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,real-timesamplingis1M.Therateisdesignedtoachievetransientwaveformsmax-maxvaluesandmovearound.Thewaveformachievesthefrequencyofthesurvey.Keywords：ARM；Theoscillograph；ADconversion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Cortex-M3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2-1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2：STM32F103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4×4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285.7mm×214.3mm，它的最大分辨率为1024×768，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/1024=0.279mm（或者是214.3mm/768=0.279mm）。（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1024×768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64×64×64=262144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256×256×256=16777216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200250cd/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2030ms之间。