命令來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷，以提供當(dāng)前位置的電壓值， 并由 AD 進(jìn)展采樣該點(diǎn)的電壓值。從而判斷出該點(diǎn)的坐標(biāo)值等。在使用 SPI 的時(shí)候，需要配置相關(guān)參數(shù)。SPI_InitS

11、tructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuple_;/設(shè)置 SPI 單向或者雙向的數(shù)據(jù)形式:SPI 設(shè)置為雙線雙向全雙工 SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; /設(shè)置 SPI 工作形式:設(shè)置為主 SPI SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;/設(shè)置 SPI 的數(shù)據(jù)大小:SPI 發(fā)送接收 8 位幀構(gòu)造 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;/選擇了串行時(shí)鐘的穩(wěn)態(tài):時(shí)鐘懸空高

12、SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; /數(shù)據(jù)捕獲于第二個(gè)時(shí)鐘沿 SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;/NSS 信號(hào)由硬件NSS 管腳還是軟件使用 SSI 位管理:內(nèi)部 NSS 信號(hào)有 SSI 位控制 SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;/定義波特率預(yù)分頻的值:波特率預(yù)分頻值為 16 SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;/指定數(shù)據(jù)傳輸從 M

13、SB 位還是 LSB 位開(kāi)場(chǎng):數(shù)據(jù)傳輸從 MSB 位開(kāi)場(chǎng) SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; /CRC 值計(jì)算的多項(xiàng)式 SPI_Init(SPI2, ;SPI_InitStructure); /根據(jù) SPI_InitStruct 中指定的參數(shù)初始化外設(shè) SPI_ 存放器 SPI_Cmd(SPI2, ENABLE); /使能 SPI 外設(shè) SPI2_ReadWriteByte(0_ff);/啟動(dòng)傳輸 3.2 AD /D 采樣設(shè)置1 3.2.1 信號(hào)采集局部信號(hào)采集最先做的就是 A/D 轉(zhuǎn)換。由于 STM32 內(nèi)部 AD 采樣和數(shù)據(jù)處理時(shí)處的環(huán)境溫度是

14、一樣的，這樣就去除了需要溫度補(bǔ)償?shù)拇胧?，并且?nèi)部 ADC 可以直接使用 DMA 操作，可以減少系統(tǒng)資的占用。使用 STM32 內(nèi)部的 AD 可以測(cè)量 2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)和 16 個(gè)外部信號(hào)， 并且在各個(gè)通道的 AD 轉(zhuǎn)換形式又包含有單次、連續(xù)和連續(xù)等多種操作形式的執(zhí)行。并且將轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存到 16 位數(shù)據(jù)存放器中。將輸入電壓-55V，進(jìn)展信號(hào)調(diào)理后為 02V，在 ADC 的范圍內(nèi)進(jìn)展采樣，根據(jù)不同的頻率范圍， 選擇定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)采樣。并且配合 DMA 使得最大采樣頻率可以到達(dá) 1M。2 3.2.2 設(shè)置采樣時(shí)間STM32 內(nèi)部的 AD 是逐次逼近型額 AD 轉(zhuǎn)換器。最多包含有 18 個(gè)通道。STM

15、32 中的 AD 可以進(jìn)展多種形式的轉(zhuǎn)換。所需要強(qiáng)調(diào)的是 STM32 的 ADC 輸入時(shí)鐘不得超過(guò) 14M,并且只由 PCLK2 分頻產(chǎn)生。在使用 ADC 的時(shí)候，需要配置相關(guān)參數(shù): 1.A/D 的形式， 本設(shè)計(jì)中我們?cè)O(shè)置為獨(dú)立形式2.A/D 的通道設(shè)置，由于是單通道的 AD 采樣所以我們?cè)O(shè)置成 DISABLE3.A/D 的轉(zhuǎn)換設(shè)置，由于我們?cè)O(shè)置了定時(shí)器定時(shí)出發(fā)采用所以我們?cè)O(shè)置為ENABLE4.AD 的觸發(fā)選擇，我們?cè)O(shè)置為軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng) 5.使能并校準(zhǔn)指定的 ADC ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;/ADC 工作形式:

16、ADC1 和 ADC2 工作在獨(dú)立形式 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; /模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單通道形式 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;/模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單次轉(zhuǎn)換形式 ADC_InitStructure.ADC_E_ternalTrigConv = ADC_E_ternalTrigConv_None;/轉(zhuǎn)換由軟件而不是外部觸發(fā)啟動(dòng) ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; /ADC 數(shù)據(jù)右對(duì)齊 ADC_I

17、nitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; /順序進(jìn)展規(guī)那么轉(zhuǎn)換的 ADC 通道的數(shù)目 ADC_Init(ADC1, ;ADC_InitStructure);/根據(jù) ADC_InitStruct 中指定的參數(shù)初始化外設(shè) ADC_ 的存放器ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); /使能指定的 ADC1 ADC_ResetCalibration(ADC1); /使能復(fù)位校準(zhǔn)while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1); /等待復(fù)位校準(zhǔn)完畢 ADC_StartCalibration(ADC1);/開(kāi)啟 AD 校準(zhǔn) while(AD

18、C_GetCalibrationStatus(ADC1);/等待校準(zhǔn)完畢 3.3 DMA 配置DMADirect Memory Access：直接存儲(chǔ)器存取， 形象點(diǎn)就好比是一個(gè)搬運(yùn)工，將外設(shè)的數(shù)據(jù)和內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)直接進(jìn)展高速傳輸盡可能的減少 CPU 資的占用， STM32 中含有兩路 DMA， 根據(jù)不同優(yōu)先級(jí)的 DMA 懇求來(lái)安排相關(guān)操作。參考STM32F 系列 ARM 內(nèi)核 32 位高性能微控制器參考手冊(cè) 將 DMA 配置為以下形式：DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = DAC_DHR12RD_ADDRESS; /外設(shè)數(shù)據(jù)地址 DMA_Init

19、Structure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t);DualSine12bit ; /內(nèi)存數(shù)據(jù)地址 DualSine12bit DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;/數(shù)據(jù)傳輸方向內(nèi)存至外設(shè) DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = POINT_NUM;/緩存大小為 POINT_NUM 字節(jié) DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable 外設(shè)數(shù)據(jù)地址固定DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; /內(nèi)存數(shù)據(jù)地址自增 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Word;/外設(shè)數(shù)據(jù)以字為單位 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Word;/內(nèi)存數(shù)據(jù)以字為單位DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;/循環(huán)形式 DMA_InitStructure.DMA_Priority