基于单片机的简易示波器设计

技术让梦想更伟大 2023-08-30 1636

技术让梦想更伟大

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描述

    学习单片机，通过做简单的小项目，是成长最快的一种方法。今天就给大家分享一个制作简易示波器的小项目，代码开源，希望对初学者有帮助。

一、前言

该项目是基于正点原子精英板制作的一个简易示波器，可以读取信号的频率和幅值，并可以通过按键改变采样频率和控制屏幕的更新暂停。

mcu

二、硬件接线

将PA6与PA4相连，可观察到正弦波。

将PA6与PA5相连，可观察到三角波/噪声(默认三角波)。

KEY_UP控制波形的更新和暂停。

KEY_1降低采样率。

KEY_0提高采样率。

三、信号的采集

信号的采集主要是依靠ADC（通过定时器触发采样，与在定时器中断中开启一次采样的效果类似，以此来控制采样的间隔时间相同），然后通过DMA将所采集的数据从ADC的DR寄存器转移到一个变量中，此时完成一次采样。

由于设定采集一次完整的波形需要1024个点，即需要连续采集1024次才算一次完整的波形采样（需要采集1024个点的原因在后面会提到）。

因此我们还需创建一个数组用于存储这些数据，并在DMA中断中，将成功转移到变量中的数据依次存储进数组（注意此数组中存入的数据是12位的数字量，还未做回归处理），完成1024个数据的采样和储存，用于后续在LCD上进行波形的显示和相关参数的处理。

此案例用到的是ADC1的通道6（即PA6口）进行数据的采样，主要需注意将ADC转换的触发方式改为定时器触发（我用的是定时器2的通道2进行触发，由于STM32手册提示只有在上升沿时可以触发ADC，因此我们需要让定时器2的通道2每隔固定的时间产生一个上升沿）。

将定时器2设置成PWM模式，即可令ADC1在定时器2的通道2每产生一次上升沿时触发采样，后续即可通过改变PWM的频率（即定时器的溢出频率），便可控制采样的频率。

四、代码配置

ADC的配置：

 

/**********************************************************
简介：ADC1-CH6初始化函数
***********************************************************/                  
void  Adc_Init(void)
{  
 ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; 
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE );   //使能ADC1通道时钟
 

 RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);   //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M

 //PA6 作为模拟通道输入引脚                         
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;  //模拟输入
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 

 ADC_DeInit(ADC1);  //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值

 ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1工作在独立模式
 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单通道模式
 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //模数转换工作在非连续转换模式
 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2; //转换由定时器2的通道2触发（只有在上升沿时可以触发）
 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC数据右对齐
 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的ADC通道的数目
 ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器   

 ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1
 
 ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); //ADC的DMA功能使能
 
 ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能复位校准  
  
 ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_6, 1, ADC_SampleTime_1Cycles5 );//ADC1通道6,采样时间为239.5周期  
  
 ADC_ResetCalibration(ADC1);//复位较准寄存器
  
 while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
 
 ADC_StartCalibration(ADC1);  //开启AD校准
 
 while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));  //等待校准结束
 
 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);  //使能指定的ADC1的软件转换启动功能

}   

 

定时器的配置：

 

/******************************************************************
函数名称:TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
函数功能:定时器3，PWM输出模式初始化函数
参数说明:arr：重装载值
   psc：预分频值
备    注:通过TIM2-CH2的PWM输出触发ADC采样
*******************************************************************/  
void TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{  
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
 TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
 
 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //使能定时器2时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA  | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  //使能GPIO外设和AFIO复用功能模块时钟
 
   //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM2 CH2的PWM脉冲波形 GPIOA.1
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; //TIM_CH2
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO
 
   //初始化TIM3
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
 TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
 
 //初始化TIM2 Channel2 PWM模式  
 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //输出极性:TIM输出比较极性高
 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=1000; //发生反转时的计数器数值，用于改变占空比
 TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);  //根据T指定的参数初始化外设TIM2

 TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE);//使能PWM输出
 
 TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);  //使能TIM2
}

 

DMA配置：

 

/******************************************************************
函数名称:MYDMA1_Config()
函数功能:DMA1初始化配置
参数说明:DMA_CHx：DMA通道选择
   cpar：DMA外设ADC基地址
   cmar：DMA内存基地址
   cndtrDMA通道的DMA缓存的大小
备    注:
*******************************************************************/
void MYDMA1_Config(DMA_Channel_TypeDef* DMA_CHx,u32 cpar,u32 cmar,u16 cndtr)
{
 DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
 
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); //使能DMA传输
 
    DMA_DeInit(DMA_CHx);   //将DMA的通道1寄存器重设为缺省值
 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = cpar;  //DMA外设ADC基地址
 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = cmar;  //DMA内存基地址
 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;  //数据传输方向，从外设读取发送到内存//
 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = cndtr;  //DMA通道的DMA缓存的大小
 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  //外设地址寄存器不变
 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  //内存地址寄存器递增
 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;  //数据宽度为16位
 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //数据宽度为16位
 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;  //工作在循环模式
 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //DMA通道 x拥有高优先级 
 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;  //DMA通道x没有设置为内存到内存传输
 DMA_Init(DMA_CHx, &DMA_InitStructure);  //ADC1匹配DMA通道1
 
 DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA1_IT_TC1,ENABLE); //使能DMA传输中断 
 
 //配置中断优先级
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0 ;
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;  
 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   
 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); 

 DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);//使能DMA通道
}

 

注意：

由于在设置PWM时将TIM_Pulse默认设置为1000，因此在初始化定时器2时，TIM_Period的值不能小于该值，可自行修改。TIM_Pulse的值并不会影响采样频率。

采样频率= 定时器2溢出频率=SYSCLK/预分频值/溢出值因此如果将TIM_Pulse设为1，TIM_Period设为2，TIM_Prescaler设为1，理论上采样频率最高可达36Mhz。

五、数据的处理

数据的处理主要是要求出信号的频率和幅值等相关参数。幅值可以通过找出之前存储1024个点的数组中最大最小值，回归处理过后算出差值。

难点主要在于频率的求取。一个信号中可能包含多种频率成分，而我显示的是幅值最大的频率分量（当然其他频率也可获得）。这里便用到了STM32提供的DSP库中的FFT（快速傅里叶变换），DSP库在最后的源码中有。

需要采样1024个点的原因：FFT算法要求样本数为2的n次方，而DSP库中提供了64，256和1024样本数对应的库函数，因此选用1024最大样本数可以使频率分辨率最小，更加精确。（定义频率分辨率f0=fs/N，其中fs等于采样率，N为采样点数）

需注意：FFT后的输出不是实际的信号频率，需要经过转换。f(k)=k*(fs/N)，其中f(k)是实际频率，k是实际信号的最大幅度频率所对应的数。（详见下面代码，分享的源代码中公式有误，未重新上传）

获取频率的函数：

 

#define NPT 1024//一次完整采集的采样点数

/******************************************************************
函数名称:GetPowerMag()
函数功能:计算各次谐波幅值
参数说明:
备  注:先将lBufOutArray分解成实部(X)和虚部(Y)，然后计算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)
*******************************************************************/
void GetPowerMag(void)
{
    float X,Y,Mag,magmax;//实部，虚部，各频率幅值，最大幅值
    u16 i;
 
 //调用自cr4_fft_1024_stm32
 cr4_fft_1024_stm32(fftout, fftin, NPT); 
 //fftin为傅里叶输入序列数组，ffout为傅里叶输出序列数组
 
    for(i=1; i> 16;
  Y = (fftout[i] >> 16);
  
  Mag = sqrt(X * X + Y * Y); 
  FFT_Mag[i]=Mag;//存入缓存，用于输出查验
  //获取最大频率分量及其幅值
  if(Mag > magmax)
  {
   magmax = Mag;
   temp = i;
  }
    }
 F=(u16)(temp*(fre*1.0/NPT));//源代码中此公式有误，将此复制进去
 
 LCD_ShowNum(280,180,F,5,16);
} 

 

六、模拟正弦波输出

此正弦波输出是用于调试示波器，观察显示和实际是否相同。主要利用DAC输出，在定时器3的中断中不断改变DAC的输出值，产生一个正弦波。因此改变正弦波的频率可以通过更改定时器3的溢出频率。（采用的PA4口进行输出）

在初始化时，我将定时器3的重装载值设置为40，预分频值设置为72，正弦波输出频率为72Mhz/40/72/1024≈24.5Hz（1024是因为将一个周期正弦波均分成1024个输出点，详见下面函数InitBufInArray()）。

经采样处理后显示为24-25Hz，与实际值接近。（但是当采样频率提高到最大3.6kHz时，频率显示为32Hz左右，原因未知）

下面是相关代码：

 

u16 magout[NPT];
/******************************************************************
函数名称:InitBufInArray()
函数功能:正弦波值初始化，将正弦波各点的值存入magout[]数组中
参数说明:
备    注:
*******************************************************************/
void InitBufInArray(void)
{
    u16 i;
    float fx;
    for(i=0; i=NPT)
  i=0;
}

 

七、模拟噪声或三角波输出

模拟噪声或三角波输出可直接通过配置DAC，利用芯片内部的发生器产生。DAC2的转换由定时器4的TRGO触发（事件触发）。同时需要注意设置TRGO由更新事件产生。

若为三角波输出，频率=72Mhz/定时器重装载值/预分频系数/幅值/2；

例如：初始化定时器的重装载值为2，预分频系数为36，幅值为最大（4096），即Freq=72Mhz/2/36/4096/2≈122Hz；

具体代码如下所示：

 

void Dac2_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    DAC_InitTypeDef DAC_InitType;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );   //使能PORTA通道时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE );   //使能DAC通道时钟 

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;     // 端口配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;    //模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
     
    DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_T4_TRGO; //定时器4触发
    DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_Noise;//产生噪声
    //DAC_WaveGeneration_Triangle产生三角波
    DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude =  DAC_TriangleAmplitude_4095;//幅值设置为最大，即3.3V
    DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ; //DAC1输出缓存关闭 BOFF1=1
    DAC_Init(DAC_Channel_2,&DAC_InitType);  //初始化DAC通道2

    DAC_Cmd(DAC_Channel_2, ENABLE);  //使能DAC-CH2
 
    DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0);  //12位右对齐数据格式设置DAC值 
}

void TIM4_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //时钟使能

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值  计数到5000为500ms
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  10Khz的计数频率  
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;     //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

    TIM_SelectOutputTrigger(TIM4, TIM_TRGOSource_Update);//触发外设方式为更新触发
 
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);  //使能TIMx外设
        
}

 

八、显示函数与按键控制

显示波形只需将所获得的1024个采样数据选择一部分进行显示大致思路如下：

 

u16 pre_vol;//当前电压值对应点的纵坐标
u16 past_vol;//前一个电压值对应点的纵坐标
//adcx[]数组及通过DMA存入的1024个原始数据
pre_vol = 50+adcx[x]/4096.0*100;
LCD_DrawLine(x,past_vol,x+1,pre_vol);//根据实际，打点位置可进行相应更改
past_vol = pre_vol;

 

按键的控制是在外部中断中进行（正点原子资料中提供相应参考代码）比较重要的是改变采样频率。

工程分享

https://gitee.com/silent-rookie/Simple-Oscilloscope

　　审核编辑：汤梓红

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