2020年01月14日 | 基于STM32内置ADC实现简易示波器的程序设计与实现

　　做一个数字采样示波器一直是我长久以来的愿望，不过毕竟这个目标难度比较大，涉及的方面实在太多，模拟前端电路、高速ADC、单片机、CPLD/FPGA、通讯、上位机程序、数据处理等等，不是一下子就能成的，慢慢一步步来呗，呵呵，好歹有个目标，一直在学习各方面的知识，也有动力：）由于高速ADC涉及到采样后的数据存储问题，大量的数据涌入使得单片机无法承受，因此通常需要用外部高速RAM加CPLD配合，或者干脆用大容量的 FPGA做数据存储处理等，然后通知单片机将数据发送出去。这部分实在是难度比较大，电路非常复杂，自己是有心无力啊，还得慢慢地技术积累。。。

　　正好ST新推出市场的以CORTEX-M3为核心的STM32，内部集成了2个1Msps 12bit的独立ADC，并且内部高达72MHZ的主频，高达1.25DMIPS/MHZ的处理速度，高速的DMA传输功能，灵活强大的4个TIMER等等，这些真是非常有吸引力，何不用它来实现一个低频的数字示波器功能呢，我的目标是暂时只要定量定性地分析20KHZ以下的低频信号就行了，目标不高吧，用STM32可以方便地实现，等有了一定经验之后慢慢再用FPGA和高速ADC搞个100Msps采样的示波器！

　　1、 ADC转换：STM32增强型芯片内置的2个独立ADC，可以有16个通道，并且2个通道可以并行的同步采样，触发方式很灵活，可以通过TIMER以及外部电平等方式触发，并行方式下ADC2自动同步于ADC1；ADC在最高速采样的时候需要1.5+12.5个ADC周期，在14M的ADC时钟下达到 1Msps的速度，因为我主频是72M所以4分频后稍微高了点，18MHZ的ADC时钟，采样速度应该高于1M了。ADC 采样2路同时采样方式，用TIM2 CC2来生成时钟信号触发ADC来实现指定频率的采样。ADC1/ADC2采样的结果是一个word

　　2、采样频率控制：由于STM32内部的4个TIMER非常强大，每个TIMER又有4个通道，再加上独立的预分配器，实际上可以实现任意分频，因此用TIM2 CC2来产生指定频率的时钟，用来触发ADC1连续采样。

　　3、采样数据传输及每次采样深度控制：ADC产生的转换数据通过高速DMA 通道1来传输置指定的内部RAM中，并且将DMA通道一设置成最高优先级，以保证数据准确，并且用DMA每次传输的个数来控制采样的深度，例如我要采集 100个点那么就设置DMA传输100个次，每次从32位ADC转换寄存器传输一个word到RAM中，等完成了100次传输后，DMA通道自动停止（实际上ADC是一直按照要求的采样频率连续在后台采样，只是我去取数据而已），下次采集的时候我只要再设置下采样的个数使能DMA CHANNEL1就行了。

　　4、与上位机通讯：通讯也是个难题，要达到快速地将大量数据发给上位机的目的，传输的速率肯定低不了，开始我想先用串口，不过很快就放弃了，一则即使我用外部USB转串口的芯片最高也只能达到1M的速度，并且数据会丢失；后来还是采用了网络传输的方式，用SPI接口的ENC28J60芯片，这个芯片我在MEGA32和AT91SAM7S64上都用过，接口简单挺方便的，速度还可以，在SAM7S64上DMA凡是用UDP协议单向发送的速度可以达到400KB/S以上，这次用了STM32发现速度大增，经过我用STM32的DMA传输后，同样UDP协议单向发速度竟然达到了500KB/S以上，甚至最高可以达到600KB/S，这个真是意外的收获。

　　5、上位机程序：还是用VS2005，我还是喜欢用C#，主要是微软的C#做得是在太舒服了，编辑器智能化程度真高，我只要刚刚输个开头的字母，马上就感知出来一堆让你选择，连挨个敲字符的功夫都省了，还不用担心拼写出错到时候找原因的麻烦，呵呵，缺点就是程序执行时候CPU利用率要高点，什么时候它的C++ 编辑器也到这个程度我就换回C++，哈哈。波形显示还是用NI的measurementStudio8来实现，一个是漂亮方便，另外最要紧的就是 MeasurementStudio8里面有一大堆数据处理的库，从简单的波形有效值计算，频率计算，到各种各样的函数滤波器功能，还有FFT频域分析，时域分析等等，但凡要用到的仪器相关处理里面都有，另外本来我打算要在模拟前端里面加一个相位锁定的电路，以固定显示的波形起点，后来发现 MeasurementStudio8里面有个PeakDetector的类，用这个来实现波形的锁定连这个电路都可以省了。用 MeasurementStudio8来实现实在是非常方便，并且准确。只是我没啥资料，还在探索当中

　　显示的界面及部分照片：

　　数据采样后输出到PC上显示的图形很精确，包括MAX038产生的正弦波上部的小尖峰也很清楚，STM32的ADC精度很稳定性相当好，对于音频范围的低频信号来说，1Msps的采样也基本够用了。只要采集足够的点送给measurementsudio提供的函数来分析，可以达到非常精确的程度，12BIT 的分辨率相当于数字表的3位半的效果，用来测试信号的频率、真有效值、峰值、峰峰值等等非常方便和精确，和我用硬件实现的频率计和真有效值的读数相同（这也说明了我做的信号发生器的硬件是准确的，哈哈，之前跟数字表总对不上，看来是数字表准确度差），实现完全可以当作低频示波器来用，再加上个模拟前端电路，完全可以实用化了

　　上位机的程序：

　　上位机的程序还处在对于measuremenStudio的摸索当中，只是初步了解到了几个函数，用它来实现数据处理实在是方便，look public void DataReceived_Proc（） //UDP数据接收、数据处理、数据显示函数

　　{

　　try

　　{

　　while （bStates）

　　{

　　myudpcomm.Receive（ref CommReceiveBuffer）;

　　Received_Command = Bytes2Struct（ref CommReceiveBuffer）;

　　//textBox3.Text = Received_Command.SampleRate.ToString（） + （acEstimate++）.ToString（）;

　　dADC1_Result = new double［Received_Command.SampleDepth］;

　　dADC2_Result = new double［Received_Command.SampleDepth］;

　　//数据处理，将通讯接收区中的ADC数据传入绘图用数组中

　　for （int i = 0; i 《 （int）（Received_Command.SampleDepth）; i++）

　　{

　　dADC1_Result = （BitConverter.ToUInt16（CommReceiveBuffer， 40 + 4 * （i + 0））） * （3.3 / 4096.0）;

　　dADC2_Result = （BitConverter.ToUInt16（CommReceiveBuffer， 40 + 4 * （i + 0） + 2）） * （3.3 / 4096.0）;

　　}

　　str = “通道A（绿色）rn”;

　　//测试真有效值

　　Measurements.ACDCEstimator（dADC1_Result， out acEstimate， out dcEstimate）;//交流（AC方式相当于信号通过一个电容隔直后进行测量）和直流（DC直通方式进行测量）真有效值测量

　　str += “AC方式有效值：” + （（int）（acEstimate * 1000））.ToString（） + “mV” + “DC方式有效值” + （（int）（dcEstimate * 1000））.ToString（） + “mVrn”;

　　//测试信号频率、振幅Vp

　　mySingleToneInformationADC1 = new SingleToneInformation（dADC1_Result， Received_Command.SampleRate）;

　　str += “频率：” + （（int）（acEstimate * 1000）==0 ？ 0int ）mySingleToneInformationADC1.Frequency）.ToString（） + “Hz” + “振幅Vp：” + （（int ）mySingleToneInformationADC1.Amplitude*1000）.ToString（） + “mVrn”;

　　str += “rn通道B（红色）rn”;

　　//测试真有效值

　　Measurements.ACDCEstimator（dADC2_Result， out acEstimate， out dcEstimate）;//交流（AC方式相当于信号通过一个电容隔直后进行测量）和直流（DC直通方式进行测量）真有效值测量

　　str += “AC方式有效值：” + （（int）（acEstimate * 1000））.ToString（） + “mV” + “DC方式有效值” + （（int）（dcEstimate * 1000））.ToString（） + “mVrn”;

　　//测试信号频率、振幅Vp

　　mySingleToneInformationADC2 = new SingleToneInformation（dADC2_Result， Received_Command.SampleRate）;

　　str += “频率：” + （（int）（acEstimate * 1000） == 0 ？ 0 ： （int）mySingleToneInformationADC1.Frequency）.ToString（） + “Hz” + “振幅Vp：” + （（int）mySingleToneInformationADC1.Amplitude * 1000）.ToString（） + “mVrn”;

　　textBox3.Text = str;

　　//ThresholdPeakDetector.Analyze用来找出从波谷到波峰上升沿顶点的数组序号

　　//可以用于固定显示波形从上升沿的某固定点开始，相当与硬件的同步触发电路功能

　　//b = ThresholdPeakDetector.Analyze（dADC2_Result， 2， 10）;

　　//foreach （int k in b）

　　//{

　　//textBox3.Text += k.ToString（） + “ ”;

　　//}

　　//for （int i = 0; i 《 Received_Command.SampleDepth - b［1］; i++）

　　{

　　//dADC1_Result = dADC2_Result［i + b［1］］;

　　}

　　//textBox3.Text += b［b.Length - 1］.ToString（）;

　　//bIsUdpDataReceived = true;//表示接收到了UDP数据，允许进行再次发送

　　bIsDataReadyForPlot = true;

　　myGraphPlotProc（）;//绘图输出*/

　　//myD1 = new myMethodDelegate（h）;

　　//myD1（1）;

　　}

　　}

　　catch （Exception e1）

　　{

　　timer1.Enabled = false;

　　MessageBox.Show（e1.ToString（））;

　　}

　　finally

　　{

　　timer1.Enabled = false;

　　}

　　}

　　/************************************************************************************

　　* 绘图输出过程函数供，mygGraphPlotThread进程调用

　　* 始终循环检测bIsDataReadyForPlot，一旦为真则进行绘图，绘图完成后置标志为false

　　* **********************************************************************************/

　　public void myGraphPlotProc（）//绘图输出函数

　　{

　　//while （true ）

　　{

　　if（bIsDataReadyForPlot）

　　{

　　waveformPlot1.PlotY（dADC1_Result）;

　　waveformPlot2.PlotY（dADC2_Result）;

　　bIsDataReadyForPlot = false;

　　}

　　}

　　}

　　下位机的程序：

　　下位机的程序，也还在完善，现在只做到了基本的功能，还不稳定，主要问题还是在传输上的，这次为了一次传输比较多的数据，要将UDP数据包分解，分成多个小于1518字节的帧发送，因此发现当数据发送快的时候很容易导致数据停止发送，以前用MEGA32和SAM7的时候没注意过，当时的处理速度也慢，没暴露出来，想来想去可能是由于连续发送的时候速度太快导致的冲突，ENC28J60出错挂起了，还是ENC28J60没有吃透，对于里面的流控、以太网冲突检测这些还需要进一步研究。

　　/******************** （C） COPYRIGHT 2007 STMicroelectronics ********************

　　*STM32F10*** 双通道ADC数据采集并通过ENC28J60实现UDP通讯传输

　　*作者：alien2006

　　*环境：keil for arm mdk 3.15b

　　*版本：V0.2

　　*时间：20071202

　　*说明：V0.2

　　*一、网络通讯部分

　　*1、先采用STM32 SPI轮询方式进行传输试验，ping 192.168.1.100 -l 1400 -n 10

　　*在轮询方式下未改进SPI1_SendByte（）函数（内部直接用ST提供的函数语句）需 avg=9ms时间

　　*轮询方式下将SPI1_SendByte（）函数中的4条语句修改为直接寄存器存取后avg提高到7ms

　　*轮询方式下取消SPI1_SendByte（）直接代之以函数中四语句avg提高到6ms

　　*经过上述的逐步修改，传输UDP1400个字符时双向传输（接收1400个字节再发送这1400个字节）间隔4MS可达210KB/S

　　*2、enc28j60.c修改增加STM32 SPI传输DMA和非DMA编译选项，DMA方式下网络最大传输速度测试达到350KB/S

　　*3、改进了ZYP_UDP.C实现了当要发送的UDP数据长度超过单帧所能容纳时，将UDP数据

　　*自动进行分组，并可在编译时自定义每个分组长度;

　　*改进了ENC28J60.C加入了ENC28J60DMA空闲和网络发送完毕的判断，解决了当发送速度过快时导

　　*致传输出错问题。测试单向发送速度超过500KB/S;

　　*二、STM32数据采集部分

　　*1、ADC1/ADC2实现并行同时数据采集，12BIT最高可达1MSPS采样速度并通过STM32的DMA传输放入内存中

　　*2、TIM2 CC2实现对ADC采样的触发，ADC_Sample_Frequency_Set函数实现自定义TIM2 OC2频率输出，

　　*3、采样的频率和采样个数通过接收到的UDP控制命令来指定

　　*采样的频率为20HZ~1MHZ;

　　*采样深度为1~4000个数据（受限于STM32内存20KB容量，一个数据为2个12bitADC通道读数，需一个word）

　　*4、定义了简单的UDP控制命令结构，用于实现与PC通讯和控制采样频率和采样深度

　　*三、其他

　　*1、程序待解决问题：UDP分组发送出错问题未完全解决，有待进一步解决

　　*2、期待增加模拟前端电路，并实现放大倍数程控，通过上位机程序可以设置

　　*

　　* V0.1：最初程序，实现简单固定频率和深度的并行ADC采样和UDP通讯，并编制了简单的上位机程序，

　　*可以进行采样波形的显示