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    (更新)基于STM32的數字示波器設計(完整的設計資料)

    2021/03/25
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    前言:

    是德科技(NYSE:KEYS)-原安捷倫電子測量事業部,是全球電子測量技術和市場的領導者,致力于推動無線通信、模塊化和軟件解決方案的持續創新,專注于為客戶提供卓越的測量體驗。是德科技提供的電子測量儀器、系統、軟件及服務廣泛應用于電子設備的設計、研發、制造、安裝、部署和運營。

    此次,是德科技為工程師分享了包括示波器、物聯網、5G通信、汽車電子等熱門領域的技術知識,手把手教會工程師如何通過示波器行之有效的實現相關領域的專業測試測量。


    從朋友得知ST公司在搞活動,可以申請STM32F429的探索套件,作為窮學生一枚的我不免動了心。大二上學期參加完全國大學生電子設計競賽之后閑來無事,就自己做了一個數字示波器來作為學習STM32的實戰檢驗,前后花費了大概1個月的時間完成了初稿,之后又斷斷續續的完善我的示波器,并且為它編寫了上位機程序和制定了通信協議。使用了前端程控模擬電路和上層電路板,uCOS-II,uCGUI,FFT,SD,上位機等等,現在因為參加老師的項目研發也就暫時閑置了下來,之前就打算在各大論壇開源,但是一直沒有時間整理設計文檔,恰巧現在ST公司這個活動,所以就全部開源分享給大家吧,一起學習。下一步計劃重新設計模擬電路部分使用CPLD和高速AD實現更高的采樣率。

    硬件平臺:

    1. 主控器:STM32F103ZET6 64K RAM 512K ROM
    2. 屏幕器:SSD1963
    3. 分辨率:480*272 16位色
    4. 觸摸屏TSC2046
    5. 模擬電路:?OP-TL084

    OP-U741

    SW-CD4051

    CMP-LM311

    PWR-LM7805

    -LM7905

    -MC34063

    -AMS1117-3.3

    DRT-ULN2003

    6.繼電器信號繼電器

    7.電源:DC +12V

     

    注:芯片的數據手冊等信息可以在集成電路查詢網站搜索 https://www.datasheet5.com/

    芯片詢價和在線購買鏈接?https://www.bom2buy.com/

     

    軟件平臺:

    • 開發環境:RealView MDK-ARM uVision4.10
    • C編譯器:ARMCC
    • ASM編譯器:ARMASM
    • 連機器:ARMLINK
    • 實時內核:UC/OS-II 2.9實時操作系統
    • GUI內核:uC/GUI 3.9圖形用戶接口
    • 底層驅動:各個外設驅動程序

     

    數字示波器功能:

    1. 波形發生器:使用STM32一路DA實現正弦,三角波,方波,白噪聲輸出。 任意一種波形幅值在0-3.3V任意可調、頻率在一定范圍任意可調、方波占空比可調。調節選項可以通過觸摸屏完成設置。
    2. SD卡存儲: SD卡波形存儲輸出,能夠對當前屏幕截屏,以JPG格式存儲在SD卡上。能夠存儲1S內的波形數據,可以隨時調用查看。
    3. 數據傳輸:用C#編寫上位機,通過串口完成對下位機的控制。(1)實現STOP/RUN功能(2)輸出波形電壓、時間參數(3)控制截屏(4)控制波形發生器(5)控制完成FFT(6)波形的存儲和顯示
    4. 圖形接口: UCGUI
    5. 水平掃速: 250 ns*、500ns、1μs、5 μs、10μs、50μs、500 μs、5ms 、50ms
    6. 垂直電壓靈敏度:10mV/div, 20mV/div, 50mV/div, 0.1V/div, 0,2V/div, 0.5V/div, 1V/div,2V/div, 5V/div
    7. 被測信號的各種參數屏幕顯示,包括頻率、電壓峰峰值等。

     

    數字示波器性能參數:

    • 主控: STM32F103ZET6
    • 液晶屏: 4.3寸TFT480×272 65K彩色LCD顯示屏 FSMC
    • AD: 12位1MHz采樣率
    • 最高實時取樣率: 1MSa/s 12Bits
    • 取樣緩沖器深度: 5K
    • 垂直靈敏度: 5V,1V,500mV,200mV,100mV,50mV,20mV,10mV;
    • 水平時基范圍:2S,1S,500mS,200mS,100mS,50mS,20mS,10mS,5mS,2mS,1mS,500uS,200uS,100uS,50uS,20uS,10uS,5uS,2uS,1uS
    • 輸入阻抗: ≥1MΩ
    • 最高輸入電壓: 30Vpp
    • 耦合方式: AC/DC
    • 觸發功能: 實現自動、常規、單次觸發方式 ,上升或下降邊沿觸發
    • 參數計算: 頻率、周期、占空比、交流峰-峰值、平均值、光標追蹤顯示
    • RUN/STOP

     

    數字示波器實物視頻演示:

    實物展示:

     

    上位機截圖:

     

    設計心得分享:

    由于程序量比較大,所以在程序中我完成了大量的注釋,詳細的說明了具體的實現方法,其中的示波器原理和FFT原理請自己查閱相關教材。我個人認為最值得參考的就是如何制定一個效率較高的通信協議。我查閱了很多資料最后結合實際設計了一套通信協議,這套通信協議效傳輸速率理論最大可達16000bps,實際采用10666bps速率傳輸。協議的編碼、解碼算法的詳細說明附在附件中。隨著程序量的增加,F103也漸漸感到比較吃力了,其中FFT的運算就是典型代表,也希望借此機會申請到F429帶DSP指令的MCU來進一步提高示波器的性能。

    限于目前的知識水平,這套示波器是實踐大于理論的產物,其中很多設計存在先天的不足,以后會繼續改進,向更高性能邁進。

     

    附件內容包括:

    • 整個電路設計源代碼;
    • 示波器上層板、AD板原理圖PCB源文件以及NI仿真電路;
    • 基于STM32示波器上位機EXE文件以及上位機源碼;
    • 示波器設計相關文檔(通信協議、增益計算表等);
    • 硬件設計.zip
      描述:示波器AD板和上層板原理圖和PCB源文件以及NI仿真電路
    • 源代碼.zip
      描述:基于STM32的數字示波器所有源代碼
    • Free Documents.xls
    • 資料.rar

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