【《某便携式数字示波器总体方案设计案例》2300字】

某便携式数字示波器总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u24598某便携式数字示波器总体方案设计案例 1241791.1便携式数字示波器整体设计方案 12731.2便携式数字示波器硬件的选择与论证 2174841.1.1前级调理电路的论证与选择 2114631.1.2核心控制模块的论证与选择 26371.3系统软件开发环境简介 389201.3.1KeilMDK5 3124201.3.2C语言 34351.3.3UCOS-III嵌入式实时操作系统 31.1便携式数字示波器整体设计方案系统框图如下图2-1所示：图2-1整体设计框图整个系统分为四大部分，分别是前级调理电路模块、核心控制模块、液晶屏模块、电源模块组成。对于数字示波器而言，单片机的AD直接对输入信号进行采集是十分危险的行为。因为待测信号存在很强的不确定性，且其电压值可能远远大于单片机引脚的工作电压，导致击穿。因此必须要对待测信号的相位和幅度做出线性处理[8]。其中前级调理电路分为阻容衰减、电平移位、程控增益和低通滤波四个部分。核心控制模块主要有STM32单片机内部的定时器、A/D采集和DMA构成，作用在于采集信号并进行处理，最终通过FSMC接口驱动液晶屏显示波形。1.2便携式数字示波器硬件的选择与论证1.1.1前级调理电路的论证与选择在使用一款数字示波器对信号检测时，被测信号肯定是不能直接交由ADC来进行采集。初始的被测信号必须要通过前级调理电路来对其相位和幅度等参数进行一定线性处理后方可交由ADC采集。根据本次设计要求，前级信号调理电路作用有很多，一是对信号进行补偿，所以需要选择阻容衰减电路。二需要防止信号出现失真，所以需要选择OPA656集成运放器来完成该功能，该芯片频带宽且增益稳定，十分吻合本次设计需求。三是需要对微弱信号进行程控增益，所以选择了CD4051BC芯片来完成程控增益电路的设计。而信号最后的滤波处理，选取了UAF42滤波模块，该模块可以自主选择低通、高通、带通和带阻的输出方式来供使用者选择，这样被处理的信号即可交由ADC采集。1.1.2核心控制模块的论证与选择（1）STM32系列单片机STM32是当下一款的热门的主流单片机，由意法半导体公司设计与开发。其具有高性能、功耗低、成本低的特点。本次设计选取的STM32F103系列使用ARM公司的CortexM3架构，提供一流的外设来让开发者使用。尽管F1系列存在内存较小，性能较弱的缺点，且外围电路需要自行设计，但是得益于其优秀的性价比和简单上手的难度，非常适合本次设计。Zynq系列可扩展平台ZYNQ系列是当下炙手可热的一款可扩展处理平台，由赛灵思公司（Xilinx）推出。可编程逻辑基于赛灵思的FPGA架构来设计，并且板上集合一块ARM核芯片，是一款片上系统（SOC）。FPGA和ARM之间的连线也是在芯片内部完成，做一些嵌入式异构计算的嵌入式系统，不需要再去设计单片机和FPGA之间的数据总线。由于其片上系统的特点，ZYNQ系列平台可拓展性非常强，可以先通过PS端对硬件上进行逻辑设计，再通过PL端的软件设计完成最终产品。尽管该系列平台性能强大，拓展性强，但是成本较高且设计较为复杂，对于便携式数字示波器来说显得有些性能过剩，得不偿失。同时FPGA可扩展平台虽然方便好用但是不符合前级调理电路的要求。STM32F1系列单片机尽管性能有所欠缺，但是足以胜任本次研究。1.3系统软件开发环境简介1.3.1KeilMDK5在当今所有的嵌入式开发软件中，德国-美国联合的Keil公司下KeilSoftware部门所推出的KeilMDK5绝对是最为热门的一款。该款开发系统使用C/C++作为开发语言，结构性强，灵活度高。Keil提供了不仅包括C语言所应有的编译器与链接器，还具备强大的实时仿真调试功能及库管理功能。最终，将所有功能汇聚在一起并与μVision集成开发环境结合，成为KeilMDK[9]。KeilMDK5是该公司于2013年推出的最新一款开发系统，它摈弃了传统的将芯片资料嵌入到开发环境的做法，而是直接以资料包的形式安装进开发环境中。这样的好处是有效的节省了存储空间的占用，并给开发者提供了很大的便利性。同时，ST公司在近些年还推出了STM32CubeMx开发工具，该款开发工具覆盖了STM32全系列芯片，支持MDK、IAR等多款开发环境，主要以HAL库开发为基础。开发者在使用过程中可以进行根据用户需求来进行图形化外设配置，并自动生成C语言项目程序，使用时可以将更多精力放在软件算法的设计上，而不是在驱动外设配置程序上花费大量的时间。在本次设计中，我们采用了KeilMDK5加上CubeMx的组合。1.3.2C语言C语言1976年诞生于贝尔实验室，是面向过程，可直接操作内存的一款高级语言。尽管作为一个高级语言但是其兼顾了汇编语言的特点，可以直接对内存或寄存器进行操作，效率很高。通过有关测试证明，C语言西横须仅仅比汇编语言的程序效率低大概10%~20%[10]。不过随着计算机语言技术的突飞猛进，根据使用需求发展出来了更多偏向与软件设计的语言。因此C语言现在的应用场景更多的放在了底层，比如嵌入式、操作系统等。1.3.3UCOS-III嵌入式实时操作系统在最早的嵌入式开发中是直接对裸机进行操作，没有其他程序的介入。这种开发方式会通过将程序分为前台和后台，分别指中断服务程序和主循环。但随着单片机的发展，裸机的操作方式会难以处理较为复杂的程序。同时单循环程序局限性非常大，不同功能直接回相互影响，因此才会有人开发了嵌入式实时操作系统来解决该问题。实时操作系统（RTOS）强调的是实时性，它将不同的任务划分成一个个的线程，分开运行。通过时间片轮转调度算法，给每个线程赋予固定的运行时间，各个线程之间互不干扰，从而达到多任务运行的结果。在本次设计中，也需要通过单片机来处理多个系统任务，所以选择了UCOS-III操作系统来完成设计。UCOS由Micrium公司出品的，目前有II和III两个版本。它具备操作系统应有的资源管理、同步、任务通信等功能。UCOS是采用以C语言为主体，汇编语言辅助的架构，即可向上便于开发