王秦君，李永濤，張緒德

（南京郵電大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京210046）

1 系統(tǒng)概述

目前市場(chǎng)上的示波器價(jià)格普遍較高，同時(shí)較為笨重，不便于攜帶.基于低成本、低功耗、便攜的理念，制作了這樣一個(gè)系統(tǒng).系統(tǒng)核心是STM32F407VGT6，該 MCU采用ARM Cortex-M4作為內(nèi)核，主頻高達(dá)168MHZ，具有196kB的RAM，片內(nèi)有3個(gè)12位速度高達(dá)2.4MSPS的ADC.這樣可以僅用片內(nèi)AD來進(jìn)行采樣［1］，以此可以最大限度的簡(jiǎn)化外圍電路，同時(shí)降低成本.系統(tǒng)主要包括信號(hào)輸入和衰減電路，觸發(fā)電路、MCU模塊和液晶模塊.對(duì)于輸入模塊，采用電阻和電容分壓的方式對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減，然后通過電壓跟隨器和加法器最終輸出0～3V的信號(hào)到MCU的AD輸入端，本系統(tǒng)的成品，如圖1所示.

圖1 示波器實(shí)物圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)輸入

2.1.1 信號(hào)衰減

衰減部分電路如圖2所示［2］.可以看到，輸入電路把輸入信號(hào)電壓幅度降到了原來的1／4，因?yàn)镸CU的AD輸入電壓范圍是0～3V，所以輸入信號(hào)的幅度可以為-6～6V.該電路中的電容是為了滿足對(duì)高頻信號(hào)良好的分壓性能.

圖2 信號(hào)衰減電路

2.1.2 阻抗變換和加法器

圖3是電壓跟隨器，其作用是把衰減之后的信號(hào)送入加法器，同時(shí)減小其輸出電阻.

圖4所示的是加法器，將信號(hào)加上1.5V，使-1.5～1.5V 的信號(hào)源范圍轉(zhuǎn)換到0～3V，供MCU進(jìn)行采樣.

圖3 電壓跟隨器

圖4 加法器

2.2 觸發(fā)電路

觸發(fā)電路（圖5）的作用為了給MCU觸發(fā)脈沖以此來穩(wěn)定波形的顯示.

利用LM339作為電壓比較器，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為周期性的方波，用戶可以選擇采用關(guān)閉觸發(fā)、上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)3種觸發(fā)方式.程序會(huì)依據(jù)用戶的選擇，在觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)地操作.

圖5 電壓比較器（用于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖）

2.3 信號(hào)采集和處理

該系統(tǒng)通過MCU的ADC1和ADC2兩個(gè)通道進(jìn)行采樣.為了達(dá)到最大的響應(yīng)速度，信號(hào)采集時(shí)采用了DMA傳輸?shù)姆绞剑?］.直接存儲(chǔ)器存取（DMA）用來提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸.無須CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)可以通過DMA快速地移動(dòng)，這節(jié)省了CPU的資源來做其他操作.

表1是STM32F4數(shù)據(jù)手冊(cè)中的DMA2每通道對(duì)應(yīng)的外設(shè)，可以看到，ADC1對(duì)應(yīng)了Stream0的Channel0和Stream4的Channel0，ADC2對(duì)應(yīng)了Stream2的Channel1和Stream3的Channel1.在本系統(tǒng)中，ADC1采用了DMA2的Stream0的Channel0，ADC2采用了DMA2的Stream2的Channel1.

表1 STM32F4的DMA2中各通道的請(qǐng)求

內(nèi)存中有3個(gè)1 024×2byte的buffer，其中2個(gè)用來存儲(chǔ)ADC1和ADC2采樣值，另外一個(gè)用來存儲(chǔ)采樣完成后對(duì)波形進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的虛擬波形的AD值.當(dāng)用戶選擇的時(shí)間步進(jìn)小于20μs時(shí)，DMA會(huì)把采集到的數(shù)據(jù)放入buffer.大于或等于50μs時(shí)，MCU通過時(shí)間步進(jìn)計(jì)算延時(shí)時(shí)間，每隔1個(gè)延時(shí)采1次數(shù)據(jù)，以此來實(shí)現(xiàn)時(shí)間擋位可調(diào)節(jié)的功能［5］.

數(shù)據(jù)采集完成后，通過用戶選擇，還會(huì)對(duì)波形進(jìn)行相應(yīng)處理，比如繪制李薩如圖形或者進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）.其中FFT采用了ST官方提供的DSP庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，1 024點(diǎn)FFT只需要幾ms，轉(zhuǎn)換速度非?？?

2.4 液晶顯示

顯示部分采用了400×240分辨率的TFT屏.STM32則用FSMC驅(qū)動(dòng)液晶.靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器（FSMC）能夠與同步或異步存儲(chǔ)器和16位PC存儲(chǔ)器卡接口.只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫材軐?shí)現(xiàn)液晶的8086時(shí)序.使用FSMC后，對(duì)液晶寫數(shù)據(jù)就像寫內(nèi)存一樣方便且快速，刷新1次屏幕小于5ms，可以輕松地顯示波形.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件通過圖形用戶界面（GUI）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，GUI控制按鈕和菜單的顯示，AD每轉(zhuǎn)換1次后會(huì)檢測(cè)觸摸屏是否被按下，如果被按下會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作，其流程如圖6所示.

圖6 流程圖

程序中最主要的全局變量：State，這是結(jié)構(gòu)體變量，結(jié)構(gòu)體如下：

因?yàn)閎uffer能存儲(chǔ)1 024個(gè)AD值，但是屏幕水平分辯率只有400，所以設(shè)置了 H＿OffsetCHx和V＿OffsetCHx這樣的變量，其作用是在采樣完成以后，在屏幕上繪制的波形的起始數(shù)據(jù)地址是buffer的基地址加上H＿OffsetCHx之后的地址，這樣可以通過修改OffsetCHx和V＿OffsetCHx的值，顯示波形全部1 024個(gè)點(diǎn)，反應(yīng)到TFT上的現(xiàn)象為：當(dāng)ControlCH的值為對(duì)應(yīng)的通道時(shí)，只要手指在觸摸屏上滑動(dòng)，就能任意拖動(dòng)波形，使操作更加形象，觀察起來也更加方便.

4 結(jié)束語(yǔ)

多功能便攜示波器系統(tǒng)省去了FPGA和片外AD，僅僅1塊MCU就完成了主要任務(wù)，使得設(shè)計(jì)成本大大降低，同時(shí)外圍元件的用量也大大減少，體積縮小到手機(jī)般大小.FFT也充分運(yùn)用了STM32F4內(nèi)FPU的性能，加上采樣時(shí)間也能以30fps以上的速率顯示頻譜.

［1］Phil Stearns.采樣率對(duì)示波器帶寬的影響 ［J］.今日電子，2007（8）：41-42.

［2］李揚(yáng)，鄭瑩娜，朱錚濤，等.高性能虛擬示波器的研究 ［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1999（2）：3-6.

［3］劉軍.例說STM32［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：207-215.

［4］張?zhí)?基于STM32單片機(jī)DMA機(jī)制的多通道數(shù)據(jù)采集［J］.黑龍江科技信息，2013（30）：27.

［5］胡斌強(qiáng)，蘇紹璟，王躍科.手持寬帶數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（10）：1423-1425.