宿州学院 安徽省宿州市 234000
摘要
本设计是基于STM32F103系列MCU的便携数字示波器，其主控芯片为STM32F103RCT6，使用由主控芯片的片上ADC外设将模拟量转换为数字量，通过DMA进行数据传输，由锂电池进行供电，1.8寸TFT屏将波形显示给使用者，并使用按键及旋钮进行波形切换显示。本设计具有方便携带和成本低的特点，具有实际使用价值。
关键词:STM32F103；便携示波器；TFT屏；
1.1设计背景、研究目的和意义
设计背景
数字示波器是设计、制造和维修电子设备不可或缺的工具。随着科技及市场需求的快速发展，工程师们需要的工具，迅速准确地解决面临的测量挑战。作为工程师的眼睛，数字示波器在迎接当前棘手的测量挑战中至关重要。
随着电子工业的持续高速发展，信息技术产品的智能化、网络化以及集成化程度逐步提高以及半导体、5G、人工智能、新能源、航天航空及国防等行业驱动，数字示波器具有良好的发展前景。根据《2022-2027年中国示波器行业市场发展现状及投资前景展望报告》的数据显示，数字示波器在2020的市场规模达到18.02亿美元，在2024年将达到21.67亿美元，2019年至2024的市场需求将按照4.56%的年均复合增长率增长。而目前示波器的主要供应国和地区有美国、日本、荷兰、韩国、中国等。从全球市场销量来看，三大厂商泰克、安捷伦和力科垄断了大部分市场份额。
面对如此庞大的市场，世界以及中国本土示波器制造商一方面增强中国市场的进军力度，另一方面也紧贴市场的需求，最大程度的满足用户的实际使用需求。目前新的技术应用越来越多，测试要求也越来越高，谁能不断满足用户不断变化的测试需求，谁就能赢得市场。
研究目的
在很多生产领域，数字产品离不开模拟产品的配合，各种新型应用对模拟产品提出了新要求，同时也影响着模拟产品的发展方向。以目前市场热点5G手机为例，实数字算法问题早已解决,电源待机时间、声音效果、背光等还不能满足用户的需求，而这些都属于模拟技术的范畴。此外,信号传输在现代工程中是很重要的一个技术环节，通常使用 多芯电缆将模拟信号和数字信号独立多线传输。但在信号传输中，数字信号将对模拟信号产生干扰，目前采用的解决方法是可以设计这样一个系统：利用单片机来实现模拟信号和数字信号在单线中的混合传输。而这其中的测试和调试就要求示波器必须能够对数字信号和模拟信号同时进行分析和显示
研究意义
有关专家指出，在今后几年中,高速数据系统的设计和开发还将面临着一个非常重要的发展趋势，这就是不论是开发未来的手机、计算机系统还是高速通信系统，用户会更加倾向于同时使用一台示波器和一台频谱分析仪，来同时从不同的角度全方位地捕获和分析 系统中的信号，从而解决来源于不同角度的问题。今后市场的发展让示波器需要面对更多的应用，因此示波器的多功能集成对于测试供应商来说更为重要。
2.1研究内容 示波器采用的芯片为型号STM32F103RCT6，可以同时读取两个通道信号的频率和幅值，采用1.8英寸的TFT屏将两个通道的电压波形分别显示在TFT屏上，并且可以通过按键选择采样频率、控制屏幕的暂停、截取屏幕内容，使用旋转编码器旋钮控制波形的宽度和高度。还具有将波形信息保存在外置SD卡的功能。此外示波器还具有简易的单通道信号发生器功能，能够发生基本的方波，正弦波，和三角波，并且可由用户进行频率和幅值的调整。 2.2项目特色及创新点 1、以STM32F103RCT6为示波器核心，此芯片自带3个12位ADC通道，2个基本定时器，4个通用定时器，2个高级定时器和众多丰富接口，一颗芯片即可满足示波器的基本功能。 2、采用1.8英寸的RGB全彩TFT屏作为波形数据显示界面，由于TFT液晶显示屏每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，TFT液晶屏画质高而且不会闪烁，把眼睛疲劳降到很低。 3、采用按键和编码器旋钮作为人机交互通道，直观，方便，易于使用。 4、采用18650锂电池作为示波器供电，提高实现示波器的便携性，同时将示波器体积进一步压缩，做到可以将示波器装进口袋，随时随地观看信号波形。 5、具有屏幕截图功能，一键保存屏幕上的信号波形到SD卡中，可以通过交互菜单，选择需要回放、删除的波形。亦可将SD卡插到电脑上，通过电脑观察保存的信号波形。 6、内置数学运算功能，可对波形进行基本的加、减、乘、除数学运算，还可以对波形进行FFT变换，方便用户使用。 |
3.2技术路线 硬件系统设计 本系统设计以STM32F103RCT6为核心。此核心自带三路12位独立模数转换器，还带有Cortex-M3处理器内核。模数转换器是数据采集系统的核心关键部件之一，它是数据处理的第一步，它将模拟信号进行数字化，决定了系统的采样率、带宽等重要指标。Cortex-M3 内核和DSP 库的强大数据处理能力对系统进行控制，完成数据的采集、控制、缓存、处理、显示等功能。 两路信号通过信号调理通路，分别进入两个 AD 模数转换器接口。经过数字化的信号送入 FPGA 的 FIFO 中进行缓存，经过 DSP 和 FPGA 进行处理后存入 SDRAM 中，需要显示的信号通过软件驱动接口送到 TFT显示。 软件系统设计 程序在启动后需要进行一系列的初始化。比如初始化 SDRAM，初始化 DSP的各个寄存器，初始化示波器设置，从 FLASH 芯片里面读出字库，字符索引表等等，之后显示开机画面，具体初始化的步骤如图2所示：
图2 程序启动初始化流程 系统的软件设计必须考虑到系统的整体性能，系统整体被划分为许多模块：垂直模块、水平模块、采集模块、触发模块、光标模块、参数测量和系统功能模块等等，所以必须先设计出一个嵌入式的框架，这个框架能够及时对外界的信息做出反应，能够充分将硬件系统的效能发挥出来，保持整个系统高效运转。系统软件的流程如图3所示：
图3 系统流程图 实现设计中使用语言是 C 语言，仪器总体软件架构上必须实现良好的流程，以确保以后增加或删减模块功能时对 Cortex-M3主控制器的程序改动降为最小，且模块控制程序之间保证应相当的独立性。 |
参考文献:
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[2]李维森.当代数字示波器的发展应用[j].中国电子商情(基础电子)，2007，（Z1）：68-69
[3]李宛州，沈义民.数字示波器发展动态[j].信号处理，1996，（04）：378-383
[4]甘路.数字示波器软件模块设计[D].电子科技大学，2009.
[5]狄飞.基于FPGA与STM32的手持式数字示波器设计[D].西南科技大学，2018
项目名称：宿州学院第十七届大学生科研项目 项目编号：ZCXM22-274
“宿州学院大学生创新创业计划”
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