《基于STM32的手持式示波器设计》6300字（论文）

PAGE22基于STM32的手持式示波器设计目录TOC\o"1-2"\h\u4869基于STM32的手持式示波器设计 1182861引言 2100841.1选题的必要性 3311421.2国内外发展情况 3121311.3示波器的起源和发展 3163362方案论证 451342.1电源电路方案对比 4305832.2信号条理电路方案对比 668512.3主控制器方案对比 7228703硬件设计 822823.1主控模块设计 879383.2前端信号处理模块 11292953.3AD转换模块 12272543.4TFT显示模块 13207774软件设计 14326834.1主控电路程序设计 1580672.滴答定时器初始化过程 1711023.外部中断初始化 17301164.2AD转换模块程序设计 17154734.3显示电路程序设计 18270865结果分析及结论和总结 1896935.1技术指标完成一览表 1922875.2结论和总结 19307696参考文献 21引言示波器的出现对于电子信息技术时代来说，是开启了一个新篇章。示波器各方面的性能在发展中逐渐变得丰富了起来。在硬件开发上，测量信号的幅度、频率等信息都离不开示波器，因此示波器的应用与日俱增。市场上的示波器大多都价格昂贵，因此一个成本低，操作简便，便于携带的数字示波器性价比很高。本设计致力于设计出一个高性价比的数字示波器。据悉，模拟示波器最初采用的是显像管技术，但这项技术导致在测量瞬时信号和非周期信号时，不能清晰的显示波形。模拟示波器体积大，不易携带，使用起来十分不方便。因此数字示波器应运而生。泰克、里弗斯等数字示波器有着强大的波形处理能力，可以直接进行FFT变换。在测量一些小信号时，它们的失真率较小，能准确的给出结果。数字示波器特点是体积小，便于传输，便于携带，在日常的测量工作中起着重要的作用。1.1选题的必要性示波器是一种我们熟知的机电仪器。它能将看不见的电信号转换成可见的数字信号或图像，让实验结果变得更加清晰可见。能测量数据、显示波形、波形触发、存储数据、分析数据等都是数字示波器的优点。随着科学技术的发展，使用者对示波器的高频、高带宽、高速度有了新的要求。示波器在众多机电设备中，有着不可替代的地位，它虽然只是一种常用工具，但各种测量都离不开它。因此设计一个简易的手持式示波器是很有必要的。1.2国内外发展情况国际上，示波器的制造商主要分布在美国和日本，示波器市场基本上都被外国瓜分了。但是不得不说，在示波器的发展中，国外的研究始终走在中国前面。这并不是说中国没有研究示波器，相反的，大量的新型人才正在涌入工科的学习。高铁——中国速度的象征，其源头就是自动化，因此，在大环境的影响下，自动化这一专业近年来成为了热门专业。而示波器则是自动化学者得心应手的工具。近年来中国在数字示波器的发展上得到了机电行业的重视，许多人力物力被投入研究数字示波器，许多学者也选择示波器进行研究，因此我国的示波器研究进入了一个高速发展的轨道上。虽然我国的示波器研究仅仅处于摸索阶段，但我相信，有志者，事竟成，我们终有一天能研发出属于我们自己的，好用的数字示波器。1.3示波器的起源和发展1973年第一台示波器诞生了，之后的很长一段时间里，示波器的发展变得十分缓慢，直到20世纪81年代中期，半导体技术和计算机技术的突飞猛进同时也带动了示波器的发展。逐渐的，日渐先进的技术对示波器的功能提出了更多的要求，使得示波器的研究也逐渐前进着。1984年到1987年是最值得铭记的四年，因为这四年是示波器最辉煌的年代，惠普公司、泰克公司相继推出了数字示波器。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科研界也引起了大范围的讨论。目前，示波器行业的发展正处于蒸蒸日上的阶段。特别是近几年，国内数字示波器的生产取得了很大的进步，学者们的研究功不可没。2方案论证本设计是一个简易的基于STM32的手持式示波器，在设计过程中，画出系统结构框图如下：图2.1总体设计框图2.1电源电路方案对比电源是一个器件最关键的部分，机电设备，不管是弱点还是强电，必须要通电才能正常工作，因此，电源的选择也十分关键。下面从参数角度讨论电源电路的使用。2.1.1采用LM2596-5.0的方案如下图所示，这是一个十分简单的供电电路，整个电路只有几个电容、二极管和相匹配的电感。这就是LM2596电路。它的电流能力是输出3A、输入电压40V、开关频率150K、具有TTL立即关断能力、具有较高的转换效率、以及限流保护功能等，是TI公司研发的一款性价比很高的开关电源芯片，内部集成了MOS、PWM控制器、电压检测环等。图2.2LM2596电路原理图2.1.2LM317的应用相信这款电源芯片大家都很熟悉，因为它是目前市场上最为常见的电源集成电路之一。它的稳压器使用起来非常简便。并且具有如下特点：1.输出电压可改变至1.2V；2.输出电流能达到1.5A；3.0.01%的典型线性调整率；4.0.1%的典型负载调整率；5.纹波抑制比为80dB；6.电路输出短路保护；7.电路过流、过热保护；8.保护调整管的安全工作区；9.封装标准三端晶体管；10.1.25V-37V内电压范围连续可调。由电路可以推导出公式：（公式2.1）如图2.3：R3的阻值为240Ω时考虑到Iadj的电流值很小，R4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。由于信号调理电路是双电源供电模式，所以本设计采用LM317和LM337双电源供电。电路最终采用LM317供电方式如图2.3，原因具体如下：1.从电源属性来看，因为LM317是线性电源，采用开关电源LM2596不符合要求。2.从信号强度来看，高频噪声会产生干扰，进而产生不好的后果。3.从获取源来看，LM317的器件实验室有现成器材，而LM2596的货源不充足。图2.3LM317电路原理图2.2信号条理电路方案对比本设计的一个难点在于信号的变换。信号调理开关可以对输入信号的幅度进行增减和补偿，一般示波器的各种参数都会因为输入信号而受限制，因此示波器的精度在一定程度上与此有关。2.2.1采用程控放大器本设计使用程控放大电路，选用AD8337芯片，原理图如图2.4所示。它的工作范围在100MHZ频率以下。它的工作原理是通过控制端将对应的字发送给DAC，然后由DAC运算出确切的电压信号从而得出放大倍数。但是从成本考虑，AD8337芯片的价格接近RMB50，成本太高，故不选用此方案。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是，通过电阻值的大小的改变，切换不同的量程，在普通运算放大器的配合下，完成电路要求。在考虑成本的情况下使用此方案。2.3主控制器方案对比2.3.1STM32F103作为主控制器采用STM32F103单片机，STM32F103单片机是Cortex—M3内核，因为AD采样速率不高且不具备FPU功能，而对于本设计，完成FFT变换MCU运算时间较长，且实时显示能力不强，该方案难度较大，因此不采用该芯片。2.3.2STM32F407作为主控制器采用STM32F407单片机，STM32F407是基于Cortex—M4内核，具有如下特点：1.内核是Cortex—M4，具有FPU功能，主频高达168MHZ，具有DSP架构；2.具有1M字节Flash单元、64K数据内存、192+4K的SRAM以及静态存储控制器；3.具有时钟、复位、电源管理；4.16通道DMA控制器支持FIFO；5.可以随机数生成器；6.具有高精度的RTC；7.具有17个定时器；8.具有并行的液晶接口；9.2个12位DA转换器；10.具有SWD和JTAG调试接口；11.140个具有中断能力的IO口；12.具有96位ID；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.功耗功能低可以随机数生成器；15.具有CRC计算单元；16.具有15个通信接口；17.3个12位，2.4M的AD，具有24通道和7.2M的AD转换；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主控模块设计本设计的主控芯片是STM32芯片，该芯片自带16通道的12位高精度A/D转换器，速度非常快，完成转换只需1μs，本设计的要求它都能满足。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使用的是ST公司的STM32F4DISCOVERY开发板。STM32F4DISCOVERY是一款芯片，32位ARMCortex-M4F核，电源指示灯为LD2:3.3V。它是一块高性能芯片，支持3.5寸工业级LCD触摸屏，130万像素OV9655Camera模块，多达6路串口，CAN，IIC,SPI,以太网口，USB2.0FSOTG/device/host,TFT卡等。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，ADC采样时，需要先在幅度和相位方面对输入的信号进行线性处理。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。图3.4STM32F407的DAC运放3.4TFT显示模块为了对实验产生的动态波形图有清晰的展现，我们采用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，将不必要的设计删去，减小了数字示波器体积。出于降低能耗的考虑，智能调节屏幕亮度。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，通过AD采集数据，运算，显示结果。这就要求单片机能处理以上要求，程序的设置就尤为关键，本小结将分模块介绍本设计软件方面的设计。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主控电路程序设计为了使得电压满足条件，首先将输入的模拟信号经过运放进行衰减和放大，等它能够进行实现采集、数值的处理和显示波形，再进入STM32芯片，进行运算后输出。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。启动方式如下表：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上述过程。2.滴答定时器初始化过程滴答定时器是一个简单的定时器。主要用途有如下几个方面：1）产生时钟街拍2）便于程序移植3）测量时间只要不把它在滴答控制及状态寄存器中的使能位清除，计时器就永不停息。可以实现延时功能，这样不占用系统定时器。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或下拉，也可以设置成为悬空输入，但悬空输入外部需要加上拉电阻或下拉电阻，不然会不停的触发，而在干扰较大的地方，就算使用了上拉或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。4.2AD转换模块程序设计A/D转换器一般用分辨率和转换误差描述转换精度。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TFT屏幕的分辨率为320*240。TFT是薄膜晶体管的缩写，他说最好的LCD彩色显示器之一。它可以做到高速、高亮度、高对比度的显示屏幕信息。TFT屏幕的图像细腻逼真，且自重轻，功耗低，环保性能好，广泛用于各行各业中。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。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，数字示波器可以完成交流、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，得到了示波器上的傅里叶变换函数，并得出以下结论：当示波器中插入信号时，示波器突出显示其不同的频率值和不同的宽度，显示在示波器屏幕上。然后，通过该函数，可以更容易地提取大信号的频率、主信号的频率以及相应的信号宽度。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档达标表3技术指标完成一览表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以下步骤：1）在程序中更改IO的输出模式为输入模式，编译；2）先确认电源是否连接好；3）先长按住目标板上的复位键，再点击设定，再松开目标板上的复位键；4）然后软件调到设置，设置好参数，再进行下一个设定；5）将芯片切断电源，再重新连接；6）先长按芯片的复位键，然后点下载按钮，再释放复位键。6参考文献[1]刘君.基于STM32的示波器设计[D].长江大学.2014.[2]王文理,刘志强.基于AT89S52单片机与AD0804的数字示波器设计[J].微计算机信息.2009(25)：114-115.[3]王鹏天.数字存储示波器关键技术研究[D].电子科技大学.2012：67-68.[4]周萍,陈毅华.基于STM32掌上型数字存储示波器的研制[J].江苏技术师范学院学报.2011(04)：68-69.[5]聂素丽.基于嵌入式系统的便携式数字示波器设计[J].数字技术与应用.2013(11)：56-57.[6]苏鹏,周风余.基于STM32嵌入式语音识别模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用