電子發燒友App
做一個數字采樣示波器一直是我長久以來的愿望，不過畢竟這個目標難度比較大，涉及的方面實在太多，模擬前端電路、高速ADC、單片機、CPLD/FPGA、通訊、上位機程序、數據處理等等，不是一下子就能成的，慢慢一步步來唄，呵呵，好歹有個目標，一直在學習各方面的知識，也有動力：）由于高速ADC涉及到采樣后的數據存儲問題，大量的數據涌入使得單片機無法承受，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做數據存儲處理等，然后通知單片機將數據發送出去。這部分實在是難度比較大，電路非常復雜，自己是有心無力啊，還得慢慢地技術積累。。。
正好ST新推出市場的以CORTEX-M3為核心的STM32，內部集成了2個1Msps 12bit的獨立ADC，并且內部高達72MHZ的主頻，高達1.25DMIPS/MHZ的處理速度，高速的DMA傳輸功能，靈活強大的4個TIMER等等，這些真是非常有吸引力，何不用它來實現一個低頻的數字示波器功能呢，我的目標是暫時只要定量定性地分析20KHZ以下的低頻信號就行了，目標不高吧，用STM32可以方便地實現，等有了一定經驗之后慢慢再用FPGA和高速ADC搞個100Msps采樣的示波器！
?
1、 ADC轉換：STM32增強型芯片內置的2個獨立ADC，可以有16個通道，并且2個通道可以并行的同步采樣，觸發方式很靈活，可以通過TIMER以及外部電平等方式觸發，并行方式下ADC2自動同步于ADC1；ADC在最高速采樣的時候需要1.5+12.5個ADC周期，在14M的ADC時鐘下達到 1Msps的速度，因為我主頻是72M所以4分頻后稍微高了點，18MHZ的ADC時鐘，采樣速度應該高于1M了。ADC 采樣2路同時采樣方式，用TIM2 CC2來生成時鐘信號觸發ADC來實現指定頻率的采樣。ADC1/ADC2采樣的結果是一個word
2、采樣頻率控制：由于STM32內部的4個TIMER非常強大，每個TIMER又有4個通道，再加上獨立的預分配器，實際上可以實現任意分頻，因此用TIM2 CC2來產生指定頻率的時鐘，用來觸發ADC1連續采樣。
3、采樣數據傳輸及每次采樣深度控制：ADC產生的轉換數據通過高速DMA 通道1來傳輸置指定的內部RAM中，并且將DMA通道一設置成最高優先級，以保證數據準確，并且用DMA每次傳輸的個數來控制采樣的深度，例如我要采集 100個點那么就設置DMA傳輸100個次，每次從32位ADC轉換寄存器傳輸一個word到RAM中，等完成了100次傳輸后，DMA通道自動停止（實際上ADC是一直按照要求的采樣頻率連續在后臺采樣，只是我去取數據而已），下次采集的時候我只要再設置下采樣的個數使能DMA CHANNEL1就行了。
4、與上位機通訊：通訊也是個難題，要達到快速地將大量數據發給上位機的目的，傳輸的速率肯定低不了，開始我想先用串口，不過很快就放棄了，一則即使我用外部USB轉串口的芯片最高也只能達到1M的速度，并且數據會丟失；后來還是采用了網絡傳輸的方式，用SPI 接口的ENC28J60芯片，這個芯片我在MEGA32和AT91SAM7S64上都用過，接口簡單挺方便的，速度還可以，在SAM7S64上DMA凡是用UDP協議單向發送的速度可以達到400KB/S以上，這次用了STM32發現速度大增，經過我用STM32的DMA傳輸后，同樣UDP協議單向發速度竟然達到了500KB/S以上，甚至最高可以達到600KB/S，這個真是意外的收獲。
5、上位機程序：還是用VS2005，我還是喜歡用C#，主要是微軟的C#做得是在太舒服了，編輯器智能化程度真高，我只要剛剛輸個開頭的字母，馬上就感知出來一堆讓你選擇，連挨個敲字符的功夫都省了，還不用擔心拼寫出錯到時候找原因的麻煩，呵呵，缺點就是程序執行時候CPU利用率要高點，什么時候它的C++ 編輯器也到這個程度我就換回C++，哈哈。波形顯示還是用NI的measurementStudio8來實現，一個是漂亮方便，另外最要緊的就是 MeasurementStudio8里面有一大堆數據處理的庫，從簡單的波形有效值計算，頻率計算，到各種各樣的函數濾波器功能，還有FFT頻域分析，時域分析等等，但凡要用到的儀器相關處理里面都有，另外本來我打算要在模擬前端里面加一個相位鎖定的電路，以固定顯示的波形起點，后來發現 MeasurementStudio8里面有個PeakDetector的類，用這個來實現波形的鎖定連這個電路都可以省了。用 MeasurementStudio8來實現實在是非常方便，并且準確。只是我沒啥資料，還在探索當中
顯示的界面及部分照片：
數據采樣后輸出到PC上顯示的圖形很精確，包括MAX038產生的正弦波上部的小尖峰也很清楚，STM32的ADC精度很穩定性相當好，對于音頻范圍的低頻信號來說，1Msps的采樣也基本夠用了。只要采集足夠的點送給measurementsudio提供的函數來分析，可以達到非常精確的程度，12BIT 的分辨率相當于數字表的3位半的效果，用來測試信號的頻率、真有效值、峰值、峰峰值等等非常方便和精確，和我用硬件實現的頻率計和真有效值的讀數相同（這也說明了我做的信號發生器的硬件是準確的，哈哈，之前跟數字表總對不上，看來是數字表準確度差），實現完全可以當作低頻示波器來用，再加上個模擬前端電路，完全可以實用化了
正弦波：
點擊查看圖片
上位機的程序：
上位機的程序還處在對于measuremenStudio的摸索當中，只是初步了解到了幾個函數，用它來實現數據處理實在是方便，look public void DataReceived_Proc（） //UDP數據接收、數據處理、數據顯示函數
{
try
{
while （bStates）
{
myudpcomm.Receive（ref CommReceiveBuffer）;
Received_Command = Bytes2Struct（ref CommReceiveBuffer）;
//textBox3.Text = Received_Command.SampleRate.ToString（） + （acEstimate++）.ToString（）;
dADC1_Result = new double［Received_Command.SampleDepth］;
dADC2_Result = new double［Received_Command.SampleDepth］;
//數據處理，將通訊接收區中的ADC數據傳入繪圖用數組中
for （int i = 0; i 《 （int）（Received_Command.SampleDepth）; i++）
{
dADC1_Result = （BitConverter.ToUInt16（CommReceiveBuffer， 40 + 4 * （i + 0））） * （3.3 / 4096.0）;
dADC2_Result = （BitConverter.ToUInt16（CommReceiveBuffer， 40 + 4 * （i + 0） + 2）） * （3.3 / 4096.0）;
}
str = “通道A（綠色）\r\n”;
//測試真有效值
Measurements.ACDCEstimator（dADC1_Result， out acEstimate， out dcEstimate）;//交流（AC方式相當于信號通過一個電容隔直后進行測量）和直流（DC直通方式進行測量）真有效值測量
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”;
//測試信號頻率、振幅Vp
mySingleToneInformationADC1 = new SingleToneInformation（dADC1_Result， Received_Command.SampleRate）;
str += “頻率：” + （（int）（acEstimate * 1000）==0 ？ 0int ）mySingleToneInformationADC1.Frequency）.ToString（） + “Hz” + “振幅Vp：” + （（int ）mySingleToneInformationADC1.Amplitude*1000）.ToString（） + “mV\r\n”;
str += “\r\n通道B（紅色）\r\n”;
//測試真有效值
Measurements.ACDCEstimator（dADC2_Result， out acEstimate， out dcEstimate）;//交流（AC方式相當于信號通過一個電容隔直后進行測量）和直流（DC直通方式進行測量）真有效值測量
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”;
//測試信號頻率、振幅Vp
mySingleToneInformationADC2 = new SingleToneInformation（dADC2_Result， Received_Command.SampleRate）;
str += “頻率：” + （（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用來找出從波谷到波峰上升沿頂點的數組序號
//可以用于固定顯示波形從上升沿的某固定點開始，相當與硬件的同步觸發電路功能
//b = ThresholdPeakDetector.Analyze（dADC2_Result， 2， 10）;
//foreach （int k in b）
//{
//textBox3.Text += k.ToString（） + “ ”;
//}
//for （int i = 0; i 《 Received_Command.SampleDepth - b［1］; i++）
{
//dADC1_Result = dADC2_Result［i + b［1］］;
}
//textBox3.Text += b［b.Length - 1］.ToString（）;
//bIsUdpDataReceived = true;//表示接收到了UDP數據，允許進行再次發送
bIsDataReadyForPlot = true;
myGraphPlotProc（）;//繪圖輸出*/
//myD1 = new myMethodDelegate（h）;
//myD1（1）;
}
}
catch （Exception e1）
{
timer1.Enabled = false;
MessageBox.Show（e1.ToString（））;
}
finally
{
timer1.Enabled = false;
}
}
/************************************************************************************
* 繪圖輸出過程函數供，mygGraphPlotThread進程調用
* 始終循環檢測bIsDataReadyForPlot，一旦為真則進行繪圖，繪圖完成后置標志為false
* **********************************************************************************/
public void myGraphPlotProc（）//繪圖輸出函數
{
//while （true ）
{
if（bIsDataReadyForPlot）
{
waveformPlot1.PlotY（dADC1_Result）;
waveformPlot2.PlotY（dADC2_Result）;
bIsDataReadyForPlot = false;
}
}
}
下位機的程序：
下位機的程序，也還在完善，現在只做到了基本的功能，還不穩定，主要問題還是在傳輸上的，這次為了一次傳輸比較多的數據，要將UDP數據包分解，分成多個小于1518字節的幀發送，因此發現當數據發送快的時候很容易導致數據停止發送，以前用MEGA32和SAM7的時候沒注意過，當時的處理速度也慢，沒暴露出來，想來想去可能是由于連續發送的時候速度太快導致的沖突，ENC28J60出錯掛起了，還是ENC28J60沒有吃透，對于里面的流控、以太網沖突檢測這些還需要進一步研究。
/******************** （C） COPYRIGHT 2007 STMicroelectronics ********************
*STM32F10*** 雙通道ADC數據采集并通過ENC28J60實現UDP通訊傳輸
*作者：alien2006
*版本：V0.2
*時間：20071202
*說明：V0.2
*一、網絡通訊部分
*1、先采用STM32 SPI輪詢方式進行傳輸試驗，ping 192.168.1.100 -l 1400 -n 10
*在輪詢方式下未改進SPI1_SendByte（）函數（內部直接用ST提供的函數語句）需 avg=9ms時間
*輪詢方式下將SPI1_SendByte（）函數中的4條語句修改為直接寄存器存取后avg提高到7ms
*輪詢方式下取消SPI1_SendByte（）直接代之以函數中四語句avg提高到6ms
*經過上述的逐步修改，傳輸UDP1400個字符時雙向傳輸（接收1400個字節再發送這1400個字節）間隔4MS可達210KB/S
*2、enc28j60.c修改增加STM32 SPI傳輸DMA和非DMA編譯選項，DMA方式下網絡最大傳輸速度測試達到350KB/S
*3、改進了ZYP_UDP.C實現了當要發送的UDP數據長度超過單幀所能容納時，將UDP數據
*自動進行分組，并可在編譯時自定義每個分組長度;
*改進了ENC28J60.C加入了ENC28J60DMA空閑和網絡發送完畢的判斷，解決了當發送速度過快時導
*致傳輸出錯問題。測試單向發送速度超過500KB/S;
*二、STM32數據采集部分
*1、ADC1/ADC2實現并行同時數據采集，12BIT最高可達1MSPS采樣速度并通過STM32的DMA傳輸放入內存中
*2、TIM2 CC2實現對ADC采樣的觸發，ADC_Sample_Frequency_Set函數實現自定義TIM2 OC2頻率輸出，
*3、采樣的頻率和采樣個數通過接收到的UDP控制命令來指定
*采樣的頻率為20HZ~1MHZ;
*采樣深度為1~4000個數據（受限于STM32內存20KB容量，一個數據為2個12bitADC通道讀數，需一個word）
*4、定義了簡單的UDP控制命令結構，用于實現與PC通訊和控制采樣頻率和采樣深度
*三、其他
*1、程序待解決問題：UDP分組發送出錯問題未完全解決，有待進一步解決
*2、期待增加模擬前端電路，并實現放大倍數程控，通過上位機程序可以設置
*
* V0.1：最初程序，實現簡單固定頻率和深度的并行ADC采樣和UDP通訊，并編制了簡單的上位機程序，
*可以進行采樣波形的顯示
工商網監
評論