基于STM32内置ADC实现简易示波器的程序设计与实现

2020-01-14来源: elecfans关键字:STM32  内置ADC  简易示波器

  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

[1] [2]
关键字:STM32  内置ADC  简易示波器 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic485668.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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