多功能便攜示波器的研制.pdf

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1、第34卷第7期物理實(shí)驗(yàn)Vo1．34No．72014年7月PHYSICSEXPER1MENTATIONJuI_，2O14多功能便攜示波器的研制學(xué)生園地王秦君，李永濤，張緒德(南京郵電大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210046)摘要：設(shè)計(jì)了低成本、低功耗的多功能示波器，采用了sT公司的STM32F4系列的單片機(jī)作為主控芯片，用片內(nèi)AD進(jìn)行采樣，省去了AD轉(zhuǎn)換芯片和FPGA，以此降低成本，同時(shí)運(yùn)用STM32F4片內(nèi)的FPU(浮點(diǎn)運(yùn)算單元)還能對(duì)波形進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算．多功能便攜示波器全部使用觸摸屏操作的方案使應(yīng)用更加方便、快捷、形象．關(guān)鍵詞：示波器；STM32；AD轉(zhuǎn)換器；FPU；ARM中圖分類號(hào)：TH7

2、44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005—4642(2014)07—0045—041系統(tǒng)概述2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)目前市場(chǎng)上的示波器價(jià)格普遍較高，同時(shí)較2．1信號(hào)輸入為笨重，不便于攜帶．基于低成本、低功耗、便攜2．1．1信號(hào)衰減的理念，制作了這樣一個(gè)系統(tǒng)．系統(tǒng)核心是衰減部分電路如圖2所示瞳]．可以看到，輸STM32F407VGT6，該MCU采用ARMCortex-入電路把輸入信號(hào)電壓幅度降到了原來(lái)的1／4，M4作為內(nèi)核，主頻高達(dá)168MHZ，具有196kB因?yàn)镸CU的AD輸入電壓范圍是0～3V，所以的RAM，片內(nèi)有3個(gè)12位速度高達(dá)2．4MSPS輸入信號(hào)的幅度可以為一6～6V．該電路中的電的AD

3、C．這樣可以僅用片內(nèi)AD來(lái)進(jìn)行采樣]，容是為了滿足對(duì)高頻信號(hào)良好的分壓性能．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ADIN1ADIN2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(guò)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2信號(hào)衰減電路圖1示波器實(shí)物圖收稿日期：2014—02—10；修改日期：2014—05—22資助項(xiàng)目：南京郵電大學(xué)自制實(shí)驗(yàn)儀器項(xiàng)目(No．2O13XZZ12)；南京郵電大學(xué)教改項(xiàng)目(No．JGOO713JX32)作者簡(jiǎn)介：王秦君

4、(1994一)，男，重慶合川人，南京郵電大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)2012級(jí)本科生．通訊作者：李永濤(1977一)，男，山東濟(jì)寧人，南京郵電大學(xué)理學(xué)院講師，博士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究及管理工作．46物理實(shí)驗(yàn)第34卷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，使一1．5～1．5V的信號(hào)源范圍轉(zhuǎn)換到0～3V，供一5VMCU進(jìn)行采樣．圖3電壓跟隨器GND200kQ圖4加法器2．2觸發(fā)電路轉(zhuǎn)化為周期性的方波，用戶可以選擇采用關(guān)閉觸觸發(fā)電路(圖5)的作用為了給MCU觸發(fā)脈發(fā)、上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)3種

5、觸發(fā)方式．程沖以此來(lái)穩(wěn)定波形的顯示．序會(huì)依據(jù)用戶的選擇，在觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，進(jìn)行相利用LM339作為電壓比較器，將輸入信號(hào)應(yīng)地操作．5V圖5電壓比較器(用于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖)2．3信號(hào)采集和處理表1是STM32F4數(shù)據(jù)手冊(cè)中的DMA2每該系統(tǒng)通過(guò)MCU的ADC1和ADC2兩個(gè)通通道對(duì)應(yīng)的外設(shè)，可以看到，ADC1對(duì)應(yīng)了道進(jìn)行采樣．為了達(dá)到最大的響應(yīng)速度，信號(hào)采Stream0的Channel0和Stream4的Channel0，集時(shí)采用了DMA傳輸?shù)姆绞絔．直接存儲(chǔ)器存ADC2對(duì)應(yīng)了Stream2的Channell和Stream3取(DMA)用來(lái)提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存的Channel1．

6、在本系統(tǒng)中，ADC1采用了DMA2儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸．無(wú)須CPU的Stream0的Channel0，ADC2采用了DMA2的干預(yù)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)DMA快速地移動(dòng)，這節(jié)省了Stream2的Channel1．CPU的資源來(lái)做其他操作．第7期王秦君，等：多功能便攜示波器的研制47內(nèi)存中有3個(gè)1024×2byte的buffer，其中互，GUI控制按鈕和菜單的顯示，AD每轉(zhuǎn)換1次2個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)ADC1和ADC2采樣值，另外一個(gè)后會(huì)檢測(cè)觸摸屏是否被按下，如果被按下會(huì)執(zhí)行用來(lái)存儲(chǔ)采樣完成后對(duì)波形進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的虛擬相應(yīng)的操作，其流程如圖6所示．波形的AD值．當(dāng)用戶選擇的時(shí)間步進(jìn)小于20肚s時(shí)

7、，DMA會(huì)把采集到的數(shù)據(jù)放人buffer．大于或等于5Os時(shí)，MCU通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間擋位可調(diào)節(jié)的功能]．?dāng)?shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)，1024點(diǎn)FFT只需要幾ms，轉(zhuǎn)換速度非?？欤?．4液晶顯示顯示部分采用了400×240分辨率的TFT圖6流程圖屏．STM32則用FSMC驅(qū)動(dòng)液晶．靈活的靜