基于STM32內(nèi)置ADC實現(xiàn)簡易示波器的程序設(shè)計與實現(xiàn)

　　做一個數(shù)字采樣示波器一直是我長久以來的愿望，不過畢竟這個目標(biāo)難度比較大，涉及的方面實在太多，模擬前端電路、高速ADC、單片機、CPLD/FPGA、通訊、上位機程序、數(shù)據(jù)處理等等，不是一下子就能成的，慢慢一步步來唄，呵呵，好歹有個目標(biāo)，一直在學(xué)習(xí)各方面的知識，也有動力：）由于高速ADC涉及到采樣后的數(shù)據(jù)存儲問題，大量的數(shù)據(jù)涌入使得單片機無法承受，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做數(shù)據(jù)存儲處理等，然后通知單片機將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這部分實在是難度比較大，電路非常復(fù)雜，自己是有心無力啊，還得慢慢地技術(shù)積累。。。

　　正好ST新推出市場的以CORTEX-M3為核心的STM32，內(nèi)部集成了2個1Msps 12bit的獨立ADC，并且內(nèi)部高達(dá)72MHZ的主頻，高達(dá)1.25DMIPS/MHZ的處理速度，高速的DMA傳輸功能，靈活強大的4個TIMER等等，這些真是非常有吸引力，何不用它來實現(xiàn)一個低頻的數(shù)字示波器功能呢，我的目標(biāo)是暫時只要定量定性地分析20KHZ以下的低頻信號就行了，目標(biāo)不高吧，用STM32可以方便地實現(xiàn)，等有了一定經(jīng)驗之后慢慢再用FPGA和高速ADC搞個100Msps采樣的示波器！

?

　　1、 ADC轉(zhuǎn)換：STM32增強型芯片內(nèi)置的2個獨立ADC，可以有16個通道，并且2個通道可以并行的同步采樣，觸發(fā)方式很靈活，可以通過TIMER以及外部電平等方式觸發(fā)，并行方式下ADC2自動同步于ADC1；ADC在最高速采樣的時候需要1.5+12.5個ADC周期，在14M的ADC時鐘下達(dá)到 1Msps的速度，因為我主頻是72M所以4分頻后稍微高了點，18MHZ的ADC時鐘，采樣速度應(yīng)該高于1M了。ADC 采樣2路同時采樣方式，用TIM2 CC2來生成時鐘信號觸發(fā)ADC來實現(xiàn)指定頻率的采樣。ADC1/ADC2采樣的結(jié)果是一個word

　　2、采樣頻率控制：由于STM32內(nèi)部的4個TIMER非常強大，每個TIMER又有4個通道，再加上獨立的預(yù)分配器，實際上可以實現(xiàn)任意分頻，因此用TIM2 CC2來產(chǎn)生指定頻率的時鐘，用來觸發(fā)ADC1連續(xù)采樣。

　　3、采樣數(shù)據(jù)傳輸及每次采樣深度控制：ADC產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過高速DMA 通道1來傳輸置指定的內(nèi)部RAM中，并且將DMA通道一設(shè)置成最高優(yōu)先級，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，并且用DMA每次傳輸?shù)膫€數(shù)來控制采樣的深度，例如我要采集 100個點那么就設(shè)置DMA傳輸100個次，每次從32位ADC轉(zhuǎn)換寄存器傳輸一個word到RAM中，等完成了100次傳輸后，DMA通道自動停止（實際上ADC是一直按照要求的采樣頻率連續(xù)在后臺采樣，只是我去取數(shù)據(jù)而已），下次采集的時候我只要再設(shè)置下采樣的個數(shù)使能DMA CHANNEL1就行了。

　　4、與上位機通訊：通訊也是個難題，要達(dá)到快速地將大量數(shù)據(jù)發(fā)給上位機的目的，傳輸?shù)乃俾士隙ǖ筒涣?，開始我想先用串口，不過很快就放棄了，一則即使我用外部USB轉(zhuǎn)串口的芯片最高也只能達(dá)到1M的速度，并且數(shù)據(jù)會丟失；后來還是采用了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞剑肧PI 接口的ENC28J60芯片，這個芯片我在MEGA32和AT91SAM7S64上都用過，接口簡單挺方便的，速度還可以，在SAM7S64上DMA凡是用UDP協(xié)議單向發(fā)送的速度可以達(dá)到400KB/S以上，這次用了STM32發(fā)現(xiàn)速度大增，經(jīng)過我用STM32的DMA傳輸后，同樣UDP協(xié)議單向發(fā)速度竟然達(dá)到了500KB/S以上，甚至最高可以達(dá)到600KB/S，這個真是意外的收獲。

　　5、上位機程序：還是用VS2005，我還是喜歡用C#，主要是微軟的C#做得是在太舒服了，編輯器智能化程度真高，我只要剛剛輸個開頭的字母，馬上就感知出來一堆讓你選擇，連挨個敲字符的功夫都省了，還不用擔(dān)心拼寫出錯到時候找原因的麻煩，呵呵，缺點就是程序執(zhí)行時候CPU利用率要高點，什么時候它的C++ 編輯器也到這個程度我就換回C++，哈哈。波形顯示還是用NI的measurementStudio8來實現(xiàn)，一個是漂亮方便，另外最要緊的就是 MeasurementStudio8里面有一大堆數(shù)據(jù)處理的庫，從簡單的波形有效值計算，頻率計算，到各種各樣的函數(shù)濾波器功能，還有FFT頻域分析，時域分析等等，但凡要用到的儀器相關(guān)處理里面都有，另外本來我打算要在模擬前端里面加一個相位鎖定的電路，以固定顯示的波形起點，后來發(fā)現(xiàn) MeasurementStudio8里面有個PeakDetector的類，用這個來實現(xiàn)波形的鎖定連這個電路都可以省了。用 MeasurementStudio8來實現(xiàn)實在是非常方便，并且準(zhǔn)確。只是我沒啥資料，還在探索當(dāng)中

　　顯示的界面及部分照片：

　　數(shù)據(jù)采樣后輸出到PC上顯示的圖形很精確，包括MAX038產(chǎn)生的正弦波上部的小尖峰也很清楚，STM32的ADC精度很穩(wěn)定性相當(dāng)好，對于音頻范圍的低頻信號來說，1Msps的采樣也基本夠用了。只要采集足夠的點送給measurementsudio提供的函數(shù)來分析，可以達(dá)到非常精確的程度，12BIT 的分辨率相當(dāng)于數(shù)字表的3位半的效果，用來測試信號的頻率、真有效值、峰值、峰峰值等等非常方便和精確，和我用硬件實現(xiàn)的頻率計和真有效值的讀數(shù)相同（這也說明了我做的信號發(fā)生器的硬件是準(zhǔn)確的，哈哈，之前跟數(shù)字表總對不上，看來是數(shù)字表準(zhǔn)確度差），實現(xiàn)完全可以當(dāng)作低頻示波器來用，再加上個模擬前端電路，完全可以實用化了

　　正弦波：

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　　上位機的程序：

　　上位機的程序還處在對于measuremenStudio的摸索當(dāng)中，只是初步了解到了幾個函數(shù)，用它來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理實在是方便，look public void DataReceived_Proc（） //UDP數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示函數(shù)

　　{

　　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］;

　　//數(shù)據(jù)處理，將通訊接收區(qū)中的ADC數(shù)據(jù)傳入繪圖用數(shù)組中

　　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（綠色）\r\n”;

　　//測試真有效值

　　Measurements.ACDCEstimator（dADC1_Result， out acEstimate， out dcEstimate）;//交流（AC方式相當(dāng)于信號通過一個電容隔直后進(jìn)行測量）和直流（DC直通方式進(jìn)行測量）真有效值測量

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

　　//測試信號頻率、振幅Vp

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

　　str += “頻率：” + （（int）（acEstimate * 1000）==0 ？ 0int ）mySingleToneInformationADC1.Frequency）.ToString（） + “Hz” + “振幅Vp：” + （（int ）mySingleToneInformationADC1.Amplitude*1000）.ToString（） + “mV\r\n”;

　　str += “\r\n通道B（紅色）\r\n”;

　　//測試真有效值

　　Measurements.ACDCEstimator（dADC2_Result， out acEstimate， out dcEstimate）;//交流（AC方式相當(dāng)于信號通過一個電容隔直后進(jìn)行測量）和直流（DC直通方式進(jìn)行測量）真有效值測量

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

　　//測試信號頻率、振幅Vp

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

　　str += “頻率：” + （（int）（acEstimate * 1000） == 0 ？ 0 ： （int）mySingleToneInformationADC1.Frequency）.ToString（） + “Hz” + “振幅Vp：” + （（int）mySingleToneInformationADC1.Amplitude * 1000）.ToString（） + “mV\r\n”;

　　textBox3.Text = str;

　　//ThresholdPeakDetector.Analyze用來找出從波谷到波峰上升沿頂點的數(shù)組序號

　　//可以用于固定顯示波形從上升沿的某固定點開始，相當(dāng)與硬件的同步觸發(fā)電路功能

　　//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數(shù)據(jù)，允許進(jìn)行再次發(fā)送

　　bIsDataReadyForPlot = true;

　　myGraphPlotProc（）;//繪圖輸出*/

　　//myD1 = new myMethodDelegate（h）;

　　//myD1（1）;

　　}

　　}

　　catch （Exception e1）

　　{

　　timer1.Enabled = false;

　　MessageBox.Show（e1.ToString（））;

　　}

　　finally

　　{

　　timer1.Enabled = false;

　　}

　　}

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

　　* 繪圖輸出過程函數(shù)供，mygGraphPlotThread進(jìn)程調(diào)用

　　* 始終循環(huán)檢測bIsDataReadyForPlot，一旦為真則進(jìn)行繪圖，繪圖完成后置標(biāo)志為false

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

　　public void myGraphPlotProc（）//繪圖輸出函數(shù)

　　{

　　//while （true ）

　　{

　　if（bIsDataReadyForPlot）

　　{

　　waveformPlot1.PlotY（dADC1_Result）;

　　waveformPlot2.PlotY（dADC2_Result）;

　　bIsDataReadyForPlot = false;

　　}

　　}

　　}

　　下位機的程序：

　　下位機的程序，也還在完善，現(xiàn)在只做到了基本的功能，還不穩(wěn)定，主要問題還是在傳輸上的，這次為了一次傳輸比較多的數(shù)據(jù)，要將UDP數(shù)據(jù)包分解，分成多個小于1518字節(jié)的幀發(fā)送，因此發(fā)現(xiàn)當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送快的時候很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)停止發(fā)送，以前用MEGA32和SAM7的時候沒注意過，當(dāng)時的處理速度也慢，沒暴露出來，想來想去可能是由于連續(xù)發(fā)送的時候速度太快導(dǎo)致的沖突，ENC28J60出錯掛起了，還是ENC28J60沒有吃透，對于里面的流控、以太網(wǎng)沖突檢測這些還需要進(jìn)一步研究。

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

　　*STM32F10*** 雙通道ADC數(shù)據(jù)采集并通過ENC28J60實現(xiàn)UDP通訊傳輸

　　*作者：alien2006

　　*環(huán)境：keil for arm mdk 3.15b

　　*版本：V0.2

　　*時間：20071202

　　*說明：V0.2

　　*一、網(wǎng)絡(luò)通訊部分

　　*1、先采用STM32 SPI輪詢方式進(jìn)行傳輸試驗，ping 192.168.1.100 -l 1400 -n 10

　　*在輪詢方式下未改進(jìn)SPI1_SendByte（）函數(shù)（內(nèi)部直接用ST提供的函數(shù)語句）需 avg=9ms時間

　　*輪詢方式下將SPI1_SendByte（）函數(shù)中的4條語句修改為直接寄存器存取后avg提高到7ms

　　*輪詢方式下取消SPI1_SendByte（）直接代之以函數(shù)中四語句avg提高到6ms

　　*經(jīng)過上述的逐步修改，傳輸UDP1400個字符時雙向傳輸（接收1400個字節(jié)再發(fā)送這1400個字節(jié)）間隔4MS可達(dá)210KB/S

　　*2、enc28j60.c修改增加STM32 SPI傳輸DMA和非DMA編譯選項，DMA方式下網(wǎng)絡(luò)最大傳輸速度測試達(dá)到350KB/S

　　*3、改進(jìn)了ZYP_UDP.C實現(xiàn)了當(dāng)要發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)長度超過單幀所能容納時，將UDP數(shù)據(jù)

　　*自動進(jìn)行分組，并可在編譯時自定義每個分組長度;

　　*改進(jìn)了ENC28J60.C加入了ENC28J60DMA空閑和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送完畢的判斷，解決了當(dāng)發(fā)送速度過快時導(dǎo)

　　*致傳輸出錯問題。測試單向發(fā)送速度超過500KB/S;

　　*二、STM32數(shù)據(jù)采集部分

　　*1、ADC1/ADC2實現(xiàn)并行同時數(shù)據(jù)采集，12BIT最高可達(dá)1MSPS采樣速度并通過STM32的DMA傳輸放入內(nèi)存中

　　*2、TIM2 CC2實現(xiàn)對ADC采樣的觸發(fā)，ADC_Sample_Frequency_Set函數(shù)實現(xiàn)自定義TIM2 OC2頻率輸出，

　　*3、采樣的頻率和采樣個數(shù)通過接收到的UDP控制命令來指定

　　*采樣的頻率為20HZ~1MHZ;

　　*采樣深度為1~4000個數(shù)據(jù)（受限于STM32內(nèi)存20KB容量，一個數(shù)據(jù)為2個12bitADC通道讀數(shù)，需一個word）

　　*4、定義了簡單的UDP控制命令結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)與PC通訊和控制采樣頻率和采樣深度

　　*三、其他

　　*1、程序待解決問題：UDP分組發(fā)送出錯問題未完全解決，有待進(jìn)一步解決

　　*2、期待增加模擬前端電路，并實現(xiàn)放大倍數(shù)程控，通過上位機程序可以設(shè)置

　　*

　　* V0.1：最初程序，實現(xiàn)簡單固定頻率和深度的并行ADC采樣和UDP通訊，并編制了簡單的上位機程序，

　　*可以進(jìn)行采樣波形的顯示