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基于ARM的简易示波器的设计.doc

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基于ARM的简易示波器的设计.doc

本科生毕业设计(论文)摘要本设计对基于ARM(AdvancedRISCMachine)的简易示波器的设计过程进行了介绍。主要对系统的硬件设计部分和软件设计部分进行了分析。硬件设计部分首先给出了系统框图,然后对各个组成模块进行了介绍。并给出了各模块所使用的主要元器件。包括电源部分、放大部分、控制部分、键盘功能及芯片的采集和显示部分。软件设计部分编写了使能部分、AD转换、显示部分、数值计算部分。本设计实现了小信号波形的显示,实时采样速率为1M。本设计采用彩色TFT液晶显示。本设计实现了波形峰峰值的瞬时检测和左右移动变换,实现了波形频率的测量。关键词ARM示波器AD转换本科生毕业设计(论文)AbstractThispaperdescribesthedesignofthedigitaloscillographbasedonARM(AdvancedRISCMachine)Thedesignofhardwareandsoftwareisthepapersmaincontents.Atfirst,thehardwaredesignpartdescribesthefloorplanofthissystem.Then,everymoduleisintroducedinthepaper.Thepaperliststhemainapparatusthatareusedinthesystem.Includepowerofthemostpart,andcontrolfunctions,thekeyboardandthecollectionanddisplaychipSoftwaredesignpartwrittentobepartofad,convert,thatpart,thevalueofthisissue.theapplicationofthesoftwareistocompletetheprogramKeilappliestosoftware.Designedtoachievethesignalwaveformsdisplay,realtimesamplingis1M.Therateisdesignedtoachievetransientwaveformsmaxmaxvaluesandmovearound.Thewaveformachievesthefrequencyofthesurvey.KeywordsARMTheoscillographADconversion东北石油大学本科生毕业设计(论文)I目录第1章选题背景....................................................11.1课题来源...................................................11.2课题目的...................................................11.3课题意义...................................................11.4应用分析...................................................11.5本章小结...................................................2第2章系统总体设计................................................32.1总体框图...................................................32.2总体设计分析...............................................32.3硬件部分分析...............................................42.4软件部分分析...............................................62.5本章小结...................................................6第3章硬件结构....................................................73.1电源部分设计...............................................73.2放大部分设计...............................................83.3控制部分设计..............................................103.4键盘功能..................................................103.5芯片采集及显示部分设计....................................113.6本章小结..................................................15第4章软件分析..................................................164.1软件框图分析..............................................164.2应用软件..................................................174.3AD转换部分信号采集部分....................................174.4调用的按键设计............................................184.5显示部分设计..............................................194.6定时器设计................................................20东北石油大学本科生毕业设计(论文)II4.7本章小结..................................................20第5章系统测试与结果.............................................215.1测试的理论基础.............................................215.2系统测试及分析.............................................215.3测试结果分析...............................................225.4本章小结...................................................22结论............................................................23参考文献.........................................................24致谢............................................................25附录............................................................26东北石油大学本科生毕业设计(论文)1第1章选题背景1.1课题来源传统模拟示波器是基于显像管技术的,通过电子枪将电子打向荧光屏而显示波形。对于周期信号来说,传统示波器可以显示出稳定的波形,但对非周期信号或瞬间信号却无能为力。数字示波器由于采样的原因,把有些毛刺过滤掉了,所以不太真实,但它偏数字化,对逻辑电路的测量很好,很容易存储,在电脑上分析数据,本课题基于ARM的数字存储式示波器可以显示瞬时信号和非周期信号。系统衔接时序采样控制、键盘接口、外扩存储器、LCD显示、系统和计算机的通信等各部分工作,以及产生系统各模块正常工作所需要的控制信号。推进本设计产生。1.2课题目的本课题的目的是能够显示接收到的波形,并且能够测量出峰峰值。波形失真调节使之能够显示出完整的波形,显示出波形的频率和幅度特性,得到波形的峰值和频率。1.3课题意义本课题实现了瞬时信号的显示,摆脱了传统示波器只能显示周期信号的弊病。基于STM32系列ARM的简易示波器,实时采样速率最大1M,采用彩色TFT液晶显示,需要设计前端放大电路。以16/32位嵌入式处理器和嵌入式操作系统应用于这个时代,嵌入式系统的小体积、高可靠性能够满足便携式虚拟仪器的要求。构建基于嵌入式系统的虚拟存储示波器变得有意义。1.4应用分析本设计是应用STM32系列芯片完成采样量化、AD转换、波形分析、波形显示等多项技术。ARM是面向低价位市场设计的一种RISC微处理器,其优势是性价比高,适合嵌入式数字示波器的需求。当前采用ARM芯片设计的嵌入式数字示波器主要基于CortexM3内核的微控制器STM32F103VE。采用种结构设计的嵌入式数字示波器,由于时钟频率和并行处理能力较低,因此通常用于通道数较少的设计中,无法满足对系统实时性要求较高的多通道嵌入式数字示波器的设计。ARM是当今嵌入式时代的主流产品,随着ARM技术的发展,嵌入式示波东北石油大学本科生毕业设计(论文)2器将成为一种功能越来越强大,使用也更方便的检测设备。而虚拟仪器的应用又使得示波器克服了传统示波器在价格、功能、灵活性等方面所受到的限制。本课题所设计的基于ARM的示波器已经具有了数据采集、信号调理、传输、存储、分析处理、显示输出等功能。1.5本章小结本章主要介绍了选择本课题的背景等,应用ARM设计示波器的优势,设计的宗旨和选择方案的基本描述。东北石油大学本科生毕业设计(论文)3第2章系统总体设计2.1总体框图图21总体框图2.2总体设计分析本设计接收选择的是小信号,因为小信号比较稳定,能很好的显示波形。本设计如果选择的是DSP,设计中用到芯片就会增多,而且因为DSP造价高于ARM并且小信号的采集如果应用DSP放大芯片有很多限制,不易选取。而应用ARM则减少了这方面的问题。在嵌入式处理器设计领域,RISC1已经成为处理器结构设计的必然选择。嵌入式微处理器嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。并且该系统是以提高对象体系智能性、控制力和人机交互能力为目的,通过相互作用和内在指标评定的,嵌入到对象体系中的专用计算机系统。而嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件,是决定嵌入式系统功能强弱的主要因素,也决定了嵌入式系统的应用范围和开发复杂度。小信号在送入示波器的ADC部分电压稍小,量化选择不好选。故应对小信号进行放大,才能送进AD转换电路。经过AD转换电路之后,就是要数据计算和显示芯片进行使能控制,进入开始界面后才能实现示波器的功能。数据计算部分应用比较器对所设预设值跟AD送出值进行比较,高于预设值的时候则计数显示示波器上,并进行前一个数和后一个数进行比较,算出峰峰值。本设计需要解决的问题包括硬件部分和软件部分。硬件部分的设计主要是芯片选择,控件的选择,放大倍数的控制,衰减倍数的选择。输入信号放大电路(模拟通道)采样和量化12位ADC单片机LCDARM键盘东北石油大学本科生毕业设计(论文)4软件部分的设计主要是驱动程序的编译,主函数主要功能的实现,按键控制的选择。2.3硬件部分分析2.2.1电源部分(1)输出功率是否满足要求(2)输出电压是否稳定2.2.2ADC部分12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。ADC有16个多路通道。可以把转换分成两组规则的和注入的。在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换构成成组转换。2.2.3主控制芯片本设计应用主控制芯片为STM32F103系列,完成采样时钟的控制,判断计数是否完成,完成后送数给LCD显示。本设计应用STM32系列按性能分成两个不同的系列2STM32F103增强型3系列和STM32F101基本型系列。增强型系列时钟频率达到72MHz,是同类产品中性能最高的产品基本型时钟频率为36MHz,以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能,是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存,不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时,从闪存执行代码,STM32功耗36mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5mA/MHz。2.2.4键盘输入控制本设计应用的是STM32内部的的键盘控制芯片。现在应用键盘的扫描方法主要包括以下几种扫描方式(1)逐点扫描法4。逐点扫描的优点是它的编程简单,易于理解,可以作同时按多个键的识别。缺点是它的速度慢,处理程序代码较长。(2)逐行扫描法。逐行扫描的照逐点扫描要好的多,程序相对简单,速度快,也支持同时多按键处理。一般的扫描键盘多用此法。(3)全局扫描法。全局扫描只用两次扫描,速度快,易学易用,程序简单,可是它不支持同时多键处理,最佳适用44扫描键盘,可以用在一般的用途。东北石油大学本科生毕业设计(论文)52.2.5LCD显示部分LCD驱动程序的安排设置应简单,显示芯片最好相距近些,减少信道噪声引起波形改变。液晶显示屏5的技术参数(1)可视面积液晶显示器所标示的尺寸就是实际可以使用的屏幕范围一致。(2)可视角度液晶显示器的可视角度左右对称,而上下则不一定对称。一般来说,上下角度要小于或等于左右角度。(3)点距14英寸LCD的可视面积为285.7mm214.3mm,它的最大分辨率为1024768,那么点距就等于可视宽度/水平像素(或者可视高度/垂直像素),即285.7mm/10240.279mm(或者是214.3mm/7680.279mm)。(4)色彩度任何一种色彩都是由红、绿、蓝三种基本色组成的。LCD面板上是由1024768个像素点组成显像的,每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝(R、G、B)三种基本色来控制。大部分的液晶显示器,每个基本色(R、G、B)达到6位,即64种表现度,那么每个独立的像素就有646464262144种色彩。也有FRC(FrameRateControl)技术以仿真的方式来表现出全彩的画面,也就是每个基本色(R、G、B)能达到8位,即256种表现度,那么每个独立的像素就有高达25625625616777216种色彩了。(5)对比值对比值是定义最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。(6)亮度值液晶显示器的最大亮度,通常由冷阴极射线管(背光源)来决定,亮度值一般都在200~250cd/m2间。(7)响应时间响应时间是指液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度,此值当然是越小越好。响应时间太长,就有可能使液晶显示器在显示动态图像时,有尾影拖曳的感觉。一般的液晶显示器的响应时间在20~30ms之间。

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