学习单片机，通过做简单的小项目，是成长最快的一种方法。今天就给大家分享一个制作简易示波器的小项目，代码开源，希望对初学者有帮助。

一、前言

该项目是基于正点原子精英板制作的一个简易示波器，可以读取信号的频率和幅值，并可以通过按键改变采样频率和控制屏幕的更新暂停。

forum.jpg


二、硬件接线

将PA6与PA4相连，可观察到正弦波。

将PA6与PA5相连，可观察到三角波/噪声(默认三角波)。

KEY_UP控制波形的更新和暂停。

KEY_1降低采样率。

KEY_0提高采样率。

三、信号的采集

信号的采集主要是依靠ADC（通过定时器触发采样，与在定时器中断中开启一次采样的效果类似，以此来控制采样的间隔时间相同），然后通过DMA将所采集的数据从ADC的DR寄存器转移到一个变量中，此时完成一次采样。

由于设定采集一次完整的波形需要1024个点，即需要连续采集1024次才算一次完整的波形采样（需要采集1024个点的原因在后面会提到）。

因此我们还需创建一个数组用于存储这些数据，并在DMA中断中，将成功转移到变量中的数据依次存储进数组（注意此数组中存入的数据是12位的数字量，还未做回归处理），完成1024个数据的采样和储存，用于后续在LCD上进行波形的显示和相关参数的处理。

此案例用到的是ADC1的通道6（即PA6口）进行数据的采样，主要需注意将ADC转换的触发方式改为定时器触发（我用的是定时器2的通道2进行触发，由于STM32手册提示只有在上升沿时可以触发ADC，因此我们需要让定时器2的通道2每隔固定的时间产生一个上升沿）。

将定时器2设置成PWM模式，即可令ADC1在定时器2的通道2每产生一次上升沿时触发采样，后续即可通过改变PWM的频率（即定时器的溢出频率），便可控制采样的频率。

四、代码配置

ADC的配置：

  1. /**********************************************************
  2. 简介：ADC1-CH6初始化函数
  3. ***********************************************************/

  5. voidAdc_Init(void){
  6. ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
  7. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  9. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE );//使能ADC1通道时钟

  11. RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M//PA6 作为模拟通道输入引脚
  12. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
  13. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;//模拟输入GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  14. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  16. ADC_DeInit(ADC1);//复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值

  18. ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//ADC工作模式:ADC1工作在独立模式
  19. ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//模数转换工作在单通道模式
  20. ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//模数转换工作在非连续转换模式
  21. ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2;//转换由定时器2的通道2触发（只有在上升沿时可以触发）ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//ADC数据右对齐
  22. ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel =1;//顺序进行规则转换的ADC通道的数目
  23. ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);//根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器
  24. ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);//使能指定的ADC1
  25. ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);//ADC的DMA功能使能
  26. ADC_ResetCalibration(ADC1);//使能复位校准
  27. ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_6,1, ADC_SampleTime_1Cycles5 );//ADC1通道6,采样时间为239.5周期
  28. ADC_ResetCalibration(ADC1);//复位较准寄存器
  29. while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));//等待复位校准结束
  30. ADC_StartCalibration(ADC1);//开启AD校准
  31. while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//等待校准结束
  32. ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//使能指定的ADC1的软件转换启动功能}

  34. 定时器的配置：

  36. /******************************************************************
  37. 函数名称:TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
  38. 函数功能:定时器3，PWM输出模式初始化函数
  39. 参数说明:arr：重装载值
  40. psc：预分频值
  41. 备 注:通过TIM2-CH2的PWM输出触发ADC采样*******************************************************************/
  42. void TIM2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
  43. {
  44. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  45. TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
  46. TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

  48. RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //使能定时器2时钟
  49. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); //使能GPIO外设和AFIO复用功能模块时钟

  51. //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM2 CH2的PWM脉冲波形 GPIOA.1
  52. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; //TIM_CH2
  53. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
  54. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  55. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO

  57. //初始化TIM3
  58. TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
  59. TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
  60. TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
  61. TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
  62. TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

  64. //初始化TIM2 Channel2 PWM模式
  65. TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
  66. TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
  67. TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //输出极性:TIM输出比较极性高
  68. TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=1000; //发生反转时的计数器数值，用于改变占空比
  69. TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //根据T指定的参数初始化外设TIM2

  71. TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE);//使能PWM输出

  73. TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIM2
  74. }

  76. DMA配置：

  78. /******************************************************************
  79. 函数名称:MYDMA1_Config()
  80. 函数功能:DMA1初始化配置
  81. 参数说明:DMA_CHx：DMA通道选择
  82. cpar：DMA外设ADC基地址
  83. cmar：DMA内存基地址
  84. cndtrDMA通道的DMA缓存的大小
  85. 备 注:*******************************************************************/
  86. void MYDMA1_Config(DMA_Channel_TypeDef* DMA_CHx,u32 cpar,u32 cmar,u16 cndtr)
  87. {
  88. DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
  89. NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

  91. RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); //使能DMA传输DMA_DeInit(DMA_CHx); //将DMA的通道1寄存器重设为缺省值DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = cpar; //DMA外设ADC基地址
  92. DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = cmar; //DMA内存基地址
  93. DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; //数据传输方向，从外设读取发送到内存//
  94. DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = cndtr; //DMA通道的DMA缓存的大小
  95. DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址寄存器不变
  96. DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址寄存器递增
  97. DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //数据宽度为16位
  98. DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //数据宽度为16位
  99. DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //工作在循环模式
  100. DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //DMA通道 x拥有高优先级
  101. DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //DMA通道x没有设置为内存到内存传输
  102. DMA_Init(DMA_CHx, &DMA_InitStructure); //ADC1匹配DMA通道1

  104. DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA1_IT_TC1,ENABLE); //使能DMA传输中断

  106. //配置中断优先级
  107. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;
  108. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0 ;
  109. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
  110. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  111. NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

  113. DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);//使能DMA通道
  114. }

注意：

由于在设置PWM时将TIM_Pulse默认设置为1000，因此在初始化定时器2时，TIM_Period的值不能小于该值，可自行修改。TIM_Pulse的值并不会影响采样频率。

采样频率= 定时器2溢出频率=SYSCLK/预分频值/溢出值因此如果将TIM_Pulse设为1，TIM_Period设为2，TIM_Prescaler设为1，理论上采样频率最高可达36Mhz。

五、数据的处理

数据的处理主要是要求出信号的频率和幅值等相关参数。幅值可以通过找出之前存储1024个点的数组中最大最小值，回归处理过后算出差值。

难点主要在于频率的求取。一个信号中可能包含多种频率成分，而我显示的是幅值最大的频率分量（当然其他频率也可获得）。这里便用到了STM32提供的DSP库中的FFT（快速傅里叶变换），DSP库在最后的源码中有。

需要采样1024个点的原因：FFT算法要求样本数为2的n次方，而DSP库中提供了64，256和1024样本数对应的库函数，因此选用1024最大样本数可以使频率分辨率最小，更加精确。（定义频率分辨率f0=fs/N，其中fs等于采样率，N为采样点数）

需注意：FFT后的输出不是实际的信号频率，需要经过转换。f(k)=k*(fs/N)，其中f(k)是实际频率，k是实际信号的最大幅度频率所对应的数。（详见下面代码，分享的源代码中公式有误，未重新上传）

获取频率的函数：

#define NPT 1024//一次完整采集的采样点数/******************************************************************
函数名称:GetPowerMag()
函数功能:计算各次谐波幅值
参数说明:
备  注:先将lBufOutArray分解成实部(X)和虚部(Y)，然后计算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)*******************************************************************/
void GetPowerMag(void)
{float X,Y,Mag,magmax;//实部，虚部，各频率幅值，最大幅值u16 i;//调用自cr4_fft_1024_stm32
cr4_fft_1024_stm32(fftout, fftin, NPT);
//fftin为傅里叶输入序列数组，ffout为傅里叶输出序列数组for(i=1; i<NPT/2; i++){X = (fftout<<16) >> 16;
  Y = (fftout >> 16);
  
  Mag = sqrt(X* X + Y *Y);
  FFT_Mag=Mag;//存入缓存，用于输出查验
  //获取最大频率分量及其幅值
  if(Mag > magmax)
  {
   magmax = Mag;
   temp = i;
  }}

F=(u16)(temp*(fre*1.0/NPT));//源代码中此公式有误，将此复制进去

LCD_ShowNum(280,180,F,5,16);
}

六、模拟正弦波输出

此正弦波输出是用于调试示波器，观察显示和实际是否相同。主要利用DAC输出，在定时器3的中断中不断改变DAC的输出值，产生一个正弦波。因此改变正弦波的频率可以通过更改定时器3的溢出频率。（采用的PA4口进行输出）

在初始化时，我将定时器3的重装载值设置为40，预分频值设置为72，正弦波输出频率为72Mhz/40/72/1024≈24.5Hz（1024是因为将一个周期正弦波均分成1024个输出点，详见下面函数InitBufInArray()）。

经采样处理后显示为24-25Hz，与实际值接近。（但是当采样频率提高到最大3.6kHz时，频率显示为32Hz左右，原因未知）

下面是相关代码：

u16 magout[NPT];
/******************************************************************
函数名称:InitBufInArray()
函数功能:正弦波值初始化，将正弦波各点的值存入magout[]数组中
参数说明:
备    注:*******************************************************************/
void InitBufInArray(void)
{u16 i;

float fx;

for(i=0; i<NPT; i++)

{fx = sin((PI2*i)/NPT);

magout = (u16)(2048+2048*fx);}}

/******************************************************************
函数名称:sinout()
函数功能:正弦波输出
参数说明:
备    注:将此函数置于定时器中断中，可模拟输出正弦波*******************************************************************/
void sinout(void)
{
static u16 i=0;
DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,magout);
i++;
if(i>=NPT)
  i=0;
}

七、模拟噪声或三角波输出

模拟噪声或三角波输出可直接通过配置DAC，利用芯片内部的发生器产生。DAC2的转换由定时器4的TRGO触发（事件触发）。同时需要注意设置TRGO由更新事件产生。

若为三角波输出，频率=72Mhz/定时器重装载值/预分频系数/幅值/2；

例如：初始化定时器的重装载值为2，预分频系数为36，幅值为最大（4096），即Freq=72Mhz/2/36/4096/2≈122Hz；

具体代码如下所示：

  1. voidDac2_Init(void){
  2. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  3. DAC_InitTypeDef DAC_InitType;

  5. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
  6. //使能PORTA通道时钟
  7. RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE );
  8. //使能DAC通道时钟
  9. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
  10. // 端口配置
  11. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
  12. //模拟输入
  13. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  14. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  16. DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_T4_TRGO;
  17. //定时器4触发
  18. DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_Noise;
  19. //产生噪声
  20. DAC_WaveGeneration_Triangle;
  21. //产生三角波
  22. DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_TriangleAmplitude_4095;
  23. //幅值设置为最大，即3.3V
  24. DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ;
  25. //DAC1输出缓存关闭
  26. BOFF1=1DAC_Init(DAC_Channel_2,&DAC_InitType);
  27. //初始化DAC通道2
  28. DAC_Cmd(DAC_Channel_2, ENABLE);
  29. //使能DAC-CH2
  30. DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,0);
  31. //12位右对齐数据格式设置DAC值}

  33. voidTIM4_Int_Init(u16 arr,u16 psc){
  34. TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

  36. RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
  37. //时钟使能
  38. TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
  39. //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值 计数到5000为500ms
  40. TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;
  41. //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 10Khz的计数频率
  42. TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =0;
  43. //设置时钟分割:
  44. TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  45. //TIM向上计数模式
  46. TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
  47. //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
  48. TIM_SelectOutputTrigger(TIM4, TIM_TRGOSource_Update);
  49. //触发外设方式为更新触发
  50. TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
  51. //使能TIMx外设}

八、显示函数与按键控制

显示波形只需将所获得的1024个采样数据选择一部分进行显示大致思路如下：

u16pre_vol;//当前电压值对应点的纵坐标u16past_vol;//前一个电压值对应点的纵坐标//adcx[]数组及通过DMA存入的1024个原始数据pre_vol =50+adcx[x]/4096.0*100;
LCD_DrawLine(x,past_vol,x+1,pre_vol);//根据实际，打点位置可进行相应更改past_vol = pre_vol;

按键的控制是在外部中断中进行（正点原子资料中提供相应参考代码）比较重要的是改变采样频率。

工程分享

https://gitee.com/silent-rookie/Simple-Oscilloscope

  

转载自：网络文章来源于手把手教你用MCU做一个示波器（代码开源）原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/F35VYm641FDF8uiT00ukDg