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，模拟前端威廉希尔官方网站 、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，威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，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威廉希尔官方网站 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，再加上个模拟前端威廉希尔官方网站 ，完全可以实用化了

　　正弦波：

　　点击查看图片

　　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）\r\n”;

　　//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（） + “mV\r\n”;

　　//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（） + “mV\r\n”;

　　str += “\r\n通道B（红色）\r\n”;

　　//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（） + “mV\r\n”;

　　//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（） + “mV\r\n”;

　　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威廉希尔官方网站 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、期待增加模拟前端威廉希尔官方网站 ，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