基于STM32的便携式示波器及设计研究

基于 STM32的便携式示波器及设计研究

江飞达、刘文昊

广东电网有限责任公司惠州供电局 516001

摘要：基于STM32的便携式示波器能在优化系统操控效果的同时，降低项目成本，具有重要的研究和推广价值。本文分析了设备组成，并从硬件设计、软件设计两个方面对具体设计方案展开讨论。

关键词：STM32；便携式示波器；组成；设计方案

伴随着嵌入式数字示波器的全面发展，基于示波器完成测量运算和分析工作的效率也在提升，对STM32为控制核心的便携式示波器予以研究，无论是应用性能还是数据处理能力都更具优势。

一、基于STM32的便携式示波器组成

基于STM32内部定时器资源作为整个示波器A/D采样触发器，能减少系统复杂度的基础上提升数据收集和处理的灵活度。主要组成结构如下：

1）显示模块，3.2寸TFT液晶。

2）信号处理模块，在信号进入设备后，经过阻容衰减、阻抗变换、电平移位、程控增益、低通滤波等完成信号的处理。

3）电源管理模块。

4）微处理器模块，使用STM32F微处理器，对A/D进行采样频率控制，实现DMA数据输送和波形重建^[1]。

二、基于STM32的便携式示波器设计方案

（一）硬件设计

1.信号调理电路

在整个便携式示波器中，输入信号无法直接完成ADC的采样工作，此时，要利用线性处理的方式对原始信号相位情况和幅度情况予以控制，因此，由阻容衰减电路、阻抗变换电路、电平移位电路、程控增益电路和低通滤波电路组成的前级信号调理电路至关重要。其中，阻容衰减电路，由补偿电容结构和分压电阻网络构成，能结合相应要求补偿信号。而阻抗变换电路，借助对应的元件避免信号在电压作用下出现波形失真等现象，本文选取的是OPA656集成元件。另外，程控增益电路，选取CD4051BC继电器，能有效维持电流控制。

2.触发电路

基于STM32的便携式示波器在触发过程中，定时器触发、外部信号触发以及软件触发是较为常见的方式，其中，定时器触发和软件触发相对应，前者采取的是周期性采样信号、后者采取的是非周期性采样信号，而外部信号触发则应用的是特定的采集信号。本次操作选取的是软件触发，配合使用ADC采样信号以及MCU内设定触发电平，在相关参数一致后就能实现自动触发，能在提升触发灵活性的同时，提升其应用质量，避免硬件触发器造成的干扰。

3.LCD显示电路

作为整个便携式示波器的显示装置，依据实际情况选择的事320*240分辨率的3.2寸TFT显示屏，而STM32的便携式示波器内部自带可变静态存储控制器，就能更好地拓展应用，提高刷屏的实效性。

图1：LCD电路原理示意图

4.安全数码卡电路

主要采取的是半导体材质的记忆设备，外部引脚设定为9个，一般是采取SPI处理或者是SDIO处理模式^[2]。

（二）软件设计

配合便携式示波器应用要求，在软件设计方面要利用固件库板级驱动包BSP实现处理，将其应用在最底层硬件目标板中，就能更好地实现DSP函数库、emWin图形库的综合应用。

示波器应用程序应用API，配合emWin图形库就能有效驱动函数库完成分辨率设计处理。并且，DSP函数库还能实现频谱分析和软件补偿，有效维护系统API数值的规范性。配合STM32便携式示波器外设固件库的串口和SD卡就能建立目标板。

1.垂直灵敏度

在软件设计工作中，正是基于LCD自身的分辨率，在显示区域分辨率选择方面也要配合相关参数，设定为200*250，其他区域则应用字符进行显示处理。因此，垂直方面就设定为10个大格，每格表示的像素是200dot；水平方向也设定10个大格，每格表示的像素是250dot^[3]。具体参数如下：

1）垂直灵敏度为10mv/p，放大倍数为0.0242、量程为80mv；2）垂直灵敏度为20mv/p，放大倍数为0.0485、量程为160mv；3）垂直灵敏度为50mv/p，放大倍数为0.121、量程为400mv；4）垂直灵敏度为100mv/p，放大倍数为0.242、量程为800mv；5）垂直灵敏度为200mv/p，放大倍数为0.485、量程为1600mv；6）垂直灵敏度为500mv/p，放大倍数为1.21、量程为4000mv；7）垂直灵敏度为1000mv/p，放大倍数为2.42、量程为8000mv；8）垂直灵敏度为2000mv/p，放大倍数为4.85、量程为16000mv^[4]。

2.水平扫描速度

在基于STM32便携式示波器软件设计中，水平方向显示的参数为259个点，存储深度相同，若是存储深度不变，则扫描速率和采样率之间呈现出反比例关系，为10*S*f=M，其中，S表示扫描速率、h表示采样率，此时，M=250，得出S*f为25，分为14个基础档位，具体关系如下：

1）扫描速度为8μs/p，采样率为3125kHz；2）扫描速度为10μs/p，采样率为2500kHz；3）扫描速度为20μs/p，采样率为1250kHz；4）扫描速度为50μs/p，采样率为500kHz；5）扫描速度为100μs/p，采样率为250kHz；6）扫描速度为200μs/p，采样率为125kHz；7）扫描速度为500μs/p，采样率为50kHz；8）扫描速度为1ms/p，采样率为25kHz；9）扫描速度为2ms/p，采样率为12kHz；10）扫描速度为5ms/p，采样率为5kHz；11）扫描速度为10ms/p，采样率为2.5kHz；12）扫描速度为20ms/p，采样率为1.25kHz；13）扫描速度为50ms/p，采样率为0.5kHz；14）扫描速度为100ms/p，采样率为250Hz

^[5]。

3.采样频率

在实际设计过程中，为了更好地凸显设计工序的人性化特点，利用采样频率自动定位的方式，在获取差异化采样频率下波形频率特征后，完成阈值设定分析，比较相邻频率阈值参数，完成定位采样处理工序。

4.波形存储

借助SD卡完成存储工作，实现单块数据读写和多块数据读写并行的方式，借助CMD16指令数据块就能实现字节的设置，设定为512字节，有效完成波形存储就能更好地查看和处理^[6]。

在完成设计后，对界面水平和垂直测量值、频率和幅值误差等进行实时性分析，相关指标均达到预期的应用要求。

结束语：

总而言之，基于STM32的便携式示波器设计方案，要充分优选硬件模式和软件结构，保证接口数据、触发方式等相关内容都能贴合实际需求，最大程度上提高应用效率。

资金项目[广东电网公司职工创新项目：031300KK52210159

参考文献：

[1]肖军,涂强,林月桦,等. 基于STM32的便携式混合信号示波器设计[J]. 工业控制计算机,2019,32(7):140-141,144.

[2]丁磊,董标,韩磊,等. 一种基于STM32的太阳能便携式多功能示波器设计[J]. 江苏理工学院学报,2020,26(4):43-52.

[3]王立华,张恒,孙少通,等. 基于STM32F4的便携式示波器数据处理端设计[J]. 仪表技术,2017(12):6-10.

[4]孙东胜,于婉婷,崔渊,等. 一种基于STM32的便携式远程幅频特性测试仪设计[J]. 江苏理工学院学报,2021,27(2):25-33.

[5]刘改琴,胡南. 应用STM32和DDS的便携式简谐振动合成演示信号发生器[J]. 重庆理工大学学报（自然科学版）,2016,29(10):127-131.

[6]陈冬冬. 基于便携式数字存储示波器的设计研究[J]. 数码世界,2016(2):28-28.