基于STM32的虛擬示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于STM32的虛擬示波器

示波器是電子測量行業(yè)最 常用 的測量儀器之一， 主要用來測量并顯示被測信號的波形等參數(shù) ，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。虛擬示波器突破了傳統(tǒng)示波器的性能局限，在功能和應(yīng)用性上發(fā)生了根本性變化。虛擬示波器不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器的功能 ，而且利用功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)來完成信號的分析、處理，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出逼真的儀器面板并顯示各種特征圖形。計(jì)算機(jī)功能最大化地服務(wù)于虛擬儀器，使儀器功能得到充分發(fā)展和完善_1］。

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于 CortexM3內(nèi)核的新型 32位微控制器 STM32F103x作為主控芯 片。該芯片 內(nèi)部集成 了全速 USB2．0設(shè)備 接口模塊和 16通道的 12位高精度 A／D轉(zhuǎn)換器，單芯片即可完成設(shè)計(jì)任務(wù) ，避免了復(fù)雜的接 口電路設(shè)計(jì)，有效地降低了系統(tǒng)接口的復(fù)雜度和系統(tǒng)開發(fā)的難度 ，在很大程度上提高了系統(tǒng) 的穩(wěn)定性。同時，結(jié)合基于 v（++開發(fā)平臺對信號進(jìn)行存儲和顯示。該系統(tǒng)體積小巧、簡單易用，能夠?qū)崿F(xiàn) 1MHz的采樣速度，與 PC機(jī)通信的最高速率達(dá)到 1Mbyte／s。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的功能需求 ，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示，主要包括 ：信號輸入接 口模塊 、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集及緩存模塊、USB2．0通信模塊等 ］。工作流程如下 ：系統(tǒng)通過 USB接 口接到主機(jī)上后獲得 5V 電源，微控制器 STM32對硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，并通過內(nèi)部 USB硬件控制器來完成 USB設(shè)備的枚舉工作。A／D轉(zhuǎn)換器是通過定時器來觸發(fā)采樣的，以保證其 以恒定 的時間 間隔對模 擬信號進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換 ，在完成規(guī)定長度的采集工作之后 ，將數(shù)據(jù)存入高速數(shù)據(jù)存儲器中（RAM）。在規(guī)定的觸發(fā)條件滿足時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的控制電路使能 DMA通道 ，將 A／D所 采集 的數(shù)據(jù) 傳輸 至 USB的緩 沖 區(qū) 中，由 USB接 口電路將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

信號輸入及調(diào)理模塊主要完成信號衰減 ，程控放大，疊加直流分量。衰減電路是為了保證在較大的信號輸入時，能夠在 A／D采樣 的范圍之內(nèi)，避免 回顯時造成信號的失真或是損壞元器件。程控放大電路是將待測的小信號進(jìn)行放大，曲模擬開關(guān) CD4051、運(yùn)放 NE5532和可變電阻器構(gòu)成 ，并通過 MCU切換放大倍數(shù)，電路如 圖 2所示 。數(shù) 據(jù)采集 及緩存 模塊 和 USB2．0通信模塊是 由微控制器 STM32F103x獨(dú) 自實(shí)現(xiàn)的。由于 MCU內(nèi)部 自帶的 A／D無法對負(fù)電壓進(jìn)行采集，而待測信號往往又帶有負(fù)壓，這時需要電路將負(fù)壓抬高到 0電平以上，如圖 3所示。