摘 ?要

????本設(shè)計(jì)采用STM32F103微控制器，硬件為正點(diǎn)原子的MiniSTM32開發(fā)板,設(shè)計(jì)一個(gè)示波器，能夠測(cè)量輸入信號(hào)的頻率、最大值、最小值和幅值，并顯示所輸入的波形。并且采樣頻率可以設(shè)置，并能通過(guò)串口輸出所測(cè)量的內(nèi)容。采用FFT算法計(jì)算頻率，精度較高。所用到的硬件模塊有ADC、定時(shí)器、UART、外部中斷、DMA、GPIO、EXTI。

需要源程序工程以及設(shè)計(jì)文檔 聯(lián)系企鵝號(hào)?3270516346

目錄

摘 ?要

一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)方法

1．１、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求

2．２、設(shè)計(jì)思路

二、硬件設(shè)計(jì)

２.１、STM３２最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

２.2、LED顯示與外部中斷按鍵電路

２．３、LCD顯示屏接口電路

三、軟件設(shè)計(jì)

３.１、軟件設(shè)計(jì)總體流程

3.2、按鍵中斷設(shè)計(jì)

３.３、TIMER＋DMA＋ADC１組成的數(shù)據(jù)采集模塊

３.４、UART設(shè)置

３.５、FFT計(jì)算頻率

3.6 TFTLCD顯示界面設(shè)計(jì)

四、設(shè)計(jì)結(jié)果

五、參考文獻(xiàn)

附錄

1、STM32F103RC開發(fā)板原理圖

2、TFTLCD顯示屏原理圖

3、作品實(shí)物

一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)方法

1．１、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求

1、由于STM32采用3.3V的電平標(biāo)準(zhǔn)，所以輸入的信號(hào)電壓范圍為0V到3.3V。

2、采集輸入的信號(hào)，計(jì)算輸入信號(hào)的頻率、最大值、最小值和幅值。

3、由于所測(cè)量的頻率的范圍與采樣的頻率有關(guān)，所以采樣頻率可以設(shè)置，以達(dá)到不同的要求。

4、計(jì)算的信號(hào)的內(nèi)容可以通過(guò)串口打印出來(lái)。

2．２、設(shè)計(jì)思路

1、通過(guò)ADC1模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，采集輸入的模擬信號(hào)，通過(guò)定時(shí)器的PWM輸出觸發(fā)一次采樣，所以采樣頻率可以通過(guò)定時(shí)器設(shè)置。將ADC采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA的方式送到指定的內(nèi)存中去。

2、將采樣得到的數(shù)據(jù)通過(guò)循環(huán)比較得到最大值和最小是，兩者相減得到信號(hào)幅值。將得到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，然后在進(jìn)行一系列的計(jì)算得到信號(hào)的頻率。

3、通過(guò)UART1將得到的信號(hào)計(jì)算內(nèi)容發(fā)送的PC，波特率可以設(shè)置。采樣率的設(shè)置以及串口輸出的設(shè)計(jì)通過(guò)外部中斷（外部按鍵）設(shè)置。

4、設(shè)置開發(fā)板自帶的LED燈，通過(guò)LED燈來(lái)指示系統(tǒng)是否工作。

5、將輸入信號(hào)的波形以及計(jì)算結(jié)果在LCD屏幕上顯示出來(lái)，LCD顯示采用正點(diǎn)原子提供的LCD驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

?

二、硬件設(shè)計(jì)

　　２.１、STM３２最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　 ??１、采用的微控制器為ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣT6，該微控制器采用Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３體系結(jié)構(gòu)，它擁有的資源包括： 48KB SRAM、 256KB FLASH、 2 個(gè)基本定時(shí)器、 4 個(gè)通用定時(shí)器、 2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器、 2個(gè) DMA 控制器（共 12 個(gè)通道）、 3 個(gè) SPI、 2 個(gè) IIC、 5 個(gè)串口、 1 個(gè) USB、 1 個(gè) CAN、 3 個(gè) 12位 ADC、 1 個(gè) 12 位 DAC、 1 個(gè) SDIO 接口及 51 個(gè)通用 IO 口分三組，該芯片性價(jià)比較高。

?????2、該系統(tǒng)采用外部晶振作為時(shí)鐘源，外部晶振頻率為8ＭＨｚ，通過(guò)內(nèi)部PLL等電路設(shè)置系統(tǒng)頻率為72MHz。，系統(tǒng)電源采用３.３V供電，DAC的參考電壓設(shè)置為５V。

３、復(fù)位端外界一個(gè)按鍵，即RESET按鍵接到單片機(jī)的NRST端，當(dāng)按下該按鍵時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位。下載電路采用JTAG下載。

4、本次設(shè)計(jì)用到的內(nèi)部資源有：SRAM、FLASH、通用定時(shí)器2，DMA1，UART1，DAC1，GPIOA、EXTI。

5、最小系統(tǒng)電路圖為：

２.2、LED顯示與外部中斷按鍵電路

1、LED顯示控制端為GPIOA_Pin_8,LED的陽(yáng)極通過(guò)保護(hù)電阻接電源，陰極連接到ＧＰＩＯＡ＿Ｐｉｎ＿８，該端口采用推挽輸出，輸出高電平時(shí)LED滅，輸出低電平，LED亮。

２、按鍵連接電路如圖所示，WK_UP按鍵連接到PA0，KEY0連接到PC５，KEY１連接到PA１５，他們分別對(duì)應(yīng)外部中斷通道０、通道５、通道１５。通道０的中斷為上升沿觸發(fā)，通道５和１５為下降沿觸發(fā)。

２．３、LCD顯示屏接口電路

１、LCD顯示屏我們采用的為２.８寸屏，分辨率為３２０＊２４０，支持６５K色顯示，接口為１６位的８０并口，自帶觸摸屏，TFTLCD 模塊采用 2*17 的 2.54 公排針與外部連接。

２、LCD控制芯片采用ILI9341，ILI9341液晶控制器自帶顯存，可以通過(guò)不同的命令在LCD的不同位置顯示不同的顏色，從而顯示圖像。

３、開發(fā)板上自帶LCD顯示屏接口，直接將開發(fā)板與LCD相連即可，其接口電路如下圖：

三、軟件設(shè)計(jì)

３.１、軟件設(shè)計(jì)總體流程

?????1、主函數(shù)執(zhí)行過(guò)程

2、當(dāng)按鍵KU_UP按下時(shí)，定時(shí)器分頻系數(shù)增加，采樣率減??；當(dāng)按鍵KEY1按下時(shí)定時(shí)器分頻系數(shù)減小，采樣率增加；當(dāng)KEY0按下時(shí)，通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)。

3、信號(hào)采集采用ADC+DMA+TIMER的方式，采集完成，觸發(fā)DMA中斷，采集完成標(biāo)記位置位。

??1、KW_UP、KEY1、KEY2對(duì)應(yīng)的引腳PA0、PC5、PA15，對(duì)應(yīng)的中斷觸發(fā)條件為信號(hào)上升沿、下降沿、下降沿。PA0設(shè)置為輸入下拉，PC5和PA15設(shè)置為輸入上拉，設(shè)置前首先開啟時(shí)鐘，對(duì)應(yīng)程序?yàn)椋?/span>

?2、PA0、PC5、PA15對(duì)應(yīng)的中斷通道為通道0、5、15，外部中斷配置響應(yīng)的模式并使能，然后配置響應(yīng)的NVIC并使能NVIC，他們對(duì)應(yīng)的搶占優(yōu)先級(jí)都為２，副優(yōu)先級(jí)為０、１、２，相應(yīng)代碼為（以通道１為例）：

３、在他們的中斷服務(wù)函數(shù)中，先判斷相應(yīng)的按鍵是否按下，按下則執(zhí)行相應(yīng)的功能，然后清楚相應(yīng)的外部中斷，程序如下（以K０為例）：

３.３、TIMER＋DMA＋ADC１組成的數(shù)據(jù)采集模塊

１、本實(shí)驗(yàn)用PA１口做為數(shù)據(jù)采集端口，定時(shí)器２配置為PWM模式，通過(guò)PWM，觸發(fā)一次采樣，改變PWM的頻率，就可以改變采樣率。通過(guò)DMA１，將采集的數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)存，然后在處理數(shù)據(jù)。

２、首先使能GPIOA與ADC１的時(shí)鐘，然后將PA１配置為模擬輸入。ADC１選擇通道１使用規(guī)則轉(zhuǎn)換，配置為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，觸發(fā)方式選擇T２＿CC２，即定時(shí)器２，數(shù)據(jù)選擇右對(duì)齊，規(guī)則順序轉(zhuǎn)換的通道數(shù)目為１，采樣時(shí)間設(shè)置為ｃｙｃｌｅｓ。

?。粒模茫痹O(shè)置完成之后，使能DAC１，并且重置指定ADC的校準(zhǔn)寄存器進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)計(jì)程序?yàn)椋?/span>

３、首先使能定時(shí)器的時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器２的預(yù)分頻值與計(jì)數(shù)值通過(guò)外部參數(shù)傳入，可以設(shè)置，從而設(shè)置頻率，計(jì)數(shù)器設(shè)置為向上計(jì)數(shù)方式。

輸出設(shè)置為PWM１，輸出極性為低，并且設(shè)置ＴＩＭ＿Ｐｕｌｓｅ，來(lái)設(shè)置占空比。最后使能TIM２.程序如下：

４、使用DMA１的通道１，首先開啟DMA１的時(shí)鐘，將ADC１的數(shù)據(jù)傳入內(nèi)存，設(shè)置一次傳輸數(shù)據(jù)量為１０２４個(gè)字，內(nèi)存和外設(shè)的數(shù)據(jù)位數(shù)都為１６位，循環(huán)傳輸，優(yōu)先級(jí)設(shè)置位最高。

開啟DMA１的中斷，當(dāng)一次DMA傳輸完成時(shí)，響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中通知一次數(shù)據(jù)采樣完成，搶占優(yōu)先級(jí)與副優(yōu)先級(jí)都設(shè)置為０。

相關(guān)程序如下：

３.４、UART設(shè)置

１、通過(guò)UART１將相應(yīng)的數(shù)據(jù)打印出來(lái)，UART１對(duì)應(yīng)的端口為PA９、PA１０。根據(jù)參考手冊(cè)，PA９應(yīng)該設(shè)置為復(fù)用推挽輸出，PA１０設(shè)置為浮空輸入。

初始化UART１，首先開啟GPIOA和UART１的時(shí)鐘，然后設(shè)置字長(zhǎng)為８位，一個(gè)停止位，無(wú)奇偶效驗(yàn)位，無(wú)硬件數(shù)據(jù)流，波特率可設(shè)置。相關(guān)程序如下：

２、重定向函數(shù)ｐｒｉｎｔｆ（），在工程中加入ｆｐｕｔｃ（ｉｎｔ?。悖?，ＦＩＬＥ?。妫┖瘮?shù)代碼，并包含“ｓｔｄｉｏ．ｈ”，即可通過(guò)ｐｒｉｎｔｆ（）進(jìn)行串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

３.５、FFT計(jì)算頻率

?????1、我們一次連續(xù)采樣1024個(gè)點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)利用提供的FFT庫(kù)函數(shù)進(jìn)行離散傅里葉變換，變換后從頻譜中找出最大的頻率，該頻率即為采樣信號(hào)的頻率。由采樣定理可知，采樣信號(hào)的頻率要大于所采集信號(hào)頻率的兩倍才能恢復(fù)出信號(hào)的頻譜，求得最大頻率。

????2、采樣信號(hào)的頻率為fus=72000000/(T*psc)，其中T為STM32定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，psc為分頻值。由Xa（k*F）=T*X(k)=T*DFT[x(n)]N, F===

?(其中Xa為模擬信號(hào)的頻譜函數(shù)，X(k)為采樣信號(hào)的離散傅里葉變換，F(xiàn)表示對(duì)模擬信號(hào)頻譜的采樣間隔，稱之為頻率分辨率)。所以如果當(dāng)k=temp時(shí)，頻率取最大值，則最大頻率為f=temp*F=temp*fus/n,（n為一次采樣的點(diǎn)數(shù)）。

?????3、cr4_fft_1024_stm32(fftout ,fftin ,n)為使用的進(jìn)行FFT變換的庫(kù)函數(shù)，fftin為采集的輸入信號(hào)的數(shù)組，fftout為輸出的數(shù)組，n為點(diǎn)的個(gè)數(shù)。fftout中每個(gè)點(diǎn)有32位，高16位為FFT變換后的實(shí)部，低16位為虛部。對(duì)fftout進(jìn)行變換，然后在求出頻率的幅度最大時(shí)的k，即求出最大的頻率。

???相應(yīng)的程序?yàn)椋?/span>

?3.6 TFTLCD顯示界面設(shè)計(jì)

1、顯示屏采用正點(diǎn)原子的3.2寸TFTLCD顯示屏，利用正點(diǎn)原子提供的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行開發(fā)。首先調(diào)用函數(shù)”LCD_Init()”進(jìn)行初始化。

2、然后調(diào)用函數(shù)windows()函數(shù)進(jìn)行繪制基本的顯示窗口，當(dāng)采樣完1024個(gè)點(diǎn)后，將相應(yīng)的點(diǎn)在LCD屏上顯示出來(lái)，即形成波形。

四、設(shè)計(jì)結(jié)果

?????1、當(dāng)輸入1kHz方波時(shí)，采樣頻率為12000Hz:

測(cè)量得到頻率為996Hz,最大值571mV,最小值0V。

2、當(dāng)輸入的信號(hào)頻率為5kHz時(shí)，采樣率為12000Hz時(shí)，得到：

測(cè)量得到信號(hào)的頻率為5003Hz,最大值為577mV,最小值為0V。

附錄

1、STM32F103RC開發(fā)板原理圖

2、TFTLCD顯示屏原理圖

3、作品實(shí)物