多功能便攜示波器的研制

王秦君，李永濤，張緒德

（南京郵電大學 理學院，江蘇 南京210046）

1 系統(tǒng)概述

目前市場上的示波器價格普遍較高，同時較為笨重，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168MHZ，具有196kB的RAM，片內(nèi)有3個12位速度高達2.4MSPS的ADC.這樣可以僅用片內(nèi)AD來進行采樣［1］，以此可以最大限度的簡化外圍電路，同時降低成本.系統(tǒng)主要包括信號輸入和衰減電路，觸發(fā)電路、MCU模塊和液晶模塊.對于輸入模塊，采用電阻和電容分壓的方式對輸入信號進行衰減，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 示波器實物圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號輸入

2.1.1 信號衰減

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電壓幅度降到了原來的1／4，因為MCU的AD輸入電壓范圍是0～3V，所以輸入信號的幅度可以為-6～6V.該電路中的電容是為了滿足對高頻信號良好的分壓性能.

圖2 信號衰減電路

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送入加法器，同時減小其輸出電阻.

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

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，將輸入信號轉(zhuǎn)化為周期性的方波，用戶可以選擇采用關閉觸發(fā)、上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)3種觸發(fā)方式.程序會依據(jù)用戶的選擇，在觸發(fā)信號到來時，進行相應地操作.

圖5 電壓比較器（用于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖）

2.3 信號采集和處理

該系統(tǒng)通過MCU的ADC1和ADC2兩個通道進行采樣.為了達到最大的響應速度，信號采集時采用了DMA傳輸?shù)姆绞剑?］.直接存儲器存?。―MA）用來提供在外設和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸.無須CPU干預，數(shù)據(jù)可以通過DMA快速地移動，這節(jié)省了CPU的資源來做其他操作.

表1是STM32F4數(shù)據(jù)手冊中的DMA2每通道對應的外設，可以看到，ADC1對應了Stream0的Channel0和Stream4的Channel0，ADC2對應了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中各通道的請求

內(nèi)存中有3個1 024×2byte的buffer，其中2個用來存儲ADC1和ADC2采樣值，另外一個用來存儲采樣完成后對波形進行數(shù)學運算的虛擬波形的AD值.當用戶選擇的時間步進小于20μs時，DMA會把采集到的數(shù)據(jù)放入buffer.大于或等于50μs時，MCU通過時間步進計算延時時間，每隔1個延時采1次數(shù)據(jù)，以此來實現(xiàn)時間擋位可調(diào)節(jié)的功能［5］.

數(shù)據(jù)采集完成后，通過用戶選擇，還會對波形進行相應處理，比如繪制李薩如圖形或者進行快速傅里葉變換（FFT）.其中FFT采用了ST官方提供的DSP庫來實現(xiàn)，1 024點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)動液晶.靈活的靜態(tài)存儲器控制器（FSMC）能夠與同步或異步存儲器和16位PC存儲器卡接口.只要進行適當?shù)呐渲茫材軐崿F(xiàn)液晶的8086時序.使用FSMC后，對液晶寫數(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)軟件設計

軟件通過圖形用戶界面（GUI）實現(xiàn)人機交互，GUI控制按鈕和菜單的顯示，AD每轉(zhuǎn)換1次后會檢測觸摸屏是否被按下，如果被按下會執(zhí)行相應的操作，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：

因為buffer能存儲1 024個AD值，但是屏幕水平分辯率只有400，所以設置了 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個點，反應到TFT上的現(xiàn)象為：當ControlCH的值為對應的通道時，只要手指在觸摸屏上滑動，就能任意拖動波形，使操作更加形象，觀察起來也更加方便.

4 結(jié)束語

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，使得設計成本大大降低，同時外圍元件的用量也大大減少，體積縮小到手機般大小.FFT也充分運用了STM32F4內(nèi)FPU的性能，加上采樣時間也能以30fps以上的速率顯示頻譜.

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

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

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

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

［5］胡斌強，蘇紹璟，王躍科.手持寬帶數(shù)字存儲示波器的設計與實現(xiàn) ［J］.計算機測量與控制，2006，14（10）：1423-1425.