基于STM32的多功能虛擬示波儀的設計

劉素貞， 魏 建， 李 華， 徐桂芝

(河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建實驗室， 天津 300130)

隨著電子技術的快速發展，對于數據的采集和顯示越來越趨于高速化、便捷化和多功能化，示波器在采集和顯示被測信號的波形方面至關重要。但傳統示波器在數據測量、數據存儲、數據處理等方面存在一定的局限性[1-3]。虛擬儀器技術是在計算機基礎上發展起來的，它借助計算機的快速計算、數據處理、超大內存等優勢，并利用軟件對數據進行顯示、存儲和分析，具有模塊化、數字化、方便共享等優點[4]。于是，基于虛擬儀器技術的示波器[5-6]應運而生。

近年來，我國高校開發了多種多樣的虛擬示波器。例如湖南大學開發了一種基于LabVIEW的虛擬示波器，不僅實現了波形檢測、分析、存儲等功能[7]，還實現了頻譜分析、頻率計等功能；杭州電子科技大學開發了一種基于STM32的虛擬示波器，主要完成了外部信號的調理、采集、預處理等功能[8]；北京理工大學開發了一種基于USB2.0的虛擬示波器，主要是利用USB模塊與單片機結合，對信號用快速傅里葉變換進行頻譜分析[9]；中北大學開發了一種基于數據采集卡的虛擬示波器[10]。

本文開發設計的基于STM32的多功能虛擬示波儀實現了硬件和軟件的結合，利用計算機強大的數據處理能力完成數據的分析、處理，編寫了幅頻相頻分析、李薩如圖形、功率譜和窗函數等功能算法代碼對波形進行處理；開發了示波儀的濾波功能，支持IIR型濾波器和FIR型濾波器的設計，使目標波形能準確地顯示出來。

1 系統原理及功能

本設計主要包括硬件系統和軟件系統的設計。硬件設計主要完成信號的采集和預處理，軟件主要負責信號的處理分析以及信號的顯示。硬件和軟件通過USB數據線連接。

1.1 系統原理

虛擬示波儀系統結構如圖1所示。該系統主要包括信號輸入接口模塊、信號調理電路模塊、數據采集處理模塊、USB2.0通信模塊等。系統通過9 V/1 A的電源適配器供電，主控制器STM32對板上硬件設備進行初始化設置，并通過USB硬件控制模塊對USB設備完成枚舉工作。信號輸入及調理電路主要完成信號的衰減和運算放大。衰減電路在保證有足夠的輸入時，避免回顯時產生信號失真或損壞電子器件。數據采集模塊和USB通信模塊由STM32獨立控制。

圖1 虛擬示波儀結構框圖

數據處理主要由上位機軟件完成，流程如圖2所示。上位機處理過程包括插值處理、數據抓幀、波形合成、濾波處理、波形分析和波形繪制。采集到的信號通過USB數據線快速傳遞給上位機。首先啟動插值處理，對數據進行差值計算，使得波形趨于光滑，防止出現斷點；然后輸送給抓幀模塊和波形合成模塊，對輸入的波形信號進行相加或相乘處理，使波形光滑、聚焦；隨后，將波形輸入給濾波處理模塊進行濾波處理，濾除掉由硬件設備產生的噪聲信號。處理后的信號傳遞給波形分析模塊，此模塊對數據的幅頻、相頻以及相關性進行分析處理，得到輸入信號的幅值、頻率等相關信息，最后將信號波形繪圖顯示出來。

圖2 系統數據處理流程

1.2 系統功能

多功能虛擬示波儀不僅能完成傳統示波器的功能，還加入了波形存儲、波形抓幀處理等功能，其主要參數如下:

輸入電壓范圍:-150 V～+150 V

AD采樣位數:8 bit

采樣帶寬:0 ～20 MHz

采樣速率:48 MS/s

軟件觸發方式:上升/下降沿、差分

軟件分析功能:

濾波處理:支持設計IIR和FIR濾波器

波形合成:波形乘法器、相加器

波形分析:李薩如圖形、幅頻、相頻

數據接口:USB2.0

2 系統硬件設計

硬件設計部分采用功能模塊化的設計思路，把一個復雜的系統分為若干個子模塊，最后將各個子模塊進行總體調試。本設計主要包括電源模塊、前級驅動模塊、微處理器模塊和USB接口模塊。

2.1 電源模塊

電源電路由板級芯片供電，使得各個芯片發揮其相應的功能。本系統主要利用9 V/1 A的電源適配器供給PCB板工作。板上工作電壓分別為+5 V、-5 V和+3.3 V直流電壓，分別采用低功耗的7805、輸入紋波噪聲小的IB0505S-2W和低釋放電流的1117-3.3得到。電源模塊提供了穩定的直流電壓，而且電路設計簡捷，避免了耦合路徑造成的電磁干擾(EMI)問題。

2.2 前級驅動模塊

前級驅動模塊主要包括衰減電路、鉗位電路和放大電路，如圖3所示。輸入信號在接入電路后，首先經過衰減電路，采用電阻分壓和旁路電容濾波，保證有較大輸入時能在A/D采樣范圍內，避免波形回顯時產生信號失真。數據的采集和緩存是由處理器完成的，由于處理器自帶的MCU主要工作在±5 V范圍內，所以需要添加鉗位電路，由2個相互串聯的二極管完成。程序控制放大電路要將小信號放大，由集成運放電路TL082和模擬開關CD4051配合完成。模擬開關將8位數字量信號轉換為STM32可識別的3位二進制代碼，以便進行數據處理。

圖3 前級驅動電路原理圖

2.3 微處理器模塊

微處理器是處理數據的主要芯片，STM32主要起著控制系統中其他模塊的作用，在設計電路時需要考慮芯片與其他模塊的接口問題和電磁兼容(EMC)問題。電磁干擾是對處理器最大的挑戰，主要原因是在PCB電路板中存在時變電流，所以在制備PCB板時，STM32的外圍布線需要降低噪聲耦合。此外，STM32還需要添加復位電路和時鐘電路。時鐘電路需要晶振激起，該部分電路需要做好隔離，防止對芯片造成振蕩干擾[11]。

2.4 USB接口模塊

USB接口模塊主要完成下位機上傳數據和上位機控制信號的傳遞，是上位機和下位機信號傳遞的橋梁。USB接口模塊的電路圖如圖4所示。

圖4 USB接口模塊

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括固件驅動的開發和上位機軟件的開發，同時需要編寫USB驅動程序以實現軟硬件之間的互聯。

3.1 固件驅動程序開發

硬件設備主要包括系統時鐘、USB模塊、AD模塊、初始化GPIO引腳等，通過對驅動程序的編寫，完成主控制器對各個器件的控制。本系統采用意法半導體公司的基于ARM32的STM32F103X系列MCU監控芯片。意法半導體公司對各個功能模塊提供了固件庫，直接使用該固件庫可大大縮減開發和調試時間。固件驅動程序需要用Keil軟件編寫，利用TSC-ISP燒寫軟件將固件程序下載到STM32中。

3.2 USB驅動程序開發

根據USB2.0協議[12]，當USB2.0連接到PC端時，計算機會自動為USB分配一個數字來標識這個設備。USB設備驅動向控制器傳遞的每次驅動請求成為一個事務；每個事務都會分為若干個數據包在USB總線上傳輸；每次傳輸都必須經歷USB控制器向USB設備發出讀或寫命令，再由USB設備做出相應的操作。

由DriveStudio生成的USB驅動程序框架主要包括STM Virtual COM PortDrive.cpp和STM Virtual COM PortDevice.cpp兩個源程序。前者用于USB設備初始化，需要編寫入口函數DriveEntry、AddDevice和Unload；后者用于在WDM環境支持即插即用功能，包括設備的插拔、設備讀寫、電源管理等例程。只需在特定的函數中添加代碼即可實現USB設備的各項功能。通過編譯運行后將生成驅動文件——STM Virtual COM Port.sys和STM Virtual COM Port.inf兩個可執行文件。當插上USB數據傳輸線時，進入USB設備驅動向導，進行驅動的安裝。

3.3 上位機軟件的編寫

用戶通過上位機與虛擬示波儀友好交互，可以方便地控制下位機和監測下位機的狀態。上位機程序主要是通過VC++軟件編寫，利用VC++程序中新建MFC工程，采用面向對象的編程方法，可以方便地對上位機添加模塊、按鈕、文字標注等。上位機程序功能如圖5所示。

圖5 上位機程序功能圖

在明確上位機程序功能后，需要進行上位機功能程序的編寫。上位機數據處理流程如圖6所示。當上位機啟動后，首先調用主程序對電路板和軟件進行參數重置，由上位機向下位機發布讀數據指令，進行數據采集，將采集到的數據傳輸至上位機數據處理模塊。處理后的數據輸出顯示，也可將數據存儲于計算機中，以便下次進行數據查看和分析處理。

上位機軟件的編寫主要是對上位機功能的編寫，通過VC++軟件編寫程序算法，一方面豐富傳統示波器功能，另一方面又開發波形處理、濾波器設計等功能。程序的軟件功能如圖7所示。

圖6 上位機數據處理流程圖

圖7 程序軟件功能圖

4 實驗結果及分析

將下位機通電后，由函數發生器Agilent 33220A分別發出頻率1 kHz、幅值2.8 V的矩形波和正弦波。用Tektronix公司示波器測量信號，然后將函數發生器與下位機相連。下位機通過USB數據線與PC相連，利用上位機軟件測量兩種信號。圖8為上位機軟件通過系統分析所繪制的矩形波和正弦波。

通過對數據采集、顯示，得到矩形波和正弦波誤差分析(見表1和表2)。

圖8 虛擬示波儀上位機繪制采集的波形

波形頻率實測值/Hz誤差/%正電壓實測值/Hz誤差/%負電壓實測值/Hz誤差/%標準波10002.800-2.800矩形波9762.42.7730.96-2.7790.75

表2 正弦波誤差分析

設計的虛擬示波儀支持設計IIR型濾波器和FIR型濾波器。為驗證虛擬示波儀的濾波器效果，進行了一組對比實驗。圖9(a)為采集到的原始電磁超聲信號，原始信號中存在大量的噪聲信號。采用虛擬示波儀中截止頻率為2 MHz的10階巴特沃斯低通FIR型濾波器對電磁超聲信號進行濾波，圖9(b)為濾波后的波形。可見噪聲信號被濾除，能夠滿足電磁噪聲背景下對微弱電磁超聲回波信號的檢測，并且數據誤差很小。

圖9 巴特沃斯低通濾波器的濾波器效果

5 結語

設計的虛擬示波儀不僅實現了軟硬件結合采集信號，具有軟件處理和濾波功能，而且體積小、穩定可靠。由于本設計采用STM32芯片，內部集成多功能模塊，進而可豐富本系統的功能，并且此類芯片具有低功耗、外設資源豐富等特點，可滿足外接ADC、IIC、SPI、DMA、USART、USB、SWJ-DP等外設接口，實現本系統的進一步開發，提高系統精度和豐富系統功能。

References)

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