基于ARM的便攜式數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

郭宏伍　馬東吉　黃金成　劉明雪　肖寒

【摘 要】本文提出了一種基于ARM開發(fā)平臺的便攜式示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)通過DMA與D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一路1KHz方波信號，用于信號校準(zhǔn)；通過一路A/D轉(zhuǎn)換器對待測信號進(jìn)行采集，將采集的信號首先進(jìn)行IIR濾波，濾除干擾信號[1]，然后通過定時器、中斷測得其電壓有效值及其頻率，將數(shù)據(jù)顯示至LCD顯示屏上，同時將當(dāng)前時間及測得數(shù)據(jù)存入至SD卡中，并通過藍(lán)牙無線傳輸至上位機(jī)，對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。該方案解決了傳統(tǒng)示波器笨重、不易攜帶、價(jià)格高昂等弊端的同時，大大提高了在復(fù)雜工作環(huán)境下進(jìn)行信號檢測的效率。

【關(guān)鍵詞】ARM；D/A轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換器；IIR濾波；藍(lán)牙傳輸

中圖分類號： TM935.37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0243-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.114

Design of Portable Digital Oscilloscope Based on ARM

GUO Hong-wu MA Dong-ji HUANG Jin-cheng LIU Ming-xue XIAO Han

（Beihua University College of Electrical and Information Engineering， Jilin 132021， China）

【Abstract】This paper presents a portable oscilloscope system based on ARM development platform， which generates 1KHz square wave signal along the way through DMA and D/A converter for signal calibration； Through the A/D converter along the way to collect the measurement signal， the collected signal is first filtered by IIR to filter out the interference signal， and then the effective voltage value and its frequency are measured by the timer and interrupt， and the data is displayed on the LCD display. At the same time， the current time and measured data are stored in the SD card and transmitted wirelessly to the upper computer via Bluetooth to back up the measured data. The scheme solves the disadvantages of traditional oscilloscopes such as heavy， difficult to carry， and high price， and greatly improves the efficiency of signal detection in complex working environments.

【Key words】ARM； D/A Converter； A/D Converter； IIR filtering； Bluetooth Transmission

0 引言

儀器的飛速發(fā)展在為我們生活提供便利的同時也面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗(yàn)。尤其部分設(shè)備長期工作在惡劣環(huán)境下，為設(shè)備的檢測維修帶來極大困難。該便攜式信號檢測系統(tǒng)正是基于此背景下研發(fā)設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)主控芯片選用ARM公司生產(chǎn)的stm32f103zet6的32位單片機(jī)，與傳統(tǒng)單片機(jī)相比因其具有低功耗、高性價(jià)比等優(yōu)勢，已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主流平臺。對于信號的檢測方面采用單片機(jī)內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，在保證信號檢測的準(zhǔn)確性的同時提高性價(jià)比；對于信號的存儲使用內(nèi)部DMA功能以提高數(shù)據(jù)存儲效率；另一方面，為了去除小信號干擾，本文還設(shè)計(jì)了一套數(shù)字濾波器。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由stm32單片機(jī)、整形電路、顯示、存儲模塊四部分構(gòu)成。首先單片機(jī)通過DMA+D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一路1KHz的校準(zhǔn)信號[2]；待測信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后接入單片機(jī)，將轉(zhuǎn)換過后的數(shù)字量通過IIR數(shù)字濾波器濾除干擾信號，同時測得待測信號的電壓有效值。將濾波后的待測信號通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出，接入外部整形電路，轉(zhuǎn)換為方波信號。將轉(zhuǎn)換后的信號接入單片機(jī)輸入捕獲I/O口，測得信號頻率。將所測得頻率、電壓的有效值顯示至LCD顯示屏上、存儲至SD卡、并通過藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)備份，以完成信號的檢測、存儲功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1，程序流程圖如圖2。

2 工作原理

2.1 校驗(yàn)信號的產(chǎn)生

傳統(tǒng)的信號產(chǎn)生方式大致有以下三種：（1）以運(yùn)算放大器為核心設(shè)計(jì)硬件電路產(chǎn)生信號，（2）用CPU驅(qū)動DDS芯片產(chǎn)生信號，（3）用CPU外掛高速D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生信號。以運(yùn)算放大器為核心設(shè)計(jì)信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號雖然具備頻率及振幅較為穩(wěn)定等優(yōu)勢，但是需要設(shè)計(jì)電路、焊接電路，工作較為復(fù)雜；驅(qū)動DDS信號發(fā)生器、驅(qū)動D/A芯片，雖然產(chǎn)生的信號具備頻率范圍大、高精度、寬頻帶、控制靈活等特點(diǎn)[3]，但由于成本較高、且我們所需要的信號是固定低頻信號，顯然此方案也不是我們的首選。

我們最終選擇的方案是基于高性能單片機(jī)STM32結(jié)合其內(nèi)部12位D/A芯片的方法來實(shí)現(xiàn)信號的產(chǎn)生，通過CPU來控制分頻、波形的選擇、D/A轉(zhuǎn)換及輸出。本方案的優(yōu)點(diǎn)是控制過程方便穩(wěn)定，而且通過DMA加DAC的方式能夠最簡單高效地實(shí)現(xiàn)任務(wù)需求。

2.2 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器有IIR濾波器與FIR濾波器兩種，在對相位要求嚴(yán)格的數(shù)字系統(tǒng)中，應(yīng)該選擇FIR濾波器。IIR濾波器和FIR濾波器相比，IIR濾波器可以用比較低的階數(shù)獲得比較高的選擇性，而且所用的存儲單元也較少[4]。但是它相位的非線性現(xiàn)象比較嚴(yán)重，有時需要添加相位校正網(wǎng)絡(luò)。本文由于CPU的性能問題，我們選擇設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器來實(shí)現(xiàn)濾波功能。

stm32單片機(jī)可以通過調(diào)用dsp庫的方式實(shí)現(xiàn)IIR濾波功能，首先我們應(yīng)該通過Matlab 計(jì)算濾波參數(shù)。打開matlab程序之后，進(jìn)入濾波器設(shè)計(jì)對話框，配置低通濾波器（IIR濾波器、2階、低通、截止頻率1K），如圖3所示。濾波器配置完成之后點(diǎn)擊Analysis Filter Coefficients，即可生成濾波器系數(shù)。

得到濾波系數(shù)后，我們需要編寫C語言用Stm32 實(shí)現(xiàn)濾波功能。首先將iir_stm32.c文件添加到stm32工程中，在iir_stm32.c文件中編寫void iir_biquad_stm32（float *y， float *x， float *IIRCoeff， u16 ny）函數(shù)，其中y參數(shù)表示輸出數(shù)組指針，x參數(shù)表示輸入數(shù)組指針，IIRCoeff表示IIR濾波器系數(shù)數(shù)組指針，iir_biquad_stm32函數(shù)編寫完畢之后，只需將Maltab獲得的參數(shù)配置至函數(shù)float IIRCoeff[5]={}中即可，然后調(diào)用void iir_biquad_stm32函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)濾波功能，y[n]數(shù)組中存放的即是濾波后的離散數(shù)據(jù)，將y[n]數(shù)組中的數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換器輸出，即可得到濾波之后的信號。濾波前波形如圖4所示，濾波后波形如圖5所示。

2.3 整形電路的設(shè)計(jì)

對于信號頻率的測量我們采用的方案是通過單片機(jī)內(nèi)部定時器輸入捕獲功能來實(shí)現(xiàn)的，故需要設(shè)計(jì)整形電路，將濾波后的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號進(jìn)行測量。整形電路所選擇的芯片為LM393AD，該芯片具有低功耗、高性價(jià)比等優(yōu)勢。

2.4 數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)

無線傳輸我們選用的是HC—05無線藍(lán)牙模塊，該模塊具有成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。首先進(jìn)入AT指令集進(jìn)行藍(lán)牙間的數(shù)據(jù)配對，設(shè)置傳輸主從、數(shù)據(jù)傳輸格式等。配對結(jié)束后退出AT指令集，上電后即可自行配對連接，完成單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，以達(dá)到數(shù)據(jù)的傳輸、備份的目的。

3 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了一款便攜式的信號產(chǎn)生、檢測裝置?？僧a(chǎn)生校驗(yàn)信號；可對待測信號進(jìn)行數(shù)字濾波，并對其電壓有效值及其頻率進(jìn)行測量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，對信號的頻率的測量基本準(zhǔn)確，但對待測信號的電壓有效值測量存在細(xì)微誤差，后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)主要原因是stm32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器精度較低，可通過外掛高精度A/D轉(zhuǎn)換器解決此問題[5]。

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[5]王睿，汪雨冰，王德宣.逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理實(shí)驗(yàn)方案研究[J].科教導(dǎo)刊.2015，25：69-70.