基于stm32的示波器.docx
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基于stm32的示波器
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。
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正好ST新推出市场的以CORTEX-M3为核心的STM32，内部集成了2个1Msps12bit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TIM2CC2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TIM2CC2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DMACHANNEL1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，缺点就是程序执行时候CPU利用率要高点，。
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
ENC28J60网络子卡以及自己DIY的信号发生器照片，下面的绿板子是STM32的评估板
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
publicvoidDataReceived_Proc（）//UDP数据接收、数据处理、数据显示函数
{
try
{
while（bStates）
{
myudpcomm.Receive（refCommReceiveBuffer）;
Received_Command=Bytes2Struct（refCommReceiveBuffer）;
//textBox3.Text=Received_Command.SampleRate.ToString（）+（acEstimate++）.ToString（）;
dADC1_Result=newdouble[Received_Command.SampleDepth];
dADC2_Result=newdouble[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（inti=0;i<（int）（Received_Command.SampleDepth）;i++）
{
dADC1_Result[i]=（BitConverter.ToUInt16（CommReceiveBuffer,40+4*（i+0）））*（3.3/4096.0）;
dADC2_Result[i]=（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,outacEstimate,outdcEstimate）;//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=newSingleToneInformation（dADC1_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";
str+="\r\n通道B（红色）\r\n";
//测试真有效值
Measurements.ACDCEstimator（dADC2_Result,outacEstimate,outdcEstimate）;//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=newSingleToneInformation（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电路功能
//b=ThresholdPeakDetector.Analyze（dADC2_Result,2,10）;
//foreach（intkinb）
//{
// textBox3.Text+=k.ToString（）+"";
//}
//for（inti=0;i {
//dADC1_Result[i]=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=newmyMethodDelegate（h）;
//myD1
（1）;
}
}
catch（Exceptione1）
{
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
***********************************************************************************/
publicvoidmyGraphPlotProc（） //绘图输出函数
{
//while（true）
{
if（bIsDataReadyForPlot）
{
waveformPlot1.PlotY（dADC1_Result）;
waveformPlot2.PlotY（dADC2_Result）;
bIsDataReadyForPlot=false;
}
}
}
下面是下位机的程序
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）COPYRIGHT2007STMicroelectronics********************
*STM32F10XXX双通道ADC数据采集并通过ENC28J60实现UDP通讯传输
*作者:
alien2006
*环境:
keilforarmmdk3.15b
*版本:
V0.2
*时间:
20071202
*说明:
V0.2
*一、网络通讯部分
* 1、先采用STM32SPI轮询方式进行传输试验，ping192.168.1.100-l1400-n10
* 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STM32SPI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、TIM2CC2实现对ADC采样的触发，ADC_Sample_Frequency_Set函数实现自定义TIM2OC2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、期待增加模拟前端电路，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
*******************************************************************************/
/*******************************************************************************
*FunctionName :
DMA_ADC_Transfer_Reset
*Description :
ADC1/ADC2DMA传输通道复位，准备下一次DMA传输
*Input :
None
*Output :
None
*Return :
None
*******************************************************************************/
voidDMA_ADC_Transfer_Reset（void）
{
//开始DMA传输
//以下5句是采用函数方式共耗时多达百多个周期
//DMA_Cmd（DMA_Channel1,DISABLE）;//先要禁止DMA_ChannelX,才能修改DMA通道X传输数量寄存器DMA_CNDTRx
//DMA_ClearFlag（DMA_FLAG_GL1|DMA_FLAG_TC1|DMA_FLAG_HT1|DMA_FLAG_TE1）;
//DMA_InitStructure.DMA_BufferSize=Transfer_ReceiveData_Buffer.InWord.SampleDepth;//重新设置要通过DMA传输数据量
//DMA_Init（DMA_Channel1,&DMA_InitStructure）;
//DMA_Cmd（DMA_Channel1,ENABLE）;//EnableDMAchannel1
//以下4句是采用直接写寄存器方式一共耗时24个周期
DMA_Channel1->CCR&=~（1<<0）;//禁用DMA_Channel,EN是CCR1寄存器的0位
DMA->IFCR|=0x0000000F;//清除CHANNEL1的4个标志
DMA_Channel1->CNDTR=（u16）Transfer_ReceiveData_Buffer.InWord.SampleDepth;//重新设置要设置的DMA传输数据量
DMA_Channel1->CCR|=（1<<0）;//重新使能DMA_channel1
while（!
（DMA->ISR&DMA_FLA
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