基于单片机stm32的迷你示波器 - 单片机 嵌入式 物联网(含代码)
基于stm32的迷你示波器
- 难度系数：4分
- 工作量：4分
- 创新点：3分
1 简介
在一些简单的电子电路设计中，无需使用到高性能且体积庞大的台式示波器。因此，本项目为体积小巧的USB虚拟示波器。在设计过程中，在考虑了成本问题的基础上，尽量实现标准示波器的各项功能，充分发挥芯片性能。参数和特点如下：
- 采样率2MSa/S
- 测量范围±10V
- 交流耦合和直流耦合模式
- 输入阻抗约为1MΩ/100pF
- 最大100倍程控增益
- 电压测量精度2%
- 支持一键自动功能
- 支持FFT模式
- 在快速模式下屏幕刷新率可达20FPS
2 主要器件
- STM32G030主控芯片
- XC6902N331稳压芯片
- 1117线性稳压芯片
- NCS20072运放芯片
- CD4053模拟开关
- CH340串口转USB芯片
3 实现效果
4 设计原理
4.1 硬件部分
总体说明
硬件主要包括将测量信号转换至单片机AD可以采集的模拟信号转换部分、单片机电路USB串口数字电路部分和±3.3V电源部分。
信号转换电路
信号首先经过680KΩ和220KΩ电阻电容构成的衰减电路，使得±10V的信号转化至运放可以处理的±2.5V范围，后一级电压跟随器使得示波器的输入阻抗为900KΩ/90pF。
由单刀双掷开关控制是否经过RC高通滤波器，以实现交直流耦合切换。此处使用继电器是一个更好的方案，但模拟开关CD4053的价格显然更为合适。
两个同相比例放大器构成类似于级联的形式，由模拟开关控制是否进行放大。第一级放大倍数为5倍，第二级放大倍数接近于20倍。从而可以实现放大倍数为1倍、5倍、20倍、100倍的不同增益。相比较由一个运放构成的改变反馈电阻的程控放大电路，该电路对于频率较高的小信号有更好的放大能力。
后续经过电压抬升电路，将正负电压信号转换成单片机AD可以采集的信号，最终的信号将叠加在1.5V直流量上。比较器的正比较端也接入1.5V直流信号，比较器输出端即为同频率的脉冲信号。加入比较器的主要作用是获取波形的频率值，以更快的实现一键自动功能。
此外，图中所用的LM358通用运放在实际调试中改成了性能更好的NCS20072运放。可能由于LM358的压摆率太低，导致在频率超过10KHz时就会出现奇怪的失真波形。
主要原理图
4.2 软件部分
软件包括STM32单片机部分和LabVIEW上位机部分。单片机主要实现串口接收指令、AD采集、波形数据转换和串口发送波形数据的功能。采用STM32Cube预先配置各项参数，在Keil中进一步编程。
单片机参数配置
配置ADC触发方式为定时器触发，这样可以更精准的控制采样间隔。由DMA控制器将波形数据保存至数组，并设置DMA为非循环模式。
配置串口波特率为256000（没有采用常用的115200，因为只有在该波特率下才能够实现20FPS的刷新率）。开启接收中断。由DMA控制串口发送数据，这样在发送串口数据时，不会影响主程序的运行，从而可以提高刷新速度。
在频率测量中，配置定时器为输入捕获模式，将定时器从模式设置为复位，触发源为TI1FP1。由DMA控制器将每次脉冲信号来临时，将定时器的计数值保存至数组。另外，比较器的输出端含有高频脉冲噪声，需要配置定时器输入通道滤波器。
单片机波形采集程序
串口波形数据格式为< time00640fre00100amp0dc>的形式。其中AD触发定时器的计数值Time，最大65535；输入捕获定时器的计数值Fre，最大65535；程控放大器的放大倍数Amp，最大值3；耦合方式用DC和AC表示。
波形采集过程如下。
上位机程序
上位机的主要工作是解析来自串口的字符串，处理波形、计算相关参数并显示。在单片机中不进行浮点运算，所有的波形数据均为AD采集的原始数据，为整数形式。而在上位机中，需要将这些整数转换成电压值。很显然，单片机AD值和输入电压值之间理论上成完全的线性关系，在上位机中需要跟据此线性关系求得实际电压值。在本作品中，有着4种程控增益，也就对应着4个函数关系。
5 部分核心代码
#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "dma.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "wave.h"
#include "msg.h"
/* USER CODE END Includes */
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
/* USER CODE END PTD */
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */
/* USER CODE END PM */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PV */
/* USER CODE END PV */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
/* USER CODE END PFP */
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/* USER CODE END 0 */
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM1_Init();
MX_TIM3_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
my_UartInit(&UsartData);
my_WaveInit(&WaveData);
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
my_Wave(&WaveData);
}
/* USER CODE END 3 */
}
/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};
/** Configure the main internal regulator output voltage
*/
HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
* in the RCC_OscInitTypeDef structure.
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.HSIDiv = RCC_HSI_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = RCC_PLLM_DIV1;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 8;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the peripherals clocks
*/
PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART1|RCC_PERIPHCLK_ADC;
PeriphClkInit.Usart1ClockSelection = RCC_USART1CLKSOURCE_PCLK1;
PeriphClkInit.AdcClockSelection = RCC_ADCCLKSOURCE_SYSCLK;
if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
/* USER CODE BEGIN 4 */
/* USER CODE END 4 */
/**
* @brief Period elapsed callback in non blocking mode
* @note This function is called when TIM14 interrupt took place, inside
* HAL_TIM_IRQHandler(). It makes a direct call to HAL_IncTick() to increment
* a global variable "uwTick" used as application time base.
* @param htim : TIM handle
* @retval None
*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
/* USER CODE BEGIN Callback 0 */
/* USER CODE END Callback 0 */
if (htim->Instance == TIM14) {
HAL_IncTick();
}
/* USER CODE BEGIN Callback 1 */
/* USER CODE END Callback 1 */
}
/**
* @brief This function is executed in case of error occurrence.
* @retval None
*/
void Error_Handler(void)
{
/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
/* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
__disable_irq();
while (1)
{
}
/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
/* USER CODE BEGIN 6 */
/* User can add his own implementation to report the file name and line number,
ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
/* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */
/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics ***** END OF FILE ****/
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