基于STM32的數(shù)字示波器設計

前言

是德科技（NYSE：KEYS）-原安捷倫電子測量事業(yè)部，是全球電子測量技術(shù)和市場的領導者，致力于推動無線通信、模塊化和軟件解決方案的持續(xù)創(chuàng)新，專注于為客戶提供卓越的測量體驗。是德科技提供的電子測量儀器、系統(tǒng)、軟件及服務廣泛應用于電子設備的設計、研發(fā)、制造、安裝、部署和運營。

此次，是德科技為工程師分享了包括示波器、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、汽車電子等熱門領域的技術(shù)知識，手把手教會工程師如何通過示波器行之有效的實現(xiàn)相關(guān)領域的專業(yè)測試測量。

從朋友得知ST公司在搞活動，可以申請STM32F429的探索套件，作為窮學生一枚的我不免動了心。大二上學期參加完全國大學生電子設計競賽之后閑來無事，就自己做了一個數(shù)字示波器來作為學習STM32的實戰(zhàn)檢驗，前后花費了大概1個月的時間完成了初稿，之后又斷斷續(xù)續(xù)的完善我的示波器，并且為它編寫了上位機程序和制定了通信協(xié)議。使用了前端程控模擬電路和上層電路板，uCOS-II，uCGUI，F(xiàn)FT，SD，上位機等等，現(xiàn)在因為參加老師的項目研發(fā)也就暫時閑置了下來，之前就打算在各大論壇開源，但是一直沒有時間整理設計文檔，恰巧現(xiàn)在ST公司這個活動，所以就全部開源分享給大家吧，一起學習。

下一步計劃重新設計模擬電路部分使用CPLD和高速AD實現(xiàn)更高的采樣率。

硬件平臺：

主控器：STM32F103ZET6 64K RAM 512K ROM

屏幕器：SSD1963

分辨率：480*272 16位色

觸摸屏：TSC2046

模擬電路：OP-TL084

OP-U741

SW-CD4051

CMP-LM311

PWR-LM7805

-LM7905

-MC34063

-AMS1117-3.3

DRT-ULN2003

6.繼電器：信號繼電器

7.電源：DC +12V

注：芯片的數(shù)據(jù)手冊等信息可以在集成電路查詢網(wǎng)站搜索 https://www.datasheet5.com/

芯片詢價和在線購買鏈接https://www.bom2buy.com/

軟件平臺：

開發(fā)環(huán)境：RealView MDK-ARM uVision4.10

C編譯器：ARMCC

ASM編譯器：ARMASM

連機器：ARMLINK

實時內(nèi)核：UC/OS-II 2.9實時操作系統(tǒng)

GUI內(nèi)核：uC/GUI 3.9圖形用戶接口

底層驅(qū)動：各個外設驅(qū)動程序

數(shù)字示波器功能：

波形發(fā)生器：使用STM32一路DA實現(xiàn)正弦，三角波，方波，白噪聲輸出。任意一種波形幅值在0-3.3V任意可調(diào)、頻率在一定范圍任意可調(diào)、方波占空比可調(diào)。調(diào)節(jié)選項可以通過觸摸屏完成設置。

SD卡存儲：SD卡波形存儲輸出，能夠?qū)Ξ斍捌聊唤仄?，以JPG格式存儲在SD卡上。能夠存儲1S內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，可以隨時調(diào)用查看。

數(shù)據(jù)傳輸：用C#編寫上位機，通過串口完成對下位機的控制。

（1）實現(xiàn)STOP/RUN功能

（2）輸出波形電壓、時間參數(shù)

（3）控制截屏

（4）控制波形發(fā)生器

（5）控制完成FFT

（6）波形的存儲和顯示

圖形接口：UCGUI

水平掃速：250 ns*、500ns、1μs、5 μs、10μs、50μs、500 μs、5ms 、50ms

垂直電壓靈敏度：10mV/div, 20mV/div, 50mV/div, 0.1V/div, 0,2V/div, 0.5V/div, 1V/div,2V/div, 5V/div

被測信號的各種參數(shù)屏幕顯示，包括頻率、電壓峰峰值等。

數(shù)字示波器性能參數(shù)：

主控: STM32F103ZET6

液晶屏: 4.3寸TFT480×272 65K彩色LCD顯示屏 FSMC

AD: 12位1MHz采樣率

最高實時取樣率：1MSa/s 12Bits

取樣緩沖器深度：5K

垂直靈敏度：5V，1V，500mV,200mV,100mV,50mV,20mV,10mV;

水平時基范圍：2S,1S,500mS,200mS,100mS,50mS,20mS,10mS,5mS,2mS,1mS,500uS,200uS,100uS,50uS,20uS,10uS,5uS,2uS,1uS

輸入阻抗：≥1MΩ

最高輸入電壓：30Vpp

耦合方式：AC/DC

觸發(fā)功能：實現(xiàn)自動、常規(guī)、單次觸發(fā)方式 ,上升或下降邊沿觸發(fā)

參數(shù)計算：頻率、周期、占空比、交流峰-峰值、平均值、光標追蹤顯示

RUN/STOP

實物展示：

上位機截圖：

設計心得分享

由于程序量比較大，所以在程序中我完成了大量的注釋，詳細的說明了具體的實現(xiàn)方法，其中的示波器原理和FFT原理請自己查閱相關(guān)教材。我個人認為最值得參考的就是如何制定一個效率較高的通信協(xié)議。我查閱了很多資料最后結(jié)合實際設計了一套通信協(xié)議，這套通信協(xié)議效傳輸速率理論最大可達16000bps,實際采用10666bps速率傳輸。協(xié)議的編碼、解碼算法的詳細說明附在附件中。隨著程序量的增加，F(xiàn)103也漸漸感到比較吃力了，其中FFT的運算就是典型代表，也希望借此機會申請到F429帶DSP指令的MCU來進一步提高示波器的性能。

限于目前的知識水平，這套示波器是實踐大于理論的產(chǎn)物，其中很多設計存在先天的不足，以后會繼續(xù)改進，向更高性能邁進。

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