多功能便攜示波器的研制

王秦君，李永濤，張緒德

（南京郵電大學 理學院，江蘇 南京210046）

1 系統概述

目前市場上的示波器價格普遍較高，同時較為笨重，不便于攜帶.基于低成本、低功耗、便攜的理念，制作了這樣一個系統.系統核心是STM32F407VGT6，該 MCU采用ARM Cortex-M4作為內核，主頻高達168MHZ，具有196kB的RAM，片內有3個12位速度高達2.4MSPS的ADC.這樣可以僅用片內AD來進行采樣［1］，以此可以最大限度的簡化外圍電路，同時降低成本.系統主要包括信號輸入和衰減電路，觸發電路、MCU模塊和液晶模塊.對于輸入模塊，采用電阻和電容分壓的方式對輸入信號進行衰減，然后通過電壓跟隨器和加法器最終輸出0～3V的信號到MCU的AD輸入端，本系統的成品，如圖1所示.

圖1 示波器實物圖

2 系統硬件設計

2.1 信號輸入

2.1.1 信號衰減

衰減部分電路如圖2所示［2］.可以看到，輸入電路把輸入信號電壓幅度降到了原來的1／4，因為MCU的AD輸入電壓范圍是0～3V，所以輸入信號的幅度可以為-6～6V.該電路中的電容是為了滿足對高頻信號良好的分壓性能.

圖2 信號衰減電路

2.1.2 阻抗變換和加法器

圖3是電壓跟隨器，其作用是把衰減之后的信號送入加法器，同時減小其輸出電阻.

圖4所示的是加法器，將信號加上1.5V，使-1.5～1.5V 的信號源范圍轉換到0～3V，供MCU進行采樣.

圖3 電壓跟隨器

圖4 加法器

2.2 觸發電路

觸發電路（圖5）的作用為了給MCU觸發脈沖以此來穩定波形的顯示.

利用LM339作為電壓比較器，將輸入信號轉化為周期性的方波，用戶可以選擇采用關閉觸發、上升沿觸發和下降沿觸發3種觸發方式.程序會依據用戶的選擇，在觸發信號到來時，進行相應地操作.

圖5 電壓比較器（用于產生觸發脈沖）

2.3 信號采集和處理

該系統通過MCU的ADC1和ADC2兩個通道進行采樣.為了達到最大的響應速度，信號采集時采用了DMA傳輸的方式［4］.直接存儲器存取（DMA）用來提供在外設和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數據傳輸.無須CPU干預，數據可以通過DMA快速地移動，這節省了CPU的資源來做其他操作.

表1是STM32F4數據手冊中的DMA2每通道對應的外設，可以看到，ADC1對應了Stream0的Channel0和Stream4的Channel0，ADC2對應了Stream2的Channel1和Stream3的Channel1.在本系統中，ADC1采用了DMA2的Stream0的Channel0，ADC2采用了DMA2的Stream2的Channel1.

表1 STM32F4的DMA2中各通道的請求

內存中有3個1 024×2byte的buffer，其中2個用來存儲ADC1和ADC2采樣值，另外一個用來存儲采樣完成后對波形進行數學運算的虛擬波形的AD值.當用戶選擇的時間步進小于20μs時，DMA會把采集到的數據放入buffer.大于或等于50μs時，MCU通過時間步進計算延時時間，每隔1個延時采1次數據，以此來實現時間擋位可調節的功能［5］.

數據采集完成后，通過用戶選擇，還會對波形進行相應處理，比如繪制李薩如圖形或者進行快速傅里葉變換（FFT）.其中FFT采用了ST官方提供的DSP庫來實現，1 024點FFT只需要幾ms，轉換速度非常快.

2.4 液晶顯示

顯示部分采用了400×240分辨率的TFT屏.STM32則用FSMC驅動液晶.靈活的靜態存儲器控制器（FSMC）能夠與同步或異步存儲器和16位PC存儲器卡接口.只要進行適當的配置，也能實現液晶的8086時序.使用FSMC后，對液晶寫數據就像寫內存一樣方便且快速，刷新1次屏幕小于5ms，可以輕松地顯示波形.

3 系統軟件設計

軟件通過圖形用戶界面（GUI）實現人機交互，GUI控制按鈕和菜單的顯示，AD每轉換1次后會檢測觸摸屏是否被按下，如果被按下會執行相應的操作，其流程如圖6所示.

圖6 流程圖

程序中最主要的全局變量：State，這是結構體變量，結構體如下：

因為buffer能存儲1 024個AD值，但是屏幕水平分辯率只有400，所以設置了 H＿OffsetCHx和V＿OffsetCHx這樣的變量，其作用是在采樣完成以后，在屏幕上繪制的波形的起始數據地址是buffer的基地址加上H＿OffsetCHx之后的地址，這樣可以通過修改OffsetCHx和V＿OffsetCHx的值，顯示波形全部1 024個點，反應到TFT上的現象為：當ControlCH的值為對應的通道時，只要手指在觸摸屏上滑動，就能任意拖動波形，使操作更加形象，觀察起來也更加方便.

4 結束語

多功能便攜示波器系統省去了FPGA和片外AD，僅僅1塊MCU就完成了主要任務，使得設計成本大大降低，同時外圍元件的用量也大大減少，體積縮小到手機般大小.FFT也充分運用了STM32F4內FPU的性能，加上采樣時間也能以30fps以上的速率顯示頻譜.

［1］Phil Stearns.采樣率對示波器帶寬的影響 ［J］.今日電子，2007（8）：41-42.

［2］李揚，鄭瑩娜，朱錚濤，等.高性能虛擬示波器的研究 ［J］.工業儀表與自動化裝置，1999（2）：3-6.

［3］劉軍.例說STM32［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011：207-215.

［4］張滔.基于STM32單片機DMA機制的多通道數據采集［J］.黑龍江科技信息，2013（30）：27.

［5］胡斌強，蘇紹璟，王躍科.手持寬帶數字存儲示波器的設計與實現 ［J］.計算機測量與控制，2006，14（10）：1423-1425.