做一個數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲問題，大量的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲處理等，然后通知單片機將數(shù)據(jù)發(fā)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(xiàn)一個低頻的數(shù)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(xiàn)，等有了一定經(jīng)驗之后慢慢再用FPGA和高速ADC搞個100Msps采樣的示波器！
說來也真是幸運，得到了GRANT兄相贈的STM32F103VB以及評估版的電路板，這些日子一直在學習STM32，不斷地做實驗，也算是稍微有點入門了，真是了解越多越喜歡這個芯片，呵呵。
想來這個論壇上對數(shù)據(jù)采樣以及數(shù)字示波器感興趣的朋友很多，下面我簡單描述下實現(xiàn)方式，發(fā)帖也跟大家分享下我的喜悅：）
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(fā)方式很靈活，可以通過TIMER以及外部電平等方式觸發(fā)，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(fā)ADC來實現(xiàn)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(xiàn)任意分頻，因此用TIM2 CC2來產生指定頻率的時鐘，用來觸發(fā)ADC1連續(xù)采樣。
3、采樣數(shù)據(jù)傳輸及每次采樣深度控制：ADC產生的轉換數(shù)據(jù)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(yōu)先級，以保證數(shù)據(jù)準確，并且用DMA每次傳輸?shù)膫€數(shù)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(xù)在后臺采樣，只是我去取數(shù)據(jù)而已），下次采集的時候我只要再設置下采樣的個數(shù)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(shù)據(jù)發(fā)給上位機的目的，傳輸?shù)乃俾士隙ǖ筒涣?，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(shù)據(jù)會丟失；后來還是采用了網(wǎng)絡傳輸?shù)姆绞?，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(xié)議單向發(fā)送的速度可以達到400KB/S以上，這次用了STM32發(fā)現(xiàn)速度大增，經(jīng)過我用STM32的DMA傳輸后，同樣UDP協(xié)議單向發(fā)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(zhí)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(xiàn)，一個是漂亮方便，另外最要緊的就是 MeasurementStudio8里面有一大堆數(shù)據(jù)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(shù)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(fā)現(xiàn) MeasurementStudio8里面有個PeakDetector的類，用這個來實現(xiàn)波形的鎖定連這個電路都可以省了。用 MeasurementStudio8來實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(wěn)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(shù)來分析，可以達到非常精確的程度，12BIT 的分辨率相當于數(shù)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(xiàn)的頻率計和真有效值的讀數(shù)相同（這也說明了我做的信號發(fā)生器的硬件是準確的，哈哈，之前跟數(shù)字表總對不上，看來是數(shù)字表準確度差），實現(xiàn)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：
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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(shù)，用它來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理實在是方便，look public void DataReceived_Proc() //UDP數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示函數(shù)
{
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(shù)據(jù)處理，將通訊接收區(qū)中的ADC數(shù)據(jù)傳入繪圖用數(shù)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(shù)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(fā)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(shù)據(jù)，允許進行再次發(fā)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(shù)供，mygGraphPlotThread進程調用
* 始終循環(huán)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(shù)
{
//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(xiàn)在只做到了基本的功能，還不穩(wěn)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(shù)據(jù)，要將UDP數(shù)據(jù)包分解，分成多個小于1518字節(jié)的幀發(fā)送，因此發(fā)現(xiàn)當數(shù)據(jù)發(fā)送快的時候很容易導致數(shù)據(jù)停止發(fā)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(xù)發(fā)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(wǎng)沖突檢測這些還需要進一步研究。
/******************** (C) COPYRIGHT 2007 STMicroelectronics ********************
*STM32F10*** 雙通道ADC數(shù)據(jù)采集并通過ENC28J60實現(xiàn)UDP通訊傳輸
*作者:alien2006
*環(huán)境:keil for arm mdk 3.15b
*版本:V0.2
*時間:20071202
*說明:V0.2
*一、網(wǎng)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(shù)(內部直接用ST提供的函數(shù)語句)需 avg=9ms時間
*輪詢方式下將SPI1_SendByte()函數(shù)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(shù)中四語句avg提高到6ms
*經(jīng)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(jié)再發(fā)送這1400個字節(jié))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(wǎng)絡最大傳輸速度測試達到350KB/S
*3、改進了ZYP_UDP.C實現(xiàn)了當要發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)長度超過單幀所能容納時，將UDP數(shù)據(jù)
*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(wǎng)絡發(fā)送完畢的判斷，解決了當發(fā)送速度過快時導
*致傳輸出錯問題。測試單向發(fā)送速度超過500KB/S;
*二、STM32數(shù)據(jù)采集部分
*1、ADC1/ADC2實現(xiàn)并行同時數(shù)據(jù)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(xiàn)對ADC采樣的觸發(fā)，ADC_Sample_Frequency_Set函數(shù)實現(xiàn)自定義TIM2 OC2頻率輸出，
*3、采樣的頻率和采樣個數(shù)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(shù)據(jù)(受限于STM32內存20KB容量,一個數(shù)據(jù)為2個12bitADC通道讀數(shù),需一個word)
*4、定義了簡單的UDP控制命令結構，用于實現(xiàn)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(fā)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(xiàn)放大倍數(shù)程控，通過上位機程序可以設置
*
* V0.1：最初程序，實現(xiàn)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
*******************************************************************************/
下載文檔
