STM32数字示波器+详细注释+上位机程序+硬件

2万 · 2022-5-7 09:22

从朋友得知ST公司在搞活动，可以申请STM32F429的探索套件，作为穷学生一枚的我不免动了心。大二上学期参加完全国大学生电子设计竞赛之后闲来无事，就自己做了一个数字示波器来作为学习STM32的实战检验，前后花费了大概1个月的时间完成了初稿，之后又断断续续的完善我的示波器，并且为它编写了上位机程序和制定了通信协议。使用了前端程控模拟电路和上层电路板，uCOS-II，uCGUI，FFT，SD，上位机等等，现在因为参加老师的项目研发也就暂时闲置了下来，之前就打算在各大论坛开源，但是一直没有时间整理设计文档，恰巧现在ST公司这个活动，所以就全部开源分享给大家吧，一起学习。下一步计划重新设计模拟电路部分使用CPLD和高速AD实现更高的采样率。
由于程序量比较大，所以在程序中我完成了大量的注释，详细的说明了具体的实现方法，其中的示波器原理和FFT原理请自己查阅相关教材。我个人认为最值得参考的就是如何制定一个效率较高的通信协议。我查阅了很多资料最后结合实际设计了一套通信协议，这套通信协议效传输速率理论最大可达16000bps,实际采用10666bps速率传输。协议的编码、解码算法的详细说明附在附件中。随着程序量的增加，F103也渐渐感到比较吃力了，其中FFT的运算就是典型代表，也希望借此机会申请到F429带DSP指令的MCU来进一步提高示波器的性能。
限于目前的知识水平，这套示波器是实践大于理论的产物，其中很多设计存在先天的不足，以后会继续改进，向更高性能迈进。

2万 · 2022-5-7 09:24

设计指标：

主控: STM32F103ZET6

液晶屏: 4.3寸TFT480×272 65K彩色LCD显示屏 FSMC

AD: 12位1MHz采样率

最高实时取样率： 1MSa/s 12Bits

取样缓冲器深度： 5K

垂直灵敏度： 5V，1V，500mV,200mV,100mV,50mV,20mV,10mV;

水平时基范围：2S,1S,500mS,200mS,100mS,50mS,20mS,10mS,5mS,2mS,1mS,500uS,200uS,100uS,50uS,20uS,10uS,5uS,2uS,1uS

输入阻抗： ≥1MΩ

最高输入电压： 30Vpp

耦合方式： AC/DC

触发功能：实现自动、常规、单次触发方式 ,上升或下降边沿触发

参数计算：频率、周期、占空比、交流峰-峰值、平均值、光标追踪显示

RUN/STOP

2万 · 2022-5-7 09:26

功能：

1、波形发生器：使用STM32一路DA实现正弦，三角波，方波，白噪声输出。任意一种波形幅值在0-3.3V任意可调、频率在一定范围任意可调、方波占空比可调。调节选项可以通过触摸屏完成设置。

2、SD卡存储： SD卡波形存储输出，能够对当前屏幕截屏，以JPG格式存储在SD卡上。能够存储1S内的波形数据，可以随时调用查看。

3、数据传输：用C#编写上位机，通过串口完成对下位机的控制。（1）实现STOP/RUN功能（2）输出波形电压、时间参数（3）控制截屏（4）控制波形发生器（5）控制完成FFT（6）波形的存储和显示

4、图形接口： UCGUI

2、水平扫速： 250 ns*、500ns、1μs、5 μs、10μs、50μs、500 μs、5ms 、50ms

3、垂直电压灵敏度：10mV/div, 20mV/div, 50mV/div, 0.1V/div, 0,2V/div, 0.5V/div, 1V/div,

2V/div, 5V/div

4、被测信号的各种参数屏幕显示，包括频率、电压峰峰值等。

这是上位机的程序

测试时候的照片

测试正弦波

2万 · 2022-5-7 09:31

PCB

模拟电路板

侧面的照片

源代码的注释

2万 · 2022-5-7 09:34

/*---------------------------------------------------------
               ADC配置驱动程序
      说明: 示波器AD采样配置,经过初步测试,AD采样速率为1.286M
            正弦波最大不失真测量频率300kHz
               三角波最大不失真测量频率150kHz
               矩形波最大不失真测量频率100kHz
      时间: 2013年11月19日
---------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "oscilloscope.h"
#include "ucos_ii.h"
#include "tft_api.h"
/*-----------------------------------------
                        声明变量
------------------------------------------*/
extern WaveType WaveInfo;
extern WaveMode WaveCtrl;
volatile u16 ADCConvertedValue[SAMPDEPTH];//AD转换缓冲区,占用RAM 0.8KB

/*-----------------------------------------
                        ADC1端口初始化
------------------------------------------*/
void ADC1_GPIO_Init(void)
{
      GPIO_InitTypeDef IO_Init;
      RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);
      RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
      //C1模拟输入
      IO_Init.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
      IO_Init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
      GPIO_Init(GPIOC,&IO_Init);
}

/* #define ADC1_DR_Address ((unsigned int)0x40012400+0x4c) */
/* unsigned short int ADC1_DMA_Value; */
/*--------------------------------------------------
函数说明:配置ADC1完成AD采集,是本示波器最核心的部分.
配置方案:ADC1由TIM3提供的触发事件进行触发AD转换,控
               制TIM3的速率就可以完成采样率的改变.同时采
               用DMA完成数据传输,注入通道1完成内部温度传
               感器AD采集.
--------------------------------------------------*/
void ADC1_Mode_Config(void)
{
      //配置DMA
      DMA_InitTypeDef DMA_csh;
      ADC_InitTypeDef ADC_csh;
      TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
      NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

      DMA_DeInit(DMA1_Channel1);                                           //DMA复位,通道1
      DMA_csh.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address;  //ADC1地址
      DMA_csh.DMA_MemoryBaseAddr = (unsigned int)ADCConvertedValue;  //内存地址
      DMA_csh.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
      DMA_csh.DMA_BufferSize = SAMPDEPTH;                                           //缓冲大小为采样深度
      DMA_csh.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  //外设地址固定
      DMA_csh.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;                      //内存地址自增
      DMA_csh.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
      DMA_csh.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
      DMA_csh.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;                                        //循环传输
      DMA_csh.DMA_Priority = DMA_Priority_High;                               //DMA优先级高
      DMA_csh.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
      DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_csh);                                                 //写入DMA1配置参数
      DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);                                                          //使能DMA1通道1
      DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA_IT_TC,ENABLE);                      //使能DMA CH1中断

      NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
      NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

      //配置TIM3工作在18MHz,为AD提供触发
      RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
      TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1;
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 99;       //工作在18M，每格最大值时，不至于溢出
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
      TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);
      TIM_SelectOutputTrigger(TIM3,TIM_TRGOSource_Update); //使用TIM3事件更新作为ADC触发

      //配置ADC
      ADC_csh.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;                //独立ADC模式
ADC_csh.ADC_ScanConvMode = DISABLE;                         //关闭扫描模式
      ADC_csh.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;                //连续AD转换开启
      ADC_csh.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T3_TRGO;  //由TIM3提供的触发事件进行触发AD转换
      ADC_csh.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;       //数据右对齐
      ADC_csh.ADC_NbrOfChannel = 1;                                        //要转换的通道数目1
      ADC_Init(ADC1,&ADC_csh);                                                 //写入ADC1配置参数
      ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_11,1,ADC_SampleTime_1Cycles5);//采样速率1M
      ADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);                                              //使能ADC1 DMA
      ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1,ENABLE);                      //打开ADC1外部触发

      ADC_InjectedChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_16,1,ADC_SampleTime_239Cycles5);       //配置ADC1通道16为注入通道1
      ADC_ExternalTrigInjectedConvConfig(ADC1,ADC_ExternalTrigInjecConv_None);       //软件触发注入通道的转换
      ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE);                                                                                        //使能温度传感器

      ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);                                                       //使能ADC1
      ADC_ResetCalibration(ADC1);                                                 //复位校准寄存器
      while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));    //等待校准寄存器复位完成
      ADC_StartCalibration(ADC1);                                                 //开始校准
      while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));                      //等待校准完成
      TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);
}
/*-----------------------------------------
函数说明:通过注入通道1转换内部温度传感器
               AD值,读取10次有效数据取平均返回
------------------------------------------*/
u16 GetTempSensor(void)
{
      u16 temp=0,i,k=0;
      for(i=0; i<10; )
      {
            ADC_SoftwareStartInjectedConvCmd(ADC1,ENABLE);       //软件触发注入通道的转换
            k = (0x6EE - ADC_GetInjectedConversionValue(ADC1,ADC_InjectedChannel_1)) / 0x05 + 25;
            if(k>0 && k<100)
            {
                     temp += k;
                     i++;
            }
      }
      temp /= 10;
      return temp;
}
/*-----------------------------------------
函数说明:ADC1初始化
------------------------------------------*/
void ADC1_Init(void)
{
      ADC1_GPIO_Init();
      ADC1_Mode_Config();
}
/*-----------------------------------------
函数说明:ADC传输DMA通道1中断服务程序
               DMA把AD值传输到缓冲区完成后关闭定
               时器3(作为触发AD转换的定时器)同时
               置更新完成标志位为1,开定时器3在应
               用中开启.
------------------------------------------*/
void DMA1_Channel1_IRQHandler()
{
   OSIntNesting++;
   DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);       //清除DMA传输完成中断
   TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);             //关闭TIM3
   WaveCtrl.UpdatTrue = 1;             //已经完成一次波形FIFO,可以批量读出数据
   OSIntExit();
}
/*-----------------------------------------
函数说明:擦除AD缓冲区
------------------------------------------*/
void Earse_AD_FIFO(void)
{
      uint32_t i;
      for(i=0; i<sampdepth; i++)
      {
            ADCConvertedValue[i] = 0;
      }
}
复制代码

/*------------------------------------------------------------------------------------
                                                               STM32示波器
硬件平台:
                     主控器: STM32F103ZET6 64K RAM 512K ROM
                     屏幕器: SSD1963
                     分辨率: 480x272 16位色
               触摸屏: TSC2046
                     模拟电路: OP  - TL084
                                       OP  - u741
                                       SW  - CD4051
                                       CMP - LM311
                                       PWR - LM7805
                                          - LM7905
                                                - MC34063
                                                - AMS1117-3.3
                                       DRI - ULN2003
                     继电器：信号继电器
                  电源: DC +12V

软件平台:
                     开发环境: RealView MDK-ARM uVision4.10
                     C编译器 : ARMCC
                     ASM编译器:ARMASM
                     连接器: ARMLINK
                     实时内核: uC/OS-II 2.90实时操作系统
                     GUI内核 : uC/GUI 3.90图形用户接口
                     底层驱动: 各个外设驱动程序

      ROM Size = Code + RO-data +RW-data
      RAM Size = RW-data + ZI-data
      Program Size: Code=56024 RO-data=8272 RW-data=256 ZI-data=29912

时间: 2013年11月9日    BoX编写于大二上学期

版本: V1.0 - 2013/11/9
   V1.1 - 2014/2/8
         V3.0 - 2014/2/19
-------------------------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"
#include "ucos_ii.h"
#include "app.h"
#include "GUI.h"

#include "usart1.h"
#include "pincfg.h"
#include "delay.h"
#include "tft_api.h"
#include "dac.h"
#include "adc.h"
#include "iwdg.h"
#include "timer.h"
#include "EXTI.H"
#include "oscilloscope.h"
#include "indkey.h"
#include "tsc2046.h"

#include "task_rtc.h"
#include "task_gui.h"
#include "task_sd.h"

/*-----------------------------------------
                              声明起始任务栈
------------------------------------------*/
OS_STK  Task_Start_Stk[TASK_START_STK_SIZE];

/*-----------------------------------------
因为涉及到对共享资源的访问,创建互斥信号量
------------------------------------------*/
OS_EVENT *LCD_Buffer_MUTEX;
OS_EVENT *USART_Buffer_MUTEX;
OS_EVENT *SDtoRAM_Buffer_MUTEX;
/*-----------------------------------------
                              主函数
------------------------------------------*/
int main(void)
{
      INT8U err;
   SystemInit();                //初始化RCC时钟
      OSInit();

      LCD_Buffer_MUTEX    = OSMutexCreate(4,&err);       //创建3个共享资源互斥信号量
      USART_Buffer_MUTEX = OSMutexCreate(4,&err);
      SDtoRAM_Buffer_MUTEX = OSMutexCreate(4,&err);

   OSTaskCreate(Task_Start,(void *)0,&Task_Start_Stk[TASK_START_STK_SIZE-1],TASK_START_PRIO); //起始任务

      OSStart();
}
/*-------------------------------------------------------------------------------
函数功能:初始化各种外设
说明:因为跑操作系统,所以外设的初始化应该放在操作系统的初始任务中完成,不能
      在while(1)循环外部完成外设的初始化工作,否则操作系统可能无法启动.
               本函数在app.c中被调用
-------------------------------------------------------------------------------*/
void BSP_Init(void)
{
      OS_CPU_SR  cpu_sr = 0u;
      OS_ENTER_CRITICAL();
      DelayInit();                //初始化延时
      PinCfg();                      //外部器件控制配置
      FSMC_LCD_Init();       //FSMC总线配置
      GUI_Init();                      //初始化UCGUI界面
      TSC2046_Config();       //初始化触摸控制器
      USART1_Config();       //初始化串口
      DAC_Config();                //初始化DAC1
      ADC1_Init();                //初始化ADC1
      EXTI_Config();                //初始化外部中断
      Key_EXTI_Config();       //初始化按键中断
      TIM5_Config(1999,71);  //TIM5以1MHz频率计数,每2ms溢出中断
//       TIM4_Config(59999,71); //TIM4以1MHz频率计数,每60ms溢出中断
      RTC_Init();                         //初始化RTC
//       SD_Init();
      JDQ_ACDC = 1;                //交流耦合
      ManualGainScan(3); //调试用
      IWDG_Init(4,625);    //喂狗时间为1000ms
      OS_EXIT_CRITICAL();
}
复制代码