【基于STM32的手持式示波器设计8300字（论文）】

基于STM32的手持式示波器设计TOC\o"1-3"\u1 引言 11.1选题的必要性 21.2国内外发展情况 21.3示波器的起源和发展 22方案论证 32.1电源电路方案对比 42.2信号条理电路方案对比 62.3主控制器方案对比 73硬件设计 73.1主控模块设计 73.2前端信号处理模块 103.3AD转换模块 113.4TFT显示模块 124软件设计 134.1主控电路程序设计 134.2AD转换模块程序设计 174.3显示电路程序设计 175结果分析及结论和总结 195.1技术指标完成一览表 195.2结论和总结 196参考文献 21引言在电子信息测量技术的发展道路上，示波器的问世给测量技术带来了巨大的变化，可以说是一场新的革命。从布劳恩的第一台示波器问世以来，示波器的功能越来越多样化，性能也逐渐变得丰富了起来。最早的模拟示波器是采用显像管技术，将电子束通过电极产生的电场引导到屏幕上的磷颗粒中，从而产生荧光来显示波形。在某些周期性信号的测量中，如正弦波形和三角波等，传统模拟示波器可以更稳定的显示出所测的信号的波形，但对于非周期信号或瞬时信号，通常不能正常显示，在测量过程中会丢失波形。尤其是测量低频率小信号时，失真率较大。当输入频率小于100Hz时，波形闪烁严重。在测量小于30Hz的信号时，需要通过光斑的运动来提前判断信号的波形和周期。这就造成了太多的误差，而且由于模拟器体积大，不易携带，随着数字示波器的出现，泰克、里弗斯等数字示波器由于其强大的波形处理能力，可以直接进行FFT变换。特别是在测量一些小信号时，失真率比较小，数字示波器体积小，便于传输，因此得到了广泛的应用。随着集成电路的发展和数字信号处理技术的普及，数字示波器逐渐成为一种集显示、测量、运算、记录、分析等功能于一体的智能仪器。数字示波器在性能上逐渐取代了传统的模拟示波器，因为数字示波器具有存储波形、体积小、功耗低、使用方便等优点，同时也具有强大的实时信号处理和分析功能。因此，它的应用越来越广泛。1.1选题的必要性示波器是一种广泛应用的电子测量工具。它能将不可见的电信号转换成可见的数字信号或图像，使人们更容易研究不同电现象的变化过程。数字示波器具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析等独特的优点，随着科学技术的发展，对示波器的高频、高带宽、高速度提出了新的要求。因为其便捷有效，示波器在各个行业中起着不可替代的作用。1.2国内外发展情况国际上，示波器行业主要有美国的泰克、力科、安捷伦、HP公司，日本的日立、建伍，几十家制造商，其产品占据了国际示波器市场的大部分份额。这些制造商的产品基本上反应了国外示波器的发展历史、现状和未来的趋势。其中，1947成立的美国泰克公司，目前有九大系列，100多种，几乎各个门类示波器的最高指标均被它占据，因此成为了示波器领域公认的权威。力科公司一直都是数字示波器的专用供货商，在高档产品这个方面以赶超泰克产品为目标，并发挥自己的高能物理测量特长。安捷伦公司是测量仪器产品最全面的供应商，示波器只是它旗下多种品牌产品之一。近年来数字存储示波器的发展速度逐渐缓慢，但由于其基础雄厚，仍然不断地有高档产品推出。因此，在高档数字存储示波器市场里，泰克、力科、安捷伦三家最具竞争力。近年来中国数字存储示波器的可靠性和稳定性方面的问题得到了全方面的重视，状况有了很大的改观。示波器行业目前已经不在低谷阶段，而是重新回到了快速发展的轨道上，尤其在近几年，中国本土数字示波器取得了极大的进步，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定分量的冲击。但客观来说，我国目前在数字示波器的生产领域内基本处于刚起步的摸索阶段。国内示波器主要厂家有上海无线电二十一厂，西安红华无线电厂、辽宁无线电二厂、江苏绿杨集团、北京普源精电科技有限公司等。1.3示波器的起源和发展第一台示波器已有60多年的历史，大致可以分为以下几个阶段：上世纪30-50年代是一个带电子管的示波器阶段。1958年，示波器的带宽达到100MHz，60年代达到集成示波器的设计阶段。集成电路技术为示波器的小型化和向高性能、高可靠性方向发展创造了条件。第一台数字存储示波器诞生于1972年，自20世纪80年代以来，示波器的数字存储有着不同的性能。现代示波器取代了模拟示波器，具有数字存储、数据处理、光标测量、CRT显示等多种功能，在科学研究领域，示波器不仅可以表达波形，而且可以表达波形。它可以同时测量值。与数字频率计、数字电压表等数字仪器相比，示波器也具有这些重要的功能。近年来，示波器被用作测量、显示、存储、比较、计数、程控等功能的指标。示波器数字存储的可靠性和稳定性在国内引起了广泛的兴趣。目前，示波器行业已经走出低谷。特别是近几年，国内数字示波器的生产取得了很大的进步，这对国外大型电子仪器的垄断产生了一定的影响，我国数字示波器的生产还处于初级阶段。示波器的主要发展方向：1.高模拟带宽频率是示波器的技术指标，其意义不可言喻，国外高端示波器设计公司仍在不断创新，希望设计出更高的宽带示波器，国内示波器厂商希望尽快开发出一种具有高抗干扰能力的集成模拟通道。随着行业标准的不断完善，未来通信娱乐电子行业，特别是电源设计领域出现了新的应用和标准。在技术发展的过程中，电子设计工程师每天都要面对这些新技术的挑战。因此，示波器厂商需要针对这些新标准推出自己的解决方案，以帮助用户开发基于这些新技术的新产品，这些产品将推动整个电子行业的发展。随着未来市场的发展，示波器需要融入更多的应用，使得示波器的多功能集成对于测试供应商来说显得尤为重要，因此，企业在开发测试平台时不能只提供多功能的硬件平台，同时也用一个实用的应用软件丰富了测试平台，使其能够面对各种复杂的测试任务[4,5]。2方案论证本设计需要完成单通道1MHZ的信号采样，并且能设置交流、直流耦合方式，完成电压频率测量，完成FFT变换功能等。系统结构框图如下：图2.1总体设计框图2.1电源电路方案对比电源给信号调理电路和TFT显示模块供电，电源的好坏关系到电路的稳定，因此电源的选择十分关键。2.1.1采用LM2596-5.0的方案基于LM2596的供电电路十分简单，只需要几个电容、二极管和匹配的电感即可。它具有3A的输出电流能力、输入电压可高达40V、高达150K的开关频率、TTL立即关断能力、转换效率高、限流保护等相关功能，是TI推出的一款卓越的开关电源芯片，内部集成了MOS、PWM控制器、电压检测环等，因此在如今的电子行业应用越来越广泛。图2.2LM2596电路原理图2.1.2LM317的应用这款电源芯片大家都很熟悉，因为它是应用最为广泛的电源集成电路之一。它不仅具有固定式三段稳压电路的最简单形式，而且输出电压可调特点。此外具有跳崖范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等特点。LM317在输出电压范围1.2V-27V时能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常易于使用。并且具有如下特点：1.可改变输出电压至1.2V；2.保证1.5A输出电流；3.典型线性调整率0.01%；4.典型负载调整率0.1%；5.80dB纹波抑制比；6.输出短路保护；7.过流、过热保护；8.调整管的安全工作区保护；9.标准三端晶体管封装；10.电压范围1.25V-37V连续可调。其输出电压参考公式：公式1如图2.3：R1的阻值为240Ω时考虑到Iadj的电流值很小，R2的计算阻值为720欧姆，但是该阻值不存在，因此用1KΩ的滑动电阻替代，其中C19和C20分别输入输出滤波电容。由于信号调理电路需要双电源供电模式，所以本设计采用LM317和LM337双电源供电。继电器为6VDC，因此另一路需要继电器6V供电。电路最终采用LM317供电方式如图2.3，原因具体如下：1.LM317为线性电源，若在此处采用开关电源LM2596则会对NE5532处理小信号造成干扰，因为开关电源的纹波大，不太适合用在此处。2.开关电源的高频噪声会干扰电路板的小信号，开关频率为150KHZ，信号会通过板子布线、焊接方式等产生不可预料的后果。3.LM317的外围器件容易获得，实验室具有现成器材，LM2596的续流二极管和电感货源不充足。图2.3LM317电路原理图2.2信号条理电路方案对比信号调理切换是本设计的一个难点。信号调理开关可以对输入信号的幅度进行增减和补偿，一般示波器的精度和其它相关参数都受此限制，因此信号调理的设计直接决定了示波器的精度。2.2.1采用程控放大器一般可采用程控放大电路实现，选用AD8337，原理图如图2.4所示。AD8337是ADI公司生产的一款单端、低噪声的电压控制性可程控运算放大器。它可以工作在100MHZ以下的频率。在工作的时候，它通过控制端发送对应的字给DAC，然后DAC转换出相应的电压信号来控制AD8337的放大倍数。但是一片AD8337的价格需要接近RMB50，成本高，因此不选用此方案。图2.4AD8337电路实现2.2.2基于继电器实现程控基于继电器实现程控放大器的功能继电器的主要作用是切换放大或衰减倍数，改变电阻值的大小，配合普通运算放大器能够实现不同的量程之间的切换。[8]本着成本的原则选择此方案，该方案具体将在下章介绍。2.3主控制器方案对比本设计中主控制器需要完成继电器控制、AD采集、显示器控制、触摸芯片控制、FFT变换等功能。现在有如下两种方案：2.3.1STM32F103作为主控制器采用STM32F103单片机，STM32F103单片机是Cortex—M3内核，缺点是AD采样速率不高且不具备FPU功能。对于本设计，该方案难度较大，完成FFT变换MCU运算时间较长，实时显示能力不强，因此不采用该芯片。2.3.2STM32F407作为主控制器采用STM32F407单片机，STM32F407是基Cortex—M4内核，具有如下特点：1.Cortex—M4内核，具有FPU功能，主频高达168MHZ，具有DSP架构；2.高达1M字节Flash单元、64K数据内存、192+4K的SRAM、灵活的静态存储控制器；3.并行的液晶接口；4.时钟、复位、电源管理；5.低功耗功能；6.3个12位，2.4M的AD，高达24通道和最高可达7.2M的AD转换；7.2个12位DA转换器；8.16通道DMA控制器支持FIFO；9.高达17个定时器；10.具有SWD和JTAG调试接口；11.140个具有中断能力的IO口；12.多达15个通信接口；13.支持全速USB2.0协议，10/100自适应接口、8-14位并行摄像接口；14.随机数生成器；15.CRC计算单元；16.具有一个唯一的96位ID；17.高精度的RTC；基于以上所述原因，选用STM32F407单片机完成本设计。3硬件设计3.1主控模块设计STM32示波器的整体结构如下图所示：图3.1基于STM32的示波器的整体结构3.1.1主控板电路硬件分析本次主控板借用的是ST公司STM32F4DISCOVERY开发板。内部集成以下芯片ST—Link仿真芯片STM32F103C8T6、LD3985M电源芯片、CS43L22音频芯片等。图3.2STM32F4DISCOVERY3.1.2IO管脚分配序号单片机外设备注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继电器28PD13LED_2,Q_229PD14LED_3,Q_330PD15LED_4,Q_431Q_532PA6TIM3_CH1TIM333NRST复位按键复位表1IO管脚分配一览表3.2前端信号处理模块图3.3信号处理流程图本模块功能是对输入信号波形进行处理。对于数字波而言，输入的信号不能直接进行ADC采样，需要对输入的信号在幅度和相位方面进行线性处理。前级信号调理电路主要由阻容衰减电路，程控放大电路，电平移位电路，极性变换电路和阻抗变换电路五部分组成。电路原理图如下图所示。图3.3信号处理流程图3.3AD转换模块A/D转换就是将模拟量转换成数字量。模数转换的形式较多，如逐次逼近型，计数比较型，双积分型等。在启动信号的控制下设置逻辑电路，选择寄存器的最高位置“1”。D/A转换后，将模拟值与输入模拟值进行比较，电压比较返回比较结果，如果输入值大于或等于D/A转换后的初始值，则比较值为1，否则为0。根据比较的初始结果，所选选择逻辑电路将改变逐次逼近寄存器的内容，使D/A转换后的模拟量逐步逼近输入的模拟量，这样经过多次修改后的数字量就是A/D转换结果的量。对于A/D采样，必须注意以下三点：1.ADC输入电压的采样范围2.A/D电压的采样精度3.输入信号前端的滤波处理。图3.4STM32F407的DAC运放3.4TFT显示模块由于本设计需要对实时采样的数据生成动态的波形图，因此采用TFT屏作为人机交互界面，同时可以实现触摸人机界面、多级菜单设计，也省去了部分外围硬件电路设计，减小了数字示波器体积。同时，智能调节TFT屏幕亮度，自动降低能耗。TFT屏幕上的每个LCD像素都由像素后面的集成薄膜晶体管驱动，因此TFT屏幕也是有源矩阵LCD器件类型，是最好的LCD彩色显示器之一。TFT-TEM屏幕具有高响应、高亮度和高对比度的优点，显示效果接近CRT显示器。图3.5TFT内部结构图TFT接口电路如下图所示：图3.6TFT接口电路4软件设计系统软件是本设计的核心，以STM32为中心，实现AD采集数据运算功能，因此很大的程度上依赖于单片机。因此单片机的程序将至关重要，本小结分模块介绍本设计的软件方面的设计。下图是示波器软件分析流程图：图4.1示波器软件分析流程图4.1主控电路程序设计本设计中将输入的模拟信号经过运放进行衰减和放大后使得电压满足条件，能够进行实现采集、数值的处理和显示波形。下图为系统软件框图：图4.2系统软件框图4.1.1主控芯片的启动方式STM32F407是CORTEX—M4内核，采用C语言编程方式，启动应该是从main函数启动开始，此时应该考虑到单片机里的main函数应用，这样就涉及到STM32单片机的启动过程。在STM32F4中可以通过BOOT[1:0]引脚选择三种不同启动模式。启动模式选择引脚启动模式说明BOOT1BOOT0X0主闪存存储器主闪存存储器选定为启动区域01系统存储器系统存储器选定为启动区域11内置SRAM内置SRAM选定为启动区域表2启动方式在系统复位以后，SYSCLK的第四个上升沿，BOOT引脚的值被锁存。用户可以通过设置BOOT1引脚的状态来选择复位后的启动模式。在启动延时之后，CPU从地址0X00000000获取堆栈顶的地址，并从启动存储器的0X00000004指示的地址开始执行代码。ST公司提供了STM32单片机的启动文件“startup_stm32f4xx.s”，开发人员直接调用启动文件即可进行C开发。该启动文件中配置了如下信息初始化SP、设置初始PC值、设置中断向量地址、设置系统时钟和存储器的分配、跳转到main函数。4.1.2主控芯片程序的初始化在STM32F407中开启了RTC、SPI1、滴答定时器、外部中断0、定时器1中断、定时器2、ADC1转换通道、FPU功能等相关功能，共同完成AD检测、计算、显示、继电器控制等相关功能。SPI的初始化过程SPI1的初始化先进行时钟的使能，IO设置，SPI模式配置，SPI的使能四个步骤完成SPI的初始化。2.滴答定时器初始化过程滴答定时器被捆绑在NVIC中，用于产生SYSTICK异常，大多数操作系统需要一个硬件定时器来产生操作系统所需要的滴答中断，作为系统的时基。而Cortex—M4内核中包含了一个简单的定时器，即为滴答定时器。主要用途有如下几个方面：1）产生操作系统的时钟街拍2）便于不同处理器之间程序移植3）作为一个闹铃测量时间滴答定时器是一个24位倒计数定时器，当计数到0时，将从RELOAD寄存器中自动重装定时器初值。只要不把它在滴答控制及状态寄存器中的使能位清除，就永不停息。利用该定时器来实现延时，这样既不占用中断也不占用系统定时器。3.外部中断初始化STM32的每一个IO口可以作为外部中断的输入，同时可以设置成上拉/下拉，也可以设置成为浮空输入，但浮空输入外部需要加上拉电阻或者下拉电阻。否则可会导致不停的触发，在干扰较大的地方，就算使用了上拉或者下拉也建议在外部使用上拉或者下拉，这样可以在一定程度上防止外部干扰带来的影响。下面介绍配置外部中断的步骤：1）开启IO时钟、复用时钟2）初始化IO的状态为输入状态3）设置IO与中断线的映射关系、开启与该IO口相对的线上中断或事件，设置触发条件。STM32的IO与中断线的对应关系需要配置外部中断寄存器EXTICR，配置中断产生条件，STM32可以配置成上升沿、下降沿、任意电平变化触发，同时开启中断线上的中断，我们使用库函数操作。4）配置中断分组，并使能中断配置中断分组以及使能，对于STM32的中断来说，只有配置了NVIC的设置，并开启才能被执行，否则是不会执行到中断服务函数里面去的。4.定时器初始化STM32的定时器可用于测量输入信号的脉冲长度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和PWM输出）等。使用定时器预分频器和RCC时钟控制器预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微妙到几个毫秒间调整。在本设计中TIM1开启的作用是触发AD转换，因此需要对TIM1做如下设置：1）配置TIM1的时钟2）设置成增计数、预设自动重装值完成初始化3）将TIM1配置成PWM模式触发AD本设计中TIM2、TIM3用来测量波形周期。在主程序中完成以下几个步骤：1）进行初始化：主程序中初始化所有的外设接口2）进行傅里叶变换，主要是调用FPU功能3）显示波形，进行打点显示，并且每次不是全部刷新GRAM、每次只刷新一个点。4）获得AD值，调用函数get_value()。4.2AD转换模块程序设计A/D转换的过程是模拟信号依次通过取样、保持和量化、编码几个过程后转换为数字格式。A/D转换模块特点：1.8/10位精度；2.7us，10位单词转换时间；3.采样缓冲放大器；4.模拟/数字输入引脚复用；5.1到8转换序列长度；6.连续转换模式；7.多通道扫描方式。图4.3AD转换流程图4.3显示电路程序设计显示部分采用的是显示器件为320*240的TFT屏幕。由于STM32的引脚很多并且引脚的配置也很多，可以较方便的控制TFT的处理操作，应用软件对TFT使能使其开启开始画面。TFT显示器的优势在于能够稳定的显示动态的波形，不需要频繁的操作，稳定性高。TFT软件流程图如下图所示：图4.4TFT软件流程图5结果分析及结论和总结5.1技术指标完成一览表如表13所示，本设计完成了单通道100KHZ的采样，并且有交流和直流耦合方式，能进行FT变换，水平和垂直灵敏度达到10档以上。技术指标预设指标达标情况通道模式双通道单通道输入阻抗1M达标耦合方式直流、交流耦合达标触发方式上升或下降不涉及波形储存存储4K不涉及频谱分析FFT要求达标波形暂停显示要求不涉及输入电压范围5mV～10V达标模拟频带宽度0Hz～1MHz0HZ～100KHZ最高实时采样率1MHz100KHZ水平时间灵敏度10档达标垂直幅度灵敏度10档达标图表13技术指标完成一览表5.2结论和总结本文所述的数字示波器采集系统满足要求，数字示波器可完成交流、直流耦合，输入阻抗达1M欧姆，输入电压5mv~10V，最高采样率为100KHZ在调试系统时得出以下几个经验小结：1.在Keil中遇到不能在线仿真的问题，出现的解决办法：1）先确认ST-link的驱动是否安装正确，在设备管理器里确认；2）在debug里选择ST-linkdebugger；3）点后面的setting,将里面的ort选为SW；4）在utilities里同样选择st-linkdebuger；5）setting里点add，找出里面的STM32F4xx后面带1M选上。完成以上download一下，解决了下载问题。如何理解傅里叶变换：使用实验室优利德公司的UTD2062CE60MHZ1GS/S数字示波器进行傅里叶变换分析，得出示波器上进行傅里叶变换需要完成的功能。最终通过测试得出以下结论：一个信号输入到示波器，示波器提出其不同的频率值，以及不同的幅值在示波器的屏幕上显示出来，那么通过这个功能就能很容易的提取出一个信号的杂波信号的频率、和主要信号的频率以及其对应的幅值的大小。3.下载时候遇到“st-linknotargetconnected”之前所有下载无任何问题。1）思考是否板子ST_Link驱动问题，确认Keil能正确识别，无问题2）是否板子晶振损坏，之前下载程序能在CPU中正确执行，无问题3）是否ST_link硬件损坏，同理1），否则不会出现正确识别的现象，无问题4）思考前一次和后一次程序有何不同，仅仅只配置了PA14的IO为输出模式，查看原理图发现问题，原理图中PA13、14连接了TMS/SWDIO和TCK/SWCLK引脚，而且该引脚是作为下载输入端口，那么这里原因发现了。我设置该IO口状态为推挽输出，待上次程序正确之后，一旦MCU板上电，则该IO口为输出状态，而再次下载时，该IO口是需要作为输入进行读取数据操作的。而需要的解决办法参照一下步骤：1）在程序中更改IO的输出模式为输入模式，编译；2）先确认目标板上电；3）先长按住目标板上的复位键，再点击Settings，再松开目标板上的复位键；4）此时KEIL打开Settings的设置对话框，请确认有SWD的内容后，再进行下一步；5）将STM32F41Discovery板断电，重新上电；6）先长按STM32F4Discovery的复位键，再点击仿真或者下载按钮，再松开复位键。6参考文献[1]丁红斌,秦会斌,孙顺远.基于STM32的虚拟示波器的设计与实现[J].电子器.2009(06)：45-46.[2]王文理,刘志强.基于AT89S52单片机与AD0804的数字示波器设