基于STM32内置ADC实现简易示波器的程序设计与实现
做一个数字采样示波器一直是我长久以来的愿望，不过毕竟这个目标难度比较大，涉及的方面实在太多，模拟前端电路、高速adc、单片机、cpld/fpga、通讯、上位机程序、数据处理等等，不是一下子就能成的，慢慢一步步来呗，呵呵，好歹有个目标，一直在学习各方面的知识，也有动力：）由于高速adc涉及到采样后的数据存储问题，大量的数据涌入使得单片机无法承受，因此通常需要用外部高速ram加cpld配合，或者干脆用大容量的 fpga做数据存储处理等，然后通知单片机将数据发送出去。这部分实在是难度比较大，电路非常复杂，自己是有心无力啊，还得慢慢地技术积累。。。
正好st新推出市场的以cortex-m3为核心的stm32，内部集成了2个1msps 12bit的独立adc，并且内部高达72mhz的主频，高达1.25dmips/mhz的处理速度，高速的dma传输功能，灵活强大的4个timer等等，这些真是非常有吸引力，何不用它来实现一个低频的数字示波器功能呢，我的目标是暂时只要定量定性地分析20khz以下的低频信号就行了，目标不高吧，用stm32可以方便地实现，等有了一定经验之后慢慢再用fpga和高速adc搞个100msps采样的示波器！
1、 adc转换：stm32增强型芯片内置的2个独立adc，可以有16个通道，并且2个通道可以并行的同步采样，触发方式很灵活，可以通过timer以及外部电平等方式触发，并行方式下adc2自动同步于adc1；adc在最高速采样的时候需要1.5+12.5个adc周期，在14m的adc时钟下达到 1msps的速度，因为我主频是72m所以4分频后稍微高了点，18mhz的adc时钟，采样速度应该高于1m了。adc 采样2路同时采样方式，用tim2 cc2来生成时钟信号触发adc来实现指定频率的采样。adc1/adc2采样的结果是一个word
2、采样频率控制：由于stm32内部的4个timer非常强大，每个timer又有4个通道，再加上独立的预分配器，实际上可以实现任意分频，因此用tim2 cc2来产生指定频率的时钟，用来触发adc1连续采样。
3、采样数据传输及每次采样深度控制：adc产生的转换数据通过高速dma 通道1来传输置指定的内部ram中，并且将dma通道一设置成最高优先级，以保证数据准确，并且用dma每次传输的个数来控制采样的深度，例如我要采集 100个点那么就设置dma传输100个次，每次从32位adc转换寄存器传输一个word到ram中，等完成了100次传输后，dma通道自动停止（实际上adc是一直按照要求的采样频率连续在后台采样，只是我去取数据而已），下次采集的时候我只要再设置下采样的个数使能dma channel1就行了。
4、与上位机通讯：通讯也是个难题，要达到快速地将大量数据发给上位机的目的，传输的速率肯定低不了，开始我想先用串口，不过很快就放弃了，一则即使我用外部usb转串口的芯片最高也只能达到1m的速度，并且数据会丢失；后来还是采用了网络传输的方式，用spi 接口的enc28j60芯片，这个芯片我在mega32和at91sam7s64上都用过，接口简单挺方便的，速度还可以，在sam7s64上dma凡是用udp协议单向发送的速度可以达到400kb/s以上，这次用了stm32发现速度大增，经过我用stm32的dma传输后，同样udp协议单向发速度竟然达到了500kb/s以上，甚至最高可以达到600kb/s，这个真是意外的收获。
5、上位机程序：还是用vs2005，我还是喜欢用c#，主要是微软的c#做得是在太舒服了，编辑器智能化程度真高，我只要刚刚输个开头的字母，马上就感知出来一堆让你选择，连挨个敲字符的功夫都省了，还不用担心拼写出错到时候找原因的麻烦，呵呵，缺点就是程序执行时候cpu利用率要高点，什么时候它的c++ 编辑器也到这个程度我就换回c++，哈哈。波形显示还是用ni的measurementstudio8来实现，一个是漂亮方便，另外最要紧的就是 measurementstudio8里面有一大堆数据处理的库，从简单的波形有效值计算，频率计算，到各种各样的函数滤波器功能，还有fft频域分析，时域分析等等，但凡要用到的仪器相关处理里面都有，另外本来我打算要在模拟前端里面加一个相位锁定的电路，以固定显示的波形起点，后来发现 measurementstudio8里面有个peakdetector的类，用这个来实现波形的锁定连这个电路都可以省了。用 measurementstudio8来实现实在是非常方便，并且准确。只是我没啥资料，还在探索当中
显示的界面及部分照片：
数据采样后输出到pc上显示的图形很精确，包括max038产生的正弦波上部的小尖峰也很清楚，stm32的adc精度很稳定性相当好，对于音频范围的低频信号来说，1msps的采样也基本够用了。只要采集足够的点送给measurementsudio提供的函数来分析，可以达到非常精确的程度，12bit 的分辨率相当于数字表的3位半的效果，用来测试信号的频率、真有效值、峰值、峰峰值等等非常方便和精确，和我用硬件实现的频率计和真有效值的读数相同（这也说明了我做的信号发生器的硬件是准确的，哈哈，之前跟数字表总对不上，看来是数字表准确度差），实现完全可以当作低频示波器来用，再加上个模拟前端电路，完全可以实用化了
正弦波：
点击查看图片
上位机的程序：
上位机的程序还处在对于measuremenstudio的摸索当中，只是初步了解到了几个函数，用它来实现数据处理实在是方便，look public void datareceived_proc（） //udp数据接收、数据处理、数据显示函数
{
try
{
while （bstates）
{
myudpcomm.receive（ref commreceivebuffer）;
received_command = bytes2struct（ref commreceivebuffer）;
//textbox3.text = received_command.samplerate.tostring（） + （acestimate++）.tostring（）;
dadc1_result = new double［received_command.sampledepth］;
dadc2_result = new double［received_command.sampledepth］;
//数据处理，将通讯接收区中的adc数据传入绘图用数组中
for （int i = 0; i 《 （int）（received_command.sampledepth）; i++）
{
dadc1_result = （bitconverter.touint16（commreceivebuffer， 40 + 4 * （i + 0））） * （3.3 / 4096.0）;
dadc2_result = （bitconverter.touint16（commreceivebuffer， 40 + 4 * （i + 0） + 2）） * （3.3 / 4096.0）;
}
str = “通道a（绿色）\r\n”;
//测试真有效值
measurements.acdcestimator（dadc1_result， out acestimate， out dcestimate）;//交流（ac方式相当于信号通过一个电容隔直后进行测量）和直流（dc直通方式进行测量）真有效值测量
str += “ac方式有效值：” + （（int）（acestimate * 1000））.tostring（） + “mv” + “dc方式有效值” + （（int）（dcestimate * 1000））.tostring（） + “mv\r\n”;
//测试信号频率、振幅vp
mysingletoneinformationadc1 = new singletoneinformation（dadc1_result， received_command.samplerate）;
str += “频率：” + （（int）（acestimate * 1000）==0 ？ 0int ）mysingletoneinformationadc1.frequency）.tostring（） + “hz” + “振幅vp：” + （（int ）mysingletoneinformationadc1.amplitude*1000）.tostring（） + “mv\r\n”;
str += “\r\n通道b（红色）\r\n”;
//测试真有效值
measurements.acdcestimator（dadc2_result， out acestimate， out dcestimate）;//交流（ac方式相当于信号通过一个电容隔直后进行测量）和直流（dc直通方式进行测量）真有效值测量
str += “ac方式有效值：” + （（int）（acestimate * 1000））.tostring（） + “mv” + “dc方式有效值” + （（int）（dcestimate * 1000））.tostring（） + “mv\r\n”;
//测试信号频率、振幅vp
mysingletoneinformationadc2 = new singletoneinformation（dadc2_result， received_command.samplerate）;
str += “频率：” + （（int）（acestimate * 1000） == 0 ？ 0 ： （int）mysingletoneinformationadc1.frequency）.tostring（） + “hz” + “振幅vp：” + （（int）mysingletoneinformationadc1.amplitude * 1000）.tostring（） + “mv\r\n”;
textbox3.text = str;
//thresholdpeakdetector.analyze用来找出从波谷到波峰上升沿顶点的数组序号
//可以用于固定显示波形从上升沿的某固定点开始，相当与硬件的同步触发电路功能
//b = thresholdpeakdetector.analyze（dadc2_result， 2， 10）;
//foreach （int k in b）
//{
//textbox3.text += k.tostring（） + “ ”;
//}
//for （int i = 0; i 《 received_command.sampledepth - b［1］; i++）
{
//dadc1_result = dadc2_result［i + b［1］］;
}
//textbox3.text += b［b.length - 1］.tostring（）;
//bisudpdatareceived = true;//表示接收到了udp数据，允许进行再次发送
bisdatareadyforplot = true;
mygraphplotproc（）;//绘图输出*/
//myd1 = new mymethoddelegate（h）;
//myd1（1）;
}
}
catch （exception e1）
{
timer1.enabled = false;
messagebox.show（e1.tostring（））;
}
finally
{
timer1.enabled = false;
}
}
/************************************************************************************
* 绘图输出过程函数供，myggraphplotthread进程调用
* 始终循环检测bisdatareadyforplot，一旦为真则进行绘图，绘图完成后置标志为false
* **********************************************************************************/
public void mygraphplotproc（）//绘图输出函数
{
//while （true ）
{
if（bisdatareadyforplot）
{
waveformplot1.ploty（dadc1_result）;
waveformplot2.ploty（dadc2_result）;
bisdatareadyforplot = false;
}
}
}
下位机的程序：
下位机的程序，也还在完善，现在只做到了基本的功能，还不稳定，主要问题还是在传输上的，这次为了一次传输比较多的数据，要将udp数据包分解，分成多个小于1518字节的帧发送，因此发现当数据发送快的时候很容易导致数据停止发送，以前用mega32和sam7的时候没注意过，当时的处理速度也慢，没暴露出来，想来想去可能是由于连续发送的时候速度太快导致的冲突，enc28j60出错挂起了，还是enc28j60没有吃透，对于里面的流控、以太网冲突检测这些还需要进一步研究。
/******************** （c） copyright 2007 stmicroelectronics ********************
*stm32f10*** 双通道adc数据采集并通过enc28j60实现udp通讯传输
*作者：alien2006
*环境：keil for arm mdk 3.15b
*版本：v0.2
*时间：20071202
*说明：v0.2
*一、网络通讯部分
*1、先采用stm32 spi轮询方式进行传输试验，ping 192.168.1.100 -l 1400 -n 10
*在轮询方式下未改进spi1_sendbyte（）函数（内部直接用st提供的函数语句）需 avg=9ms时间
*轮询方式下将spi1_sendbyte（）函数中的4条语句修改为直接寄存器存取后avg提高到7ms
*轮询方式下取消spi1_sendbyte（）直接代之以函数中四语句avg提高到6ms
*经过上述的逐步修改，传输udp1400个字符时双向传输（接收1400个字节再发送这1400个字节）间隔4ms可达210kb/s
*2、enc28j60.c修改增加stm32 spi传输dma和非dma编译选项，dma方式下网络最大传输速度测试达到350kb/s
*3、改进了zyp_udp.c实现了当要发送的udp数据长度超过单帧所能容纳时，将udp数据
*自动进行分组，并可在编译时自定义每个分组长度;
*改进了enc28j60.c加入了enc28j60dma空闲和网络发送完毕的判断，解决了当发送速度过快时导
*致传输出错问题。测试单向发送速度超过500kb/s;
*二、stm32数据采集部分
*1、adc1/adc2实现并行同时数据采集，12bit最高可达1msps采样速度并通过stm32的dma传输放入内存中
*2、tim2 cc2实现对adc采样的触发，adc_sample_frequency_set函数实现自定义tim2 oc2频率输出，
*3、采样的频率和采样个数通过接收到的udp控制命令来指定
*采样的频率为20hz~1mhz;
*采样深度为1~4000个数据（受限于stm32内存20kb容量，一个数据为2个12bitadc通道读数，需一个word）
*4、定义了简单的udp控制命令结构，用于实现与pc通讯和控制采样频率和采样深度
*三、其他
*1、程序待解决问题：udp分组发送出错问题未完全解决，有待进一步解决
*2、期待增加模拟前端电路，并实现放大倍数程控，通过上位机程序可以设置
*
* v0.1：最初程序，实现简单固定频率和深度的并行adc采样和udp通讯，并编制了简单的上位机程序，
*可以进行采样波形的显示
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正好st新推出市场的以cortex-m3为核心的stm32，内部集成了2个1msps 12bit的独立adc，并且内部高达72mhz的主频，高达1.25dmips/mhz的处理速度，高速的dma传输功能，灵活强大的4个timer等等，这些真是非常有吸引力，何不用它来实现一个低频的数字示波器功能呢，我的目标是暂时只要定量定性地分析20khz以下的低频信号就行了，目标不高吧，用stm32可以方便地实现，等有了一定经验之后慢慢再用fpga和高速adc搞个100msps采样的示波器！
1、 adc转换：stm32增强型芯片内置的2个独立adc，可以有16个通道，并且2个通道可以并行的同步采样，触发方式很灵活，可以通过timer以及外部电平等方式触发，并行方式下adc2自动同步于adc1；adc在最高速采样的时候需要1.5+12.5个adc周期，在14m的adc时钟下达到 1msps的速度，因为我主频是72m所以4分频后稍微高了点，18mhz的adc时钟，采样速度应该高于1m了。adc 采样2路同时采样方式，用tim2 cc2来生成时钟信号触发adc来实现指定频率的采样。adc1/adc2采样的结果是一个word
2、采样频率控制：由于stm32内部的4个timer非常强大，每个timer又有4个通道，再加上独立的预分配器，实际上可以实现任意分频，因此用tim2 cc2来产生指定频率的时钟，用来触发adc1连续采样。
3、采样数据传输及每次采样深度控制：adc产生的转换数据通过高速dma 通道1来传输置指定的内部ram中，并且将dma通道一设置成最高优先级，以保证数据准确，并且用dma每次传输的个数来控制采样的深度，例如我要采集 100个点那么就设置dma传输100个次，每次从32位adc转换寄存器传输一个word到ram中，等完成了100次传输后，dma通道自动停止（实际上adc是一直按照要求的采样频率连续在后台采样，只是我去取数据而已），下次采集的时候我只要再设置下采样的个数使能dma channel1就行了。
4、与上位机通讯：通讯也是个难题，要达到快速地将大量数据发给上位机的目的，传输的速率肯定低不了，开始我想先用串口，不过很快就放弃了，一则即使我用外部usb转串口的芯片最高也只能达到1m的速度，并且数据会丢失；后来还是采用了网络传输的方式，用spi 接口的enc28j60芯片，这个芯片我在mega32和at91sam7s64上都用过，接口简单挺方便的，速度还可以，在sam7s64上dma凡是用udp协议单向发送的速度可以达到400kb/s以上，这次用了stm32发现速度大增，经过我用stm32的dma传输后，同样udp协议单向发速度竟然达到了500kb/s以上，甚至最高可以达到600kb/s，这个真是意外的收获。
5、上位机程序：还是用vs2005，我还是喜欢用c#，主要是微软的c#做得是在太舒服了，编辑器智能化程度真高，我只要刚刚输个开头的字母，马上就感知出来一堆让你选择，连挨个敲字符的功夫都省了，还不用担心拼写出错到时候找原因的麻烦，呵呵，缺点就是程序执行时候cpu利用率要高点，什么时候它的c++ 编辑器也到这个程度我就换回c++，哈哈。波形显示还是用ni的measurementstudio8来实现，一个是漂亮方便，另外最要紧的就是 measurementstudio8里面有一大堆数据处理的库，从简单的波形有效值计算，频率计算，到各种各样的函数滤波器功能，还有fft频域分析，时域分析等等，但凡要用到的仪器相关处理里面都有，另外本来我打算要在模拟前端里面加一个相位锁定的电路，以固定显示的波形起点，后来发现 measurementstudio8里面有个peakdetector的类，用这个来实现波形的锁定连这个电路都可以省了。用 measurementstudio8来实现实在是非常方便，并且准确。只是我没啥资料，还在探索当中
显示的界面及部分照片：
数据采样后输出到pc上显示的图形很精确，包括max038产生的正弦波上部的小尖峰也很清楚，stm32的adc精度很稳定性相当好，对于音频范围的低频信号来说，1msps的采样也基本够用了。只要采集足够的点送给measurementsudio提供的函数来分析，可以达到非常精确的程度，12bit 的分辨率相当于数字表的3位半的效果，用来测试信号的频率、真有效值、峰值、峰峰值等等非常方便和精确，和我用硬件实现的频率计和真有效值的读数相同（这也说明了我做的信号发生器的硬件是准确的，哈哈，之前跟数字表总对不上，看来是数字表准确度差），实现完全可以当作低频示波器来用，再加上个模拟前端电路，完全可以实用化了
正弦波：
点击查看图片
上位机的程序：
上位机的程序还处在对于measuremenstudio的摸索当中，只是初步了解到了几个函数，用它来实现数据处理实在是方便，look public void datareceived_proc（） //udp数据接收、数据处理、数据显示函数
{
try
{
while （bstates）
{
myudpcomm.receive（ref commreceivebuffer）;
received_command = bytes2struct（ref commreceivebuffer）;
//textbox3.text = received_command.samplerate.tostring（） + （acestimate++）.tostring（）;
dadc1_result = new double［received_command.sampledepth］;
dadc2_result = new double［received_command.sampledepth］;
//数据处理，将通讯接收区中的adc数据传入绘图用数组中
for （int i = 0; i 《 （int）（received_command.sampledepth）; i++）
{
dadc1_result = （bitconverter.touint16（commreceivebuffer， 40 + 4 * （i + 0））） * （3.3 / 4096.0）;
dadc2_result = （bitconverter.touint16（commreceivebuffer， 40 + 4 * （i + 0） + 2）） * （3.3 / 4096.0）;
}
str = “通道a（绿色）\r\n”;
//测试真有效值
measurements.acdcestimator（dadc1_result， out acestimate， out dcestimate）;//交流（ac方式相当于信号通过一个电容隔直后进行测量）和直流（dc直通方式进行测量）真有效值测量
str += “ac方式有效值：” + （（int）（acestimate * 1000））.tostring（） + “mv” + “dc方式有效值” + （（int）（dcestimate * 1000））.tostring（） + “mv\r\n”;
//测试信号频率、振幅vp
mysingletoneinformationadc1 = new singletoneinformation（dadc1_result， received_command.samplerate）;
str += “频率：” + （（int）（acestimate * 1000）==0 ？ 0int ）mysingletoneinformationadc1.frequency）.tostring（） + “hz” + “振幅vp：” + （（int ）mysingletoneinformationadc1.amplitude*1000）.tostring（） + “mv\r\n”;
str += “\r\n通道b（红色）\r\n”;
//测试真有效值
measurements.acdcestimator（dadc2_result， out acestimate， out dcestimate）;//交流（ac方式相当于信号通过一个电容隔直后进行测量）和直流（dc直通方式进行测量）真有效值测量
str += “ac方式有效值：” + （（int）（acestimate * 1000））.tostring（） + “mv” + “dc方式有效值” + （（int）（dcestimate * 1000））.tostring（） + “mv\r\n”;
//测试信号频率、振幅vp
mysingletoneinformationadc2 = new singletoneinformation（dadc2_result， received_command.samplerate）;
str += “频率：” + （（int）（acestimate * 1000） == 0 ？ 0 ： （int）mysingletoneinformationadc1.frequency）.tostring（） + “hz” + “振幅vp：” + （（int）mysingletoneinformationadc1.amplitude * 1000）.tostring（） + “mv\r\n”;
textbox3.text = str;
//thresholdpeakdetector.analyze用来找出从波谷到波峰上升沿顶点的数组序号
//可以用于固定显示波形从上升沿的某固定点开始，相当与硬件的同步触发电路功能
//b = thresholdpeakdetector.analyze（dadc2_result， 2， 10）;
//foreach （int k in b）
//{
//textbox3.text += k.tostring（） + “ ”;
//}
//for （int i = 0; i 《 received_command.sampledepth - b［1］; i++）
{
//dadc1_result = dadc2_result［i + b［1］］;
}
//textbox3.text += b［b.length - 1］.tostring（）;
//bisudpdatareceived = true;//表示接收到了udp数据，允许进行再次发送
bisdatareadyforplot = true;
mygraphplotproc（）;//绘图输出*/
//myd1 = new mymethoddelegate（h）;
//myd1（1）;
}
}
catch （exception e1）
{
timer1.enabled = false;
messagebox.show（e1.tostring（））;
}
finally
{
timer1.enabled = false;
}
}
/************************************************************************************
* 绘图输出过程函数供，myggraphplotthread进程调用
* 始终循环检测bisdatareadyforplot，一旦为真则进行绘图，绘图完成后置标志为false
* **********************************************************************************/
public void mygraphplotproc（）//绘图输出函数
{
//while （true ）
{
if（bisdatareadyforplot）
{
waveformplot1.ploty（dadc1_result）;
waveformplot2.ploty（dadc2_result）;
bisdatareadyforplot = false;
}
}
}
下位机的程序：
下位机的程序，也还在完善，现在只做到了基本的功能，还不稳定，主要问题还是在传输上的，这次为了一次传输比较多的数据，要将udp数据包分解，分成多个小于1518字节的帧发送，因此发现当数据发送快的时候很容易导致数据停止发送，以前用mega32和sam7的时候没注意过，当时的处理速度也慢，没暴露出来，想来想去可能是由于连续发送的时候速度太快导致的冲突，enc28j60出错挂起了，还是enc28j60没有吃透，对于里面的流控、以太网冲突检测这些还需要进一步研究。
/******************** （c） copyright 2007 stmicroelectronics ********************
*stm32f10*** 双通道adc数据采集并通过enc28j60实现udp通讯传输
*作者：alien2006
*环境：keil for arm mdk 3.15b
*版本：v0.2
*时间：20071202
*说明：v0.2
*一、网络通讯部分
*1、先采用stm32 spi轮询方式进行传输试验，ping 192.168.1.100 -l 1400 -n 10
*在轮询方式下未改进spi1_sendbyte（）函数（内部直接用st提供的函数语句）需 avg=9ms时间
*轮询方式下将spi1_sendbyte（）函数中的4条语句修改为直接寄存器存取后avg提高到7ms
*轮询方式下取消spi1_sendbyte（）直接代之以函数中四语句avg提高到6ms
*经过上述的逐步修改，传输udp1400个字符时双向传输（接收1400个字节再发送这1400个字节）间隔4ms可达210kb/s
*2、enc28j60.c修改增加stm32 spi传输dma和非dma编译选项，dma方式下网络最大传输速度测试达到350kb/s
*3、改进了zyp_udp.c实现了当要发送的udp数据长度超过单帧所能容纳时，将udp数据
*自动进行分组，并可在编译时自定义每个分组长度;
*改进了enc28j60.c加入了enc28j60dma空闲和网络发送完毕的判断，解决了当发送速度过快时导
*致传输出错问题。测试单向发送速度超过500kb/s;
*二、stm32数据采集部分
*1、adc1/adc2实现并行同时数据采集，12bit最高可达1msps采样速度并通过stm32的dma传输放入内存中
*2、tim2 cc2实现对adc采样的触发，adc_sample_frequency_set函数实现自定义tim2 oc2频率输出，
*3、采样的频率和采样个数通过接收到的udp控制命令来指定
*采样的频率为20hz~1mhz;
*采样深度为1~4000个数据（受限于stm32内存20kb容量，一个数据为2个12bitadc通道读数，需一个word）
*4、定义了简单的udp控制命令结构，用于实现与pc通讯和控制采样频率和采样深度
*三、其他
*1、程序待解决问题：udp分组发送出错问题未完全解决，有待进一步解决
*2、期待增加模拟前端电路，并实现放大倍数程控，通过上位机程序可以设置
*
* v0.1：最初程序，实现简单固定频率和深度的并行adc采样和udp通讯，并编制了简单的上位机程序，
*可以进行采样波形的显示
检查与预防PCB电路板短路的6个方面详解
CDN到底有多重要，电商网站服务器为什么需要它
天马前三季度OLED出货暴涨300%
工业机器人周边运动控制部分有哪些？
用氮化镓消除激光雷达的障碍
基于STM32内置ADC实现简易示波器的程序设计与实现
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