王鵬 李紅波 蘇加斌

摘要：文章利用Android智能手機(jī)作為應(yīng)用平臺，通過設(shè)計信號調(diào)理電路、主控電路和CH9343主機(jī)接口電路，實現(xiàn)DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換，使得模擬數(shù)據(jù)按照設(shè)定參數(shù)產(chǎn)生波形輸出，通過編寫手機(jī)APP應(yīng)用軟件，完成波形參數(shù)輸入功能。實驗證明，該虛擬信號源實用新穎，使用方便。

關(guān)鍵詞：CH9343； STM32；虛擬信號源；手機(jī)示波器

實驗室信號源是電子實驗中常用的儀器，目標(biāo)電路通過接入信號評估測試電路參數(shù)或性能。實驗用信號源往往采用交流供電，體積大，功能多，使用起來也較為復(fù)雜。本文設(shè)計了一種基于STM32和CH9343的手機(jī)配件，通過利用安卓手機(jī)和接入應(yīng)用配件，制作了一款便攜式虛擬信號源。該信號源具有攜帶方便、新穎實用、即插即用等特點，較好地解決了工程技術(shù)人員的快速測試需要。近年來，有關(guān)智能手機(jī)在虛擬信號源方面的應(yīng)用，更多的只是論述硬件設(shè)計方面[1-5]，較少的結(jié)合智能手機(jī)平臺方面的應(yīng)用設(shè)計。

1 STM32單片機(jī)

本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics，ST）公司的STM32F103RC單片機(jī)，以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的增強(qiáng)型32位微控制器，專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計。工作頻率高達(dá)72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的；256 kB 片上FLASH ROM， 48 kB SRAM； 5個超高速USART；支持DMA操作的2通道12位同步DAC轉(zhuǎn)換器；8個定時器；支持多路PWM帶死區(qū)控制的通道等，其資源豐富，可以滿足數(shù)據(jù)快速傳輸和復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算等功能。

2 CH9343接口芯片

該芯片是沁恒公司的一個單芯片全速USB安卓主機(jī)接口芯片，符合Android開方文式配件（Android Open Accessory，AOA）規(guī)范，芯片內(nèi)部配置有USB協(xié)議解析器，用于內(nèi)置安卓設(shè)備對外部組件的訪問。該芯片提供了 USB轉(zhuǎn)GPIO，UART，SPI和I2C等多種可配置硬件接口，可方便地實現(xiàn)安卓設(shè)備接口的擴(kuò)展，用途廣泛。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括智能手機(jī)和信號源配件兩部分。信號源配件由CH9343主機(jī)接口電路、STM32主控電路和信號調(diào)理電路組成。系統(tǒng)框如圖1所示。

3.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要用來實現(xiàn)信號電流放大和極性變換功能，信號調(diào)理電路如圖2所示，圖中給出了其中1路。輸入信號uil范圍為0?+3 V，輸出信號uol范圍為-3?+ 3 V。由前級運(yùn)放進(jìn)行信號的雙極性變換，后級進(jìn)行了 2倍增益和50Ω阻抗輸出等功能。

3.2 STM32主控電路

該電路完成用戶參數(shù)到高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生需求的模擬信號。主控電路如圖3所示。圖中ui1和ui2分別是數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to analog converter，DAC）通道0和通道 1的輸出信號，它們分別連接至信號調(diào)理電路上。STM32控制器的串口（TXD和RXD）與CH9343芯片的擴(kuò)展串口（RXD和TXD）交叉相連。

3.3 CH9343主機(jī)接口電路

STM32控制器高速串口連接至CH9343的串口上，串口采用交叉連接。CH9343芯片的USB端口信號連接至安卓手機(jī)的USB接口上。當(dāng)用戶設(shè)定好波形參數(shù)后，數(shù)據(jù)從手機(jī)虛擬信號源軟件中下傳到CH9343的USB接口電路，后由CH9343主機(jī)接口電路轉(zhuǎn)發(fā)至STM32的高速串口。CH9343主機(jī)接口電路如圖4所示。

4 固件程序設(shè)計

固件程序設(shè)計主要包括主程序和定時器中斷程序兩部分，其中主程序用于完成控制器初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)接收功能，定時器中斷程序主要完成波形產(chǎn)生等功能。

4.1 主程序設(shè)計

主程序主要包括初始化數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、I/O口、串口 1、DAC模塊和定時器TIM1及產(chǎn)生波形等。主程序主要代碼如下：

int main（）

{

ClearBuffer 。； //數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零ConfigurationPort（）； //配置 I/O端口ConfigurationUart （）；//配置高速串口，波特率

921600bps

ConfigurationDAC（）； //配置DAC，12位分辨率ConfigurationTIMlO； //初始化定時器while（1）

4.2 定時器中斷程序設(shè)計

在該子程序中，啟用了定時器TIM1的中斷功能。當(dāng)定時時間到達(dá)設(shè)定值時，進(jìn)入TIM2_IRQHandler。中斷服務(wù)程序，完成一次數(shù)據(jù)DAC數(shù)據(jù)發(fā)送工作。定時周期與波形頻率和周期采樣點數(shù)有關(guān)，由下位機(jī)計算設(shè)置。

定時器中斷服務(wù)程序主要代碼如下：

void TIM2-IRQHandler（void）

{

DACSetChannel 1 Dat a（DAC-Align-l 2b-R，DA-ROMValue[0][k]）； //發(fā)出通道0數(shù)據(jù)

DAC- S etChannel 1 Dat a（DAC- Align- 12b-R ，D A-ROMValue[l][k]）； //發(fā)出通道 1 數(shù)據(jù)cnt++；

if（cnt>=Count）//每通道 20 個點

{

cnt=0；

flagOK=l；

……

}

}

5 應(yīng)用軟件設(shè)計

虛擬信號源應(yīng)用軟件采用Eclispe開發(fā)環(huán)境編寫。沁恒公司為安卓手機(jī)用戶使用外部組件提供了固件支持，只要通過CH9343的安卓Demo模板，就可方便地完成手機(jī)APP界面設(shè)計和邏輯功能編寫。APP運(yùn)行時，智能手機(jī)與CH9343的通信建立分4個過程：（1）檢測安卓設(shè)備是否連接；（2）判斷安卓設(shè)備是否支持AOA模式；（3）試圖在AOA模式下啟動設(shè)備；（4）支持AOA協(xié)議的情況下，建立通信連接。運(yùn)行在華為安卓智能手機(jī)上的虛擬信號源軟件界面如圖5所示，圖中通道1為雙極性，幅值1.0 V，頻率為1 kHz的正弦波設(shè)定情況，通道2為單極性，幅值2.0 V，頻率為5 kHz的三角波設(shè)定情況。如圖6所示為圖沖設(shè)定參數(shù)的實測波形，上面波形為通道1波形，下面為通道2波形。由圖可知本手機(jī)虛擬信號源工作效果良好。

6 結(jié)語

本文利用STM32控制器和安卓主機(jī)接口芯片，設(shè)計了一款手機(jī)虛擬信號源。該信號源創(chuàng)新性地把傳統(tǒng)信號發(fā)生器和智能移動終端相結(jié)合，擴(kuò)展了信號源的應(yīng)用空間，是傳統(tǒng)信號源的有利補(bǔ)充，給工程技術(shù)人員帶來便利。實驗證明，該信號源能較好地滿足中低頻信號的發(fā)生需要，使智能手機(jī)成為一種便攜式信號源，可以較好地滿足快速便捷測量需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張海鵬.簡易信號發(fā)生器及手持信號檢測儀[J].電子世界，2017（9）：85.

[2]姜建國.基于STM32的新型信號發(fā)生器設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2017（3）：273.

[3]蘇加斌，李紅波.基于IAP15W和CH9343的手機(jī)虛擬示波器設(shè)計[J].電子世界，2016（5）：76.

[4]牟光紅.STM32的雙路信號源及其配置平臺設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（10）：37.

[5]王永勝.USB+OTG在手持?jǐn)?shù)字存儲示波表中的應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.