基于STM32的開源簡易示波器項目

一起學嵌入式 2023-04-24 07:50

“傻瓜式”高密度電源設計 瑞薩×物聯網：4 場直播，搞定全棧無線連接開發

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一、前言

該項目是基于正點原子精英板制作的一個簡易示波器，可以讀取信號的頻率和幅值，并可以通過按鍵改變采樣頻率和控制屏幕的更新暫停。

二、硬件接線

將PA6與PA4相連，可觀察到正弦波。
將PA6與PA5相連，可觀察到三角波/噪聲(默認三角波)。
KEY_UP控制波形的更新和暫停。
KEY_1降低采樣率。
KEY_0提高采樣率。

三、信號的采集

信號的采集主要是依靠ADC（通過定時器觸發采樣，與在定時器中斷中開啟一次采樣的效果類似，以此來控制采樣的間隔時間相同），然后通過DMA將所采集的數據從ADC的DR寄存器轉移到一個變量中，此時完成一次采樣。

由于設定采集一次完整的波形需要1024個點，即需要連續采集1024次才算一次完整的波形采樣（需要采集1024個點的原因在后面會提到）。

因此我們還需創建一個數組用于存儲這些數據，并在DMA中斷中，將成功轉移到變量中的數據依次存儲進數組（注意此數組中存入的數據是12位的數字量，還未做回歸處理），完成1024個數據的采樣和儲存，用于后續在LCD上進行波形的顯示和相關參數的處理。

此案例用到的是ADC1的通道6（即PA6口）進行數據的采樣，主要需注意將ADC轉換的觸發方式改為定時器觸發（我用的是定時器2的通道2進行觸發，由于STM32手冊提示只有在上升沿時可以觸發ADC，因此我們需要讓定時器2的通道2每隔固定的時間產生一個上升沿）。

將定時器2設置成PWM模式，即可令ADC1在定時器2的通道2每產生一次上升沿時觸發采樣，后續即可通過改變PWM的頻率（即定時器的溢出頻率），便可控制采樣的頻率。

四、代碼配置

ADC的配置：

/**********************************************************
簡介：ADC1-CH6初始化函數
***********************************************************/??????????????????
void??Adc_Init(void)
{??
?ADC_InitTypeDef?ADC_InitStructure;?
?GPIO_InitTypeDef?GPIO_InitStructure;

?RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA?|RCC_APB2Periph_ADC1,?ENABLE?);???//使能ADC1通道時鐘
?

?RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);???//設置ADC分頻因子6?72M/6=12,ADC最大時間不能超過14M

?//PA6?作為模擬通道輸入引腳?????????????????????????
?GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?GPIO_Pin_6;
?GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_AIN;??//模擬輸入
?GPIO_InitStructure.GPIO_Speed?=?GPIO_Speed_50MHz;
?GPIO_Init(GPIOA,?&GPIO_InitStructure);?

?ADC_DeInit(ADC1);??//復位ADC1,將外設?ADC1?的全部寄存器重設為缺省值

?ADC_InitStructure.ADC_Mode?=?ADC_Mode_Independent;?//ADC工作模式:ADC1工作在獨立模式
?ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode?=?DISABLE;?//模數轉換工作在單通道模式
?ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode?=?DISABLE;?//模數轉換工作在非連續轉換模式
?ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv?=?ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2;?//轉換由定時器2的通道2觸發（只有在上升沿時可以觸發）
?ADC_InitStructure.ADC_DataAlign?=?ADC_DataAlign_Right;?//ADC數據右對齊
?ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel?=?1;?//順序進行規則轉換的ADC通道的數目
?ADC_Init(ADC1,?&ADC_InitStructure);?//根據ADC_InitStruct中指定的參數初始化外設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);?//使能復位校準??
??
?ADC_RegularChannelConfig(ADC1,?ADC_Channel_6,?1,?ADC_SampleTime_1Cycles5?);//ADC1通道6,采樣時間為239.5周期??
??
?ADC_ResetCalibration(ADC1);//復位較準寄存器
??
?while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));?//等待復位校準結束
?
?ADC_StartCalibration(ADC1);??//開啟AD校準
?
?while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));??//等待校準結束
?
?ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,?ENABLE);??//使能指定的ADC1的軟件轉換啟動功能

}???

定時器的配置：

/******************************************************************
函數名稱:TIM2_PWM_Init(u16?arr,u16?psc)
函數功能:定時器3，PWM輸出模式初始化函數
參數說明:arr：重裝載值
?? psc：預分頻值
備????注:通過TIM2-CH2的PWM輸出觸發ADC采樣
*******************************************************************/??
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);?//使能定時器2時鐘
??RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA??|?RCC_APB2Periph_AFIO,?ENABLE);??//使能GPIO外設和AFIO復用功能模塊時鐘
?
???//設置該引腳為復用輸出功能,輸出TIM2?CH2的PWM脈沖波形?GPIOA.1
?GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?GPIO_Pin_1;?//TIM_CH2
?GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_AF_PP;??//復用推挽輸出
?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;?//設置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值
?TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler?=psc;?//設置用來作為TIMx時鐘頻率除數的預分頻值?
?TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision?=?0;?//設置時鐘分割:TDTS?=?Tck_tim
?TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode?=?TIM_CounterMode_Up;??//TIM向上計數模式
?TIM_TimeBaseInit(TIM2,?&TIM_TimeBaseStructure);?//根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數初始化TIMx的時間基數單位
?
?//初始化TIM2?Channel2?PWM模式??
?TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode?=?TIM_OCMode_PWM1;?//選擇定時器模式:TIM脈沖寬度調制模式2
??TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState?=?TIM_OutputState_Enable;?//比較輸出使能
?TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity?=?TIM_OCPolarity_Low;?//輸出極性:TIM輸出比較極性高
?TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=1000;?//發生反轉時的計數器數值，用于改變占空比
?TIM_OC2Init(TIM2,?&TIM_OCInitStructure);??//根據T指定的參數初始化外設TIM2

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

DMA配置：

/******************************************************************
函數名稱:MYDMA1_Config()
函數功能:DMA1初始化配置
參數說明:DMA_CHx：DMA通道選擇
?? cpar：DMA外設ADC基地址
?? cmar：DMA內存基地址
???cndtrDMA通道的DMA緩存的大小
備????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傳輸
?
????DMA_DeInit(DMA_CHx);???//將DMA的通道1寄存器重設為缺省值
?DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr?=?cpar;??//DMA外設ADC基地址
?DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr?=?cmar;??//DMA內存基地址
?DMA_InitStructure.DMA_DIR?=?DMA_DIR_PeripheralSRC;??//數據傳輸方向，從外設讀取發送到內存//
?DMA_InitStructure.DMA_BufferSize?=?cndtr;??//DMA通道的DMA緩存的大小
?DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc?=?DMA_PeripheralInc_Disable;??//外設地址寄存器不變
?DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc?=?DMA_MemoryInc_Enable;??//內存地址寄存器遞增
?DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize?=?DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;??//數據寬度為16位
?DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize?=?DMA_MemoryDataSize_HalfWord;?//數據寬度為16位
?DMA_InitStructure.DMA_Mode?=?DMA_Mode_Circular;??//工作在循環模式
?DMA_InitStructure.DMA_Priority?=?DMA_Priority_High;?//DMA通道?x擁有高優先級?
?DMA_InitStructure.DMA_M2M?=?DMA_M2M_Disable;??//DMA通道x沒有設置為內存到內存傳輸
?DMA_Init(DMA_CHx,?&DMA_InitStructure);??//ADC1匹配DMA通道1
?
?DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA1_IT_TC1,ENABLE);?//使能DMA傳輸中斷?
?
?//配置中斷優先級
?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：

由于在設置PWM時將TIM_Pulse默認設置為1000，因此在初始化定時器2時，TIM_Period的值不能小于該值，可自行修改。TIM_Pulse的值并不會影響采樣頻率。
采樣頻率= 定時器2溢出頻率=SYSCLK/預分頻值/溢出值因此如果將TIM_Pulse設為1，TIM_Period設為2，TIM_Prescaler設為1，理論上采樣頻率最高可達36Mhz。

五、數據的處理

數據的處理主要是要求出信號的頻率和幅值等相關參數。幅值可以通過找出之前存儲1024個點的數組中最大最小值，回歸處理過后算出差值。

難點主要在于頻率的求取。一個信號中可能包含多種頻率成分，而我顯示的是幅值最大的頻率分量（當然其他頻率也可獲得）。這里便用到了STM32提供的DSP庫中的FFT（快速傅里葉變換），DSP庫在最后的源碼中有。

需要采樣1024個點的原因：FFT算法要求樣本數為2的n次方，而DSP庫中提供了64，256和1024樣本數對應的庫函數，因此選用1024最大樣本數可以使頻率分辨率最小，更加精確。（定義頻率分辨率f0=fs/N，其中fs等于采樣率，N為采樣點數）

需注意：FFT后的輸出不是實際的信號頻率，需要經過轉換。f(k)=k*(fs/N)，其中f(k)是實際頻率，k是實際信號的最大幅度頻率所對應的數。（詳見下面代碼，分享的源代碼中公式有誤，未重新上傳）

獲取頻率的函數：

#define?NPT?1024//一次完整采集的采樣點數

/******************************************************************
函數名稱:GetPowerMag()
函數功能:計算各次諧波幅值
參數說明:
備??注:先將lBufOutArray分解成實部(X)和虛部(Y)，然后計算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)
*******************************************************************/
void?GetPowerMag(void)
{
????float?X,Y,Mag,magmax;//實部，虛部，各頻率幅值，最大幅值
????u16?i;
?
?//調用自cr4_fft_1024_stm32
?cr4_fft_1024_stm32(fftout,?fftin,?NPT);?
?//fftin為傅里葉輸入序列數組，ffout為傅里葉輸出序列數組
?
????for(i=1;?i2;?i++)
????{
??X?=?(fftout[i]?<16)?>>?16;
??Y?=?(fftout[i]?>>?16);
??
??Mag?=?sqrt(X?*?X?+?Y?*?Y);?
??FFT_Mag[i]=Mag;//存入緩存，用于輸出查驗
??//獲取最大頻率分量及其幅值
??if(Mag?>?magmax)
??{
???magmax?=?Mag;
???temp?=?i;
??}
????}
?F=(u16)(temp*(fre*1.0/NPT));//源代碼中此公式有誤，將此復制進去
?
?LCD_ShowNum(280,180,F,5,16);
}?

六、模擬正弦波輸出

此正弦波輸出是用于調試示波器，觀察顯示和實際是否相同。主要利用DAC輸出，在定時器3的中斷中不斷改變DAC的輸出值，產生一個正弦波。因此改變正弦波的頻率可以通過更改定時器3的溢出頻率。（采用的PA4口進行輸出）

在初始化時，我將定時器3的重裝載值設置為40，預分頻值設置為72，正弦波輸出頻率為72Mhz/40/72/1024≈24.5Hz（1024是因為將一個周期正弦波均分成1024個輸出點，詳見下面函數InitBufInArray()）。

經采樣處理后顯示為24-25Hz，與實際值接近。（但是當采樣頻率提高到最大3.6kHz時，頻率顯示為32Hz左右，原因未知）

下面是相關代碼：

u16?magout[NPT];
/******************************************************************
函數名稱:InitBufInArray()
函數功能:正弦波值初始化，將正弦波各點的值存入magout[]數組中
參數說明:
備????注:
*******************************************************************/
void?InitBufInArray(void)
{
????u16?i;
????float?fx;
????for(i=0;?i????{
????????fx?=?sin((PI2*i)/NPT);
????????magout[i]?=?(u16)(2048+2048*fx);
????}
}

/******************************************************************
函數名稱:sinout()
函數功能:正弦波輸出
參數說明:
備????注:將此函數置于定時器中斷中，可模擬輸出正弦波
*******************************************************************/
void?sinout(void)
{
?static?u16?i=0;
?DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,magout[i]);
?i++;
?if(i>=NPT)
??i=0;
}

七、模擬噪聲或三角波輸出

模擬噪聲或三角波輸出可直接通過配置DAC，利用芯片內部的發生器產生。DAC2的轉換由定時器4的TRGO觸發（事件觸發）。同時需要注意設置TRGO由更新事件產生。

若為三角波輸出，頻率=72Mhz/定時器重裝載值/預分頻系數/幅值/2；

例如：初始化定時器的重裝載值為2，預分頻系數為36，幅值為最大（4096），即Freq=72Mhz/2/36/4096/2≈122Hz；

具體代碼如下所示：

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

????RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,?ENABLE?);???//使能PORTA通道時鐘
????RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC,?ENABLE?);???//使能DAC通道時鐘?

????GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?GPIO_Pin_5;?????//?端口配置
????GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_AIN;????//模擬輸入
????GPIO_InitStructure.GPIO_Speed?=?GPIO_Speed_50MHz;
????GPIO_Init(GPIOA,?&GPIO_InitStructure);
?????
????DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_T4_TRGO;?//定時器4觸發
????DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_Noise;//產生噪聲
????//DAC_WaveGeneration_Triangle產生三角波
????DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude?=??DAC_TriangleAmplitude_4095;//幅值設置為最大，即3.3V
????DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable?;?//DAC1輸出緩存關閉?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位右對齊數據格式設置DAC值?
}

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

????RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,?ENABLE);?//時鐘使能

????TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period?=?arr;?//設置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值??計數到5000為500ms
????TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler?=psc;?//設置用來作為TIMx時鐘頻率除數的預分頻值??10Khz的計數頻率??
????TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision?=?0;?????//設置時鐘分割:TDTS?=?Tck_tim
????TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode?=?TIM_CounterMode_Up;??//TIM向上計數模式
????TIM_TimeBaseInit(TIM4,?&TIM_TimeBaseStructure);?//根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數初始化TIMx的時間基數單位

????TIM_SelectOutputTrigger(TIM4,?TIM_TRGOSource_Update);//觸發外設方式為更新觸發
?
????TIM_Cmd(TIM4,?ENABLE);??//使能TIMx外設
????????
}

八、顯示函數與按鍵控制

顯示波形只需將所獲得的1024個采樣數據選擇一部分進行顯示大致思路如下：

u16?pre_vol;//當前電壓值對應點的縱坐標
u16?past_vol;//前一個電壓值對應點的縱坐標
//adcx[]數組及通過DMA存入的1024個原始數據
pre_vol?=?50+adcx[x]/4096.0*100;
LCD_DrawLine(x,past_vol,x+1,pre_vol);//根據實際，打點位置可進行相應更改
past_vol?=?pre_vol;

按鍵的控制是在外部中斷中進行（正點原子資料中提供相應參考代碼）比較重要的是改變采樣頻率。

工程地址

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

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