劉素貞， 魏 建， 李 華， 徐桂芝

(河北工業(yè)大學(xué) 電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建實(shí)驗(yàn)室， 天津 300130)

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于數(shù)據(jù)的采集和顯示越來(lái)越趨于高速化、便捷化和多功能化，示波器在采集和顯示被測(cè)信號(hào)的波形方面至關(guān)重要。但傳統(tǒng)示波器在數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理等方面存在一定的局限性[1-3]。虛擬儀器技術(shù)是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它借助計(jì)算機(jī)的快速計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、超大內(nèi)存等優(yōu)勢(shì)，并利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和分析，具有模塊化、數(shù)字化、方便共享等優(yōu)點(diǎn)[4]。于是，基于虛擬儀器技術(shù)的示波器[5-6]應(yīng)運(yùn)而生。

近年來(lái)，我國(guó)高校開(kāi)發(fā)了多種多樣的虛擬示波器。例如湖南大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于LabVIEW的虛擬示波器，不僅實(shí)現(xiàn)了波形檢測(cè)、分析、存儲(chǔ)等功能[7]，還實(shí)現(xiàn)了頻譜分析、頻率計(jì)等功能；杭州電子科技大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于STM32的虛擬示波器，主要完成了外部信號(hào)的調(diào)理、采集、預(yù)處理等功能[8]；北京理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于USB2.0的虛擬示波器，主要是利用USB模塊與單片機(jī)結(jié)合，對(duì)信號(hào)用快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析[9]；中北大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器[10]。

本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的基于STM32的多功能虛擬示波儀實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件的結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力完成數(shù)據(jù)的分析、處理，編寫(xiě)了幅頻相頻分析、李薩如圖形、功率譜和窗函數(shù)等功能算法代碼對(duì)波形進(jìn)行處理；開(kāi)發(fā)了示波儀的濾波功能，支持IIR型濾波器和FIR型濾波器的設(shè)計(jì)，使目標(biāo)波形能準(zhǔn)確地顯示出來(lái)。

1 系統(tǒng)原理及功能

本設(shè)計(jì)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要完成信號(hào)的采集和預(yù)處理，軟件主要負(fù)責(zé)信號(hào)的處理分析以及信號(hào)的顯示。硬件和軟件通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接。

1.1 系統(tǒng)原理

虛擬示波儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括信號(hào)輸入接口模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、USB2.0通信模塊等。系統(tǒng)通過(guò)9 V/1 A的電源適配器供電，主控制器STM32對(duì)板上硬件設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置，并通過(guò)USB硬件控制模塊對(duì)USB設(shè)備完成枚舉工作。信號(hào)輸入及調(diào)理電路主要完成信號(hào)的衰減和運(yùn)算放大。衰減電路在保證有足夠的輸入時(shí)，避免回顯時(shí)產(chǎn)生信號(hào)失真或損壞電子器件。數(shù)據(jù)采集模塊和USB通信模塊由STM32獨(dú)立控制。

圖1 虛擬示波儀結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)處理主要由上位機(jī)軟件完成，流程如圖2所示。上位機(jī)處理過(guò)程包括插值處理、數(shù)據(jù)抓幀、波形合成、濾波處理、波形分析和波形繪制。采集到的信號(hào)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線快速傳遞給上位機(jī)。首先啟動(dòng)插值處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，使得波形趨于光滑，防止出現(xiàn)斷點(diǎn)；然后輸送給抓幀模塊和波形合成模塊，對(duì)輸入的波形信號(hào)進(jìn)行相加或相乘處理，使波形光滑、聚焦；隨后，將波形輸入給濾波處理模塊進(jìn)行濾波處理，濾除掉由硬件設(shè)備產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。處理后的信號(hào)傳遞給波形分析模塊，此模塊對(duì)數(shù)據(jù)的幅頻、相頻以及相關(guān)性進(jìn)行分析處理，得到輸入信號(hào)的幅值、頻率等相關(guān)信息，最后將信號(hào)波形繪圖顯示出來(lái)。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

1.2 系統(tǒng)功能

多功能虛擬示波儀不僅能完成傳統(tǒng)示波器的功能，還加入了波形存儲(chǔ)、波形抓幀處理等功能，其主要參數(shù)如下:

輸入電壓范圍:-150 V～+150 V

AD采樣位數(shù):8 bit

采樣帶寬:0 ～20 MHz

采樣速率:48 MS/s

軟件觸發(fā)方式:上升/下降沿、差分

軟件分析功能:

濾波處理:支持設(shè)計(jì)IIR和FIR濾波器

波形合成:波形乘法器、相加器

波形分析:李薩如圖形、幅頻、相頻

數(shù)據(jù)接口:USB2.0

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思路，把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分為若干個(gè)子模塊，最后將各個(gè)子模塊進(jìn)行總體調(diào)試。本設(shè)計(jì)主要包括電源模塊、前級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊、微處理器模塊和USB接口模塊。

2.1 電源模塊

電源電路由板級(jí)芯片供電，使得各個(gè)芯片發(fā)揮其相應(yīng)的功能。本系統(tǒng)主要利用9 V/1 A的電源適配器供給PCB板工作。板上工作電壓分別為+5 V、-5 V和+3.3 V直流電壓，分別采用低功耗的7805、輸入紋波噪聲小的IB0505S-2W和低釋放電流的1117-3.3得到。電源模塊提供了穩(wěn)定的直流電壓，而且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷，避免了耦合路徑造成的電磁干擾(EMI)問(wèn)題。

2.2 前級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊

前級(jí)驅(qū)動(dòng)模塊主要包括衰減電路、鉗位電路和放大電路，如圖3所示。輸入信號(hào)在接入電路后，首先經(jīng)過(guò)衰減電路，采用電阻分壓和旁路電容濾波，保證有較大輸入時(shí)能在A/D采樣范圍內(nèi)，避免波形回顯時(shí)產(chǎn)生信號(hào)失真。數(shù)據(jù)的采集和緩存是由處理器完成的，由于處理器自帶的MCU主要工作在±5 V范圍內(nèi)，所以需要添加鉗位電路，由2個(gè)相互串聯(lián)的二極管完成。程序控制放大電路要將小信號(hào)放大，由集成運(yùn)放電路TL082和模擬開(kāi)關(guān)CD4051配合完成。模擬開(kāi)關(guān)將8位數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為STM32可識(shí)別的3位二進(jìn)制代碼，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖3 前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 微處理器模塊

微處理器是處理數(shù)據(jù)的主要芯片，STM32主要起著控制系統(tǒng)中其他模塊的作用，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮芯片與其他模塊的接口問(wèn)題和電磁兼容(EMC)問(wèn)題。電磁干擾是對(duì)處理器最大的挑戰(zhàn)，主要原因是在PCB電路板中存在時(shí)變電流，所以在制備PCB板時(shí)，STM32的外圍布線需要降低噪聲耦合。此外，STM32還需要添加復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路需要晶振激起，該部分電路需要做好隔離，防止對(duì)芯片造成振蕩干擾[11]。

2.4 USB接口模塊

USB接口模塊主要完成下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)和上位機(jī)控制信號(hào)的傳遞，是上位機(jī)和下位機(jī)信號(hào)傳遞的橋梁。USB接口模塊的電路圖如圖4所示。

圖4 USB接口模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括固件驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)和上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)，同時(shí)需要編寫(xiě)USB驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的互聯(lián)。

3.1 固件驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

硬件設(shè)備主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘、USB模塊、AD模塊、初始化GPIO引腳等，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，完成主控制器對(duì)各個(gè)器件的控制。本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM32的STM32F103X系列MCU監(jiān)控芯片。意法半導(dǎo)體公司對(duì)各個(gè)功能模塊提供了固件庫(kù)，直接使用該固件庫(kù)可大大縮減開(kāi)發(fā)和調(diào)試時(shí)間。固件驅(qū)動(dòng)程序需要用Keil軟件編寫(xiě)，利用TSC-ISP燒寫(xiě)軟件將固件程序下載到STM32中。

3.2 USB驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

根據(jù)USB2.0協(xié)議[12]，當(dāng)USB2.0連接到PC端時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)為USB分配一個(gè)數(shù)字來(lái)標(biāo)識(shí)這個(gè)設(shè)備。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)向控制器傳遞的每次驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求成為一個(gè)事務(wù)；每個(gè)事務(wù)都會(huì)分為若干個(gè)數(shù)據(jù)包在USB總線上傳輸；每次傳輸都必須經(jīng)歷USB控制器向USB設(shè)備發(fā)出讀或?qū)懨?，再由USB設(shè)備做出相應(yīng)的操作。

由DriveStudio生成的USB驅(qū)動(dòng)程序框架主要包括STM Virtual COM PortDrive.cpp和STM Virtual COM PortDevice.cpp兩個(gè)源程序。前者用于USB設(shè)備初始化，需要編寫(xiě)入口函數(shù)DriveEntry、AddDevice和Unload；后者用于在WDM環(huán)境支持即插即用功能，包括設(shè)備的插拔、設(shè)備讀寫(xiě)、電源管理等例程。只需在特定的函數(shù)中添加代碼即可實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的各項(xiàng)功能。通過(guò)編譯運(yùn)行后將生成驅(qū)動(dòng)文件——STM Virtual COM Port.sys和STM Virtual COM Port.inf兩個(gè)可執(zhí)行文件。當(dāng)插上USB數(shù)據(jù)傳輸線時(shí)，進(jìn)入U(xiǎn)SB設(shè)備驅(qū)動(dòng)向?qū)?，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的安裝。

3.3 上位機(jī)軟件的編寫(xiě)

用戶(hù)通過(guò)上位機(jī)與虛擬示波儀友好交互，可以方便地控制下位機(jī)和監(jiān)測(cè)下位機(jī)的狀態(tài)。上位機(jī)程序主要是通過(guò)VC++軟件編寫(xiě)，利用VC++程序中新建MFC工程，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，可以方便地?duì)上位機(jī)添加模塊、按鈕、文字標(biāo)注等。上位機(jī)程序功能如圖5所示。

圖5 上位機(jī)程序功能圖

在明確上位機(jī)程序功能后，需要進(jìn)行上位機(jī)功能程序的編寫(xiě)。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。當(dāng)上位機(jī)啟動(dòng)后，首先調(diào)用主程序?qū)﹄娐钒搴蛙浖M(jìn)行參數(shù)重置，由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)布讀數(shù)據(jù)指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊。處理后的數(shù)據(jù)輸出顯示，也可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，以便下次進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和分析處理。

上位機(jī)軟件的編寫(xiě)主要是對(duì)上位機(jī)功能的編寫(xiě)，通過(guò)VC++軟件編寫(xiě)程序算法，一方面豐富傳統(tǒng)示波器功能，另一方面又開(kāi)發(fā)波形處理、濾波器設(shè)計(jì)等功能。程序的軟件功能如圖7所示。

圖6 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖

圖7 程序軟件功能圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將下位機(jī)通電后，由函數(shù)發(fā)生器Agilent 33220A分別發(fā)出頻率1 kHz、幅值2.8 V的矩形波和正弦波。用Tektronix公司示波器測(cè)量信號(hào)，然后將函數(shù)發(fā)生器與下位機(jī)相連。下位機(jī)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與PC相連，利用上位機(jī)軟件測(cè)量?jī)煞N信號(hào)。圖8為上位機(jī)軟件通過(guò)系統(tǒng)分析所繪制的矩形波和正弦波。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集、顯示，得到矩形波和正弦波誤差分析(見(jiàn)表1和表2)。

圖8 虛擬示波儀上位機(jī)繪制采集的波形

波形頻率實(shí)測(cè)值/Hz誤差/%正電壓實(shí)測(cè)值/Hz誤差/%負(fù)電壓實(shí)測(cè)值/Hz誤差/%標(biāo)準(zhǔn)波10002.800-2.800矩形波9762.42.7730.96-2.7790.75

表2 正弦波誤差分析

設(shè)計(jì)的虛擬示波儀支持設(shè)計(jì)IIR型濾波器和FIR型濾波器。為驗(yàn)證虛擬示波儀的濾波器效果，進(jìn)行了一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖9(a)為采集到的原始電磁超聲信號(hào)，原始信號(hào)中存在大量的噪聲信號(hào)。采用虛擬示波儀中截止頻率為2 MHz的10階巴特沃斯低通FIR型濾波器對(duì)電磁超聲信號(hào)進(jìn)行濾波，圖9(b)為濾波后的波形?？梢?jiàn)噪聲信號(hào)被濾除，能夠滿(mǎn)足電磁噪聲背景下對(duì)微弱電磁超聲回波信號(hào)的檢測(cè)，并且數(shù)據(jù)誤差很小。

圖9 巴特沃斯低通濾波器的濾波器效果

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的虛擬示波儀不僅實(shí)現(xiàn)了軟硬件結(jié)合采集信號(hào)，具有軟件處理和濾波功能，而且體積小、穩(wěn)定可靠。由于本設(shè)計(jì)采用STM32芯片，內(nèi)部集成多功能模塊，進(jìn)而可豐富本系統(tǒng)的功能，并且此類(lèi)芯片具有低功耗、外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足外接ADC、IIC、SPI、DMA、USART、USB、SWJ-DP等外設(shè)接口，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，提高系統(tǒng)精度和豐富系統(tǒng)功能。

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