手把手教你用MCU做一個(gè)示波器（代碼開源）
關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào)，直達(dá)精彩內(nèi)容
來源 | Gitee
一、前言
該項(xiàng)目是基于正點(diǎn)原子精英板制作的一個(gè)簡易示波器，可以讀取信號(hào)的頻率和幅值，并可以通過按鍵改變采樣頻率和控制屏幕的更新暫停。
二、硬件接線
-
將PA6與PA4相連，可觀察到正弦波。 -
將PA6與PA5相連，可觀察到三角波/噪聲(默認(rèn)三角波)。 -
KEY_UP控制波形的更新和暫停。 -
KEY_1降低采樣率。 -
KEY_0提高采樣率。
三、信號(hào)的采集
信號(hào)的采集主要是依靠ADC（通過定時(shí)器觸發(fā)采樣，與在定時(shí)器中斷中開啟一次采樣的效果類似，以此來控制采樣的間隔時(shí)間相同），然后通過DMA將所采集的數(shù)據(jù)從ADC的DR寄存器轉(zhuǎn)移到一個(gè)變量中，此時(shí)完成一次采樣。
由于設(shè)定采集一次完整的波形需要1024個(gè)點(diǎn)，即需要連續(xù)采集1024次才算一次完整的波形采樣（需要采集1024個(gè)點(diǎn)的原因在后面會(huì)提到）。
因此我們還需創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組用于存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，并在DMA中斷中，將成功轉(zhuǎn)移到變量中的數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)組（注意此數(shù)組中存入的數(shù)據(jù)是12位的數(shù)字量，還未做回歸處理），完成1024個(gè)數(shù)據(jù)的采樣和儲(chǔ)存，用于后續(xù)在LCD上進(jìn)行波形的顯示和相關(guān)參數(shù)的處理。
此案例用到的是ADC1的通道6（即PA6口）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣，主要需注意將ADC轉(zhuǎn)換的觸發(fā)方式改為定時(shí)器觸發(fā)（我用的是定時(shí)器2的通道2進(jìn)行觸發(fā)，由于STM32手冊提示只有在上升沿時(shí)可以觸發(fā)ADC，因此我們需要讓定時(shí)器2的通道2每隔固定的時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)上升沿）。
將定時(shí)器2設(shè)置成PWM模式，即可令A(yù)DC1在定時(shí)器2的通道2每產(chǎn)生一次上升沿時(shí)觸發(fā)采樣，后續(xù)即可通過改變PWM的頻率（即定時(shí)器的溢出頻率），便可控制采樣的頻率。
四、代碼配置
ADC的配置：
/**********************************************************
簡介：ADC1-CH6初始化函數(shù)
***********************************************************/
void Adc_Init(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE ); //使能ADC1通道時(shí)鐘
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //設(shè)置ADC分頻因子6 72M/6=12,ADC最大時(shí)間不能超過14M
//PA6 作為模擬通道輸入引腳
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模擬輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
ADC_DeInit(ADC1); //復(fù)位ADC1,將外設(shè) ADC1 的全部寄存器重設(shè)為缺省值
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1工作在獨(dú)立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在非連續(xù)轉(zhuǎn)換模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2; //轉(zhuǎn)換由定時(shí)器2的通道2觸發(fā)（只有在上升沿時(shí)可以觸發(fā)）
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC數(shù)據(jù)右對齊
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //順序進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)換的ADC通道的數(shù)目
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //根據(jù)ADC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設(shè)ADCx的寄存器
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1
ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); //ADC的DMA功能使能
ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能復(fù)位校準(zhǔn)
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_6, 1, ADC_SampleTime_1Cycles5 );//ADC1通道6,采樣時(shí)間為239.5周期
ADC_ResetCalibration(ADC1);//復(fù)位較準(zhǔn)寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待復(fù)位校準(zhǔn)結(jié)束
ADC_StartCalibration(ADC1); //開啟AD校準(zhǔn)
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校準(zhǔn)結(jié)束
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1的軟件轉(zhuǎn)換啟動(dòng)功能
}
定時(shí)器的配置：
/******************************************************************
函數(shù)名稱:TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
函數(shù)功能:定時(shí)器3，PWM輸出模式初始化函數(shù)
參數(shù)說明:arr：重裝載值
psc：預(yù)分頻值
備 注:通過TIM2-CH2的PWM輸出觸發(fā)ADC采樣
*******************************************************************/
void TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //使能定時(shí)器2時(shí)鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); //使能GPIO外設(shè)和AFIO復(fù)用功能模塊時(shí)鐘
//設(shè)置該引腳為復(fù)用輸出功能,輸出TIM2 CH2的PWM脈沖波形 GPIOA.1
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; //TIM_CH2
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //復(fù)用推挽輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO
//初始化TIM3
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設(shè)置在下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)的自動(dòng)重裝載寄存器周期的值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設(shè)置用來作為TIMx時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設(shè)置時(shí)鐘分割:TDTS = Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計(jì)數(shù)模式
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //根據(jù)TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數(shù)初始化TIMx的時(shí)間基數(shù)單位
//初始化TIM2 Channel2 PWM模式
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //選擇定時(shí)器模式:TIM脈沖寬度調(diào)制模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比較輸出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //輸出極性:TIM輸出比較極性高
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=1000; //發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)的計(jì)數(shù)器數(shù)值，用于改變占空比
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //根據(jù)T指定的參數(shù)初始化外設(shè)TIM2
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE);//使能PWM輸出
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIM2
}
DMA配置：
/******************************************************************
函數(shù)名稱:MYDMA1_Config()
函數(shù)功能:DMA1初始化配置
參數(shù)說明:DMA_CHx：DMA通道選擇
cpar：DMA外設(shè)ADC基地址
cmar：DMA內(nèi)存基地址
cndtrDMA通道的DMA緩存的大小
備 注:
*******************************************************************/
void MYDMA1_Config(DMA_Channel_TypeDef* DMA_CHx,u32 cpar,u32 cmar,u16 cndtr)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); //使能DMA傳輸
DMA_DeInit(DMA_CHx); //將DMA的通道1寄存器重設(shè)為缺省值
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = cpar; //DMA外設(shè)ADC基地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = cmar; //DMA內(nèi)存基地址
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; //數(shù)據(jù)傳輸方向，從外設(shè)讀取發(fā)送到內(nèi)存//
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = cndtr; //DMA通道的DMA緩存的大小
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外設(shè)地址寄存器不變
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //內(nèi)存地址寄存器遞增
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //數(shù)據(jù)寬度為16位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //數(shù)據(jù)寬度為16位
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //工作在循環(huán)模式
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //DMA通道 x擁有高優(yōu)先級
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //DMA通道x沒有設(shè)置為內(nèi)存到內(nèi)存?zhèn)鬏?/span>
DMA_Init(DMA_CHx, &DMA_InitStructure); //ADC1匹配DMA通道1
DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA1_IT_TC1,ENABLE); //使能DMA傳輸中斷
//配置中斷優(yōu)先級
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0 ;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);//使能DMA通道
}
注意：
-
由于在設(shè)置PWM時(shí)將
TIM_Pulse默認(rèn)設(shè)置為1000，因此在初始化定時(shí)器2時(shí)，TIM_Period的值不能小于該值，可自行修改。TIM_Pulse的值并不會(huì)影響采樣頻率。 -
采樣頻率= 定時(shí)器2溢出頻率=SYSCLK/預(yù)分頻值/溢出值因此如果將TIM_Pulse設(shè)為1，TIM_Period設(shè)為2，TIM_Prescaler設(shè)為1，理論上采樣頻率最高可達(dá)36Mhz。
五、數(shù)據(jù)的處理
數(shù)據(jù)的處理主要是要求出信號(hào)的頻率和幅值等相關(guān)參數(shù)。幅值可以通過找出之前存儲(chǔ)1024個(gè)點(diǎn)的數(shù)組中最大最小值，回歸處理過后算出差值。
難點(diǎn)主要在于頻率的求取。一個(gè)信號(hào)中可能包含多種頻率成分，而我顯示的是幅值最大的頻率分量（當(dāng)然其他頻率也可獲得）。這里便用到了STM32提供的DSP庫中的FFT（快速傅里葉變換），DSP庫在最后的源碼中有。
需要采樣1024個(gè)點(diǎn)的原因：FFT算法要求樣本數(shù)為2的n次方，而DSP庫中提供了64，256和1024樣本數(shù)對應(yīng)的庫函數(shù)，因此選用1024最大樣本數(shù)可以使頻率分辨率最小，更加精確。（定義頻率分辨率f0=fs/N，其中fs等于采樣率，N為采樣點(diǎn)數(shù)）
需注意：FFT后的輸出不是實(shí)際的信號(hào)頻率，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換。f(k)=k*(fs/N)，其中f(k)是實(shí)際頻率，k是實(shí)際信號(hào)的最大幅度頻率所對應(yīng)的數(shù)。（詳見下面代碼，分享的源代碼中公式有誤，未重新上傳）
獲取頻率的函數(shù)：
#define NPT 1024//一次完整采集的采樣點(diǎn)數(shù)
/******************************************************************
函數(shù)名稱:GetPowerMag()
函數(shù)功能:計(jì)算各次諧波幅值
參數(shù)說明:
備 注:先將lBufOutArray分解成實(shí)部(X)和虛部(Y)，然后計(jì)算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)
*******************************************************************/
void GetPowerMag(void)
{
float X,Y,Mag,magmax;//實(shí)部，虛部，各頻率幅值，最大幅值
u16 i;
//調(diào)用自cr4_fft_1024_stm32
cr4_fft_1024_stm32(fftout, fftin, NPT);
//fftin為傅里葉輸入序列數(shù)組，ffout為傅里葉輸出序列數(shù)組
for(i=1; i<NPT/2; i++)
{
X = (fftout[i] << 16) >> 16;
Y = (fftout[i] >> 16);
Mag = sqrt(X * X + Y * Y);
FFT_Mag[i]=Mag;//存入緩存，用于輸出查驗(yàn)
//獲取最大頻率分量及其幅值
if(Mag > magmax)
{
magmax = Mag;
temp = i;
}
}
F=(u16)(temp*(fre*1.0/NPT));//源代碼中此公式有誤，將此復(fù)制進(jìn)去
LCD_ShowNum(280,180,F,5,16);
}
六、模擬正弦波輸出
此正弦波輸出是用于調(diào)試示波器，觀察顯示和實(shí)際是否相同。主要利用DAC輸出，在定時(shí)器3的中斷中不斷改變DAC的輸出值，產(chǎn)生一個(gè)正弦波。因此改變正弦波的頻率可以通過更改定時(shí)器3的溢出頻率。（采用的PA4口進(jìn)行輸出）
在初始化時(shí)，我將定時(shí)器3的重裝載值設(shè)置為40，預(yù)分頻值設(shè)置為72，正弦波輸出頻率為72Mhz/40/72/1024≈24.5Hz（1024是因?yàn)閷⒁粋€(gè)周期正弦波均分成1024個(gè)輸出點(diǎn)，詳見下面函數(shù)InitBufInArray()）。
經(jīng)采樣處理后顯示為24-25Hz，與實(shí)際值接近。（但是當(dāng)采樣頻率提高到最大3.6kHz時(shí)，頻率顯示為32Hz左右，原因未知）
下面是相關(guān)代碼：
u16 magout[NPT];
/******************************************************************
函數(shù)名稱:InitBufInArray()
函數(shù)功能:正弦波值初始化，將正弦波各點(diǎn)的值存入magout[]數(shù)組中
參數(shù)說明:
備 注:
*******************************************************************/
void InitBufInArray(void)
{
u16 i;
float fx;
for(i=0; i<NPT; i++)
{
fx = sin((PI2*i)/NPT);
magout[i] = (u16)(2048+2048*fx);
}
}
/******************************************************************
函數(shù)名稱:sinout()
函數(shù)功能:正弦波輸出
參數(shù)說明:
備 注:將此函數(shù)置于定時(shí)器中斷中，可模擬輸出正弦波
*******************************************************************/
void sinout(void)
{
static u16 i=0;
DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,magout[i]);
i++;
if(i>=NPT)
i=0;
}
七、模擬噪聲或三角波輸出
模擬噪聲或三角波輸出可直接通過配置DAC，利用芯片內(nèi)部的發(fā)生器產(chǎn)生。DAC2的轉(zhuǎn)換由定時(shí)器4的TRGO觸發(fā)（事件觸發(fā)）。同時(shí)需要注意設(shè)置TRGO由更新事件產(chǎn)生。
若為三角波輸出，頻率=72Mhz/定時(shí)器重裝載值/預(yù)分頻系數(shù)/幅值/2；
例如：初始化定時(shí)器的重裝載值為2，預(yù)分頻系數(shù)為36，幅值為最大（4096），即Freq=72Mhz/2/36/4096/2≈122Hz；
具體代碼如下所示：
void Dac2_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
DAC_InitTypeDef DAC_InitType;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE ); //使能PORTA通道時(shí)鐘
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE ); //使能DAC通道時(shí)鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; // 端口配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模擬輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_T4_TRGO; //定時(shí)器4觸發(fā)
DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_Noise;//產(chǎn)生噪聲
//DAC_WaveGeneration_Triangle產(chǎn)生三角波
DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_TriangleAmplitude_4095;//幅值設(shè)置為最大，即3.3V
DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ; //DAC1輸出緩存關(guān)閉 BOFF1=1
DAC_Init(DAC_Channel_2,&DAC_InitType); //初始化DAC通道2
DAC_Cmd(DAC_Channel_2, ENABLE); //使能DAC-CH2
DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0); //12位右對齊數(shù)據(jù)格式設(shè)置DAC值
}
void TIM4_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //時(shí)鐘使能
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設(shè)置在下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)的自動(dòng)重裝載寄存器周期的值 計(jì)數(shù)到5000為500ms
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設(shè)置用來作為TIMx時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值 10Khz的計(jì)數(shù)頻率
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設(shè)置時(shí)鐘分割:TDTS = Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計(jì)數(shù)模式
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); //根據(jù)TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數(shù)初始化TIMx的時(shí)間基數(shù)單位
TIM_SelectOutputTrigger(TIM4, TIM_TRGOSource_Update);//觸發(fā)外設(shè)方式為更新觸發(fā)
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); //使能TIMx外設(shè)
}
八、顯示函數(shù)與按鍵控制
-
顯示波形只需將所獲得的1024個(gè)采樣數(shù)據(jù)選擇一部分進(jìn)行顯示大致思路如下：
u16 pre_vol;//當(dāng)前電壓值對應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)
u16 past_vol;//前一個(gè)電壓值對應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)
//adcx[]數(shù)組及通過DMA存入的1024個(gè)原始數(shù)據(jù)
pre_vol = 50+adcx[x]/4096.0*100;
LCD_DrawLine(x,past_vol,x+1,pre_vol);//根據(jù)實(shí)際，打點(diǎn)位置可進(jìn)行相應(yīng)更改
past_vol = pre_vol;
-
按鍵的控制是在外部中斷中進(jìn)行（正點(diǎn)原子資料中提供相應(yīng)參考代碼）比較重要的是改變采樣頻率。
工程分享
https://gitee.com/silent-rookie/Simple-Oscilloscope
???????????????? END ???????????????
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