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1、基于STM32F4的便携式示波器数据处理 端设计王立华张恒孙少通扈玮张瑞山东科技大学电子通信与物理学院摘要：针对目前传统示波器体积较大、不易于携带且无法远程观测信号的问题，提出了 一种蓝牙便携式示波器数据处理端设计方案。其采用STM32F4微控制器作为主控 核心，实现了波形的采集、处理及相关参数的计算;运用Android手机应用软件 (APP)作为显示界面，以控制信号通信的方式建立与APP显示界面相对应的水 平时基分辨率、垂直电压分辨率及位置分辨率数学函数关系。信号波形显示和存 储的结果以及参数的计算数据表明，该数据处理端设计方案是可行的。关键词：微控制器;蓝牙便携式示波器;数据处理端;作者简
2、介：王立华(1971),男，副教授，主要从事嵌入式应用、光伏发电技 术和通信技术的研究。收稿日期：2017-06基金：国家自然科学基金资助项目(61471224)Design of Data Processing Part for Portable Oscilloscope Based on STM32F4WANG Li-him ZHANG Heng SUN Shao-tong HU Wei ZHANGRuiSchool ofElectronic Cooiunication andPhysics,Shandong University of Science and Technology;Abs
3、tract：In view of the problem that the traditional oscilloscope has a large volume, is inconvenient to carry and cannot remotely observe the signal, a design scheme of data processing part with the Bluetooth portable oscilloscope is proposed. Tt uses STM32 F4 microcontrol 1 er as the main control cor
4、e, and realizes the waveform acquisition， processing and calculation of related parameters. It utilizes Android mobile phone application ( APP) as the display interface. The mathematical relationship between the communication control signal and the horizontal time base resolution, ver tical volt age
5、 resol ut ion and posi ti on resol ution correspond ing to the APP display interface is established. The results of signal waveform display, storage and the calculation of waveform parameters show that the design scheme of the data processing part is feasible.Keyword：microco ntrol ler; bluetooth por
6、 table oscilloscope; data process ing par t;Received： 2017-06o引言目前广泛应用的传统数字存储示波器(DSO),其存在体积大、成木高、携带不 便和无法远程观测故障信号的缺陷吐1。针对以上缺陷，小型化、可便于携带 的DSO示波器是近年来的发展趋势多数便携式示波器设计使用LCD作为显 示设备，虽便于携带，但仍未解决远程信号观测的缺陷31。而且，数据处理 端是示波器的关键部分，其实现信号采样、存储、处理与参数计算的功能，数据 处理端的具体实现细节也涉及示波器的性能、成木、复杂度等问题6-9。基于 以上背景，为尽可能降低成本、提高性能且实现远
7、程信号观测，本文提出了一种 基于STM32F4的蓝牙便携式示波器数据处理端设计，其采用带有浮点运算单元、 高速ADC、高速DMA通道的STM32F4微控制器处理数据;以Android手机设备为 终端，方便携带且开发的蓝牙通信示波器APP实现了远程信号观测的功能。1数据处理端概述1. 1系统总体结构 蓝牙便携式示波器系统总体结构框架如图1所示，可分为三个部分:前向信号调 理通道、数据处理端和Android手机终端。图1中，前向信号调理通道包含多个输入通道，并且其内部结构同传统DS0设备 的信号调理通道基本一致；中间的虚线框为数据处理端，该数据处理端主要使用 高性能的STM32F4微控制器作为采样
8、、存储和处理的核心;虚线框下方为Android 手机终端，其通过使用蓝牙进行通信，同数据处理端完成数据传输。图1中STM32F4微控制器具体型号为STM32F446RET6。其采用Cortex-M4内核，内 部ADC采样速率为2.4 MS/S;内核集成浮点数运算单元（FPU）;芯片运行口寸钟高 达180 MHz;多个外设与DMA通道、FIFO通道相连，使数据可靠传输。图1系统总体结构框图下载原图 蓝牙无线通信选用蓝牙2. 0+EDR串口透传模块，最高支持2 Mbit/s的传输速率。 非易失存储器选择IC/SPI接口的EEPR0M类型芯片。L2数据处理端工作原理图1中，输入信号经信号调理通道调理
9、后传输至数据处理端，数据处理端通过 使用3个内部ADC器件的三重交叉采样模式，选用T1M定时器内触发通道触发 ADC器件进行釆样，釆样后的数据通过DMA通道传输至数据处理存储区。在数据 处理存储区内，对数据进行波形恢复处理和参数计算算法处理，处理的结果既 可通过IC/SPI接口保存波形数据至非易失存储器中，还可通过串口 UART发送至 蓝牙通信模块，最后蓝牙通信模块将数据发送至手机终端显示。2微控制器端功能实现2.1 ADC采样功能示波器带宽是关键的性能指标，其取决ADC器件的采样速率。STM32F446RET6芯 片中包含有三个内部ADC,每个ADC具有2. 4 MS/s的采样率。通过配置三
10、个ADC 为三重交叉采样模式来提高采样率，该模式以不同的初始间隔采样被测信号， 与单个内部ADC釆样周期相比，其多釆样了两次。三重交叉采样模式将示波器采 样率提高至7. 2 MS/s。内部ADC采样后，使用其专用的DMA通道进行采样数据 快速传输，通过配置设置DMA通道数据缓存长度、中断和地址自增减功能来实 现。2.2 TIM定时器内触发功能 对波形恢复需要控制ADC器件的采样间隔，即时基分辨率设置。考虑到外触发模 式需要高速比较器且在前向信号调理通道引出，设计较为复杂。故木文使用了 TIM定时器内触发通道设计，内部ADC器件可由TTM定吋器触发，通过设置定时 器的频率即可调节时基分辨率，其成
11、本几乎为零。但缺点是内部ADC器件的采样 会受到定时器触发频率的影响而造成带宽有所降低。2. 3数据处理存储区功能数据处理存储区使用数组实现，其与ADC器件的DMA通道相连，数据自动传输。 对每个输入通道均设有一个数组，用于处理和存储输入数据，数组长度与APP 界而水平分辨率相对应。数组数据处理和存储时均以组为单位。2. 4 UART和IC/SPI通信功能UART通信负责将数组的数据传输至蓝牙透传模块，然后发送至手机显示。UART 通信速率影响示波器远程观测信号的输入带宽，故木文使用最大波特率1 382 400,其余格式为1位停止位，无校验位。IC/SPI通信负责将数组的数据存储至 非易失存储
12、器中，本文使用的是快速400 kbit/s的硬件IC通信模式。2. 5 FPU功能设置在蓝牙便携式示波器中，通过开启浮点运算单元(FPU)来提高数据处理的速 度。在集成开发环境编译选项中添加_FPU_PRESENT二1和_FPU_USED二1宏定义来 启动FPU。3通信设计与处理算法3.1通信控制信号设计数据处理端和Android手机终端之间的数据传递采用发送控制信号的通信方式。 控制信号会在操作APP界面控件时发送。具体控制信号功能根据Android手机 APP界面内容来设计，图2为Eclipse软件下所设计的APP界面。图2 Android手机APP界面 下载原图 图2的APP界面中，波形
13、恢复显示所需要的数据分别为水平时基分辨率、垂育电 压分辨率和位置分辨率，这些分辨率都可通过操作控件进行增减来对不同参数 T输入信号波形的不同形态实现对应显示。相应的通信控制信号设计如表1所 示。Android手机显示波形后，通过操作APP界面的“” “”控件，手机端蓝牙将 会发送对应的控制信号给数据处理端，数据处理端收到信号根据信号的要求对 数据做出相应的数据处理，以对应的把恢复波形正确显示。值得注意的是:发送控制信号的格式除需求信号单独发送外，其余均为调整信 号、调整通道、调整值组成的数组，而调整值采用不为零的整数编码数实现。例 如:V0L_INDEX为1时，表示的是电压分辨率值2 V/di
14、v;VOL_INDEX为2时表示 电压分辨率值5 V/divo其中，分辨率值都固定为1-2-5递览。例如：1 ms/div、 2 ms/div. 5 ms/div 为递进的时基分辨率值;10 V/div、20 V/div、50 V/div 为递进的电压分辨率值。3. 2波形显示处理过程手机APP界面具有固定的绘制窗口分辨率，要在固定的分辨率下正确的将波形 恢复并显示需要结合调整参数值、APP界面分辨率和采样数据之间的相互关系来 实现。这里调整参数值主要指水平时基分辨率、垂直电压分辨率和位置分辨 率;APP界而分辨率是为了能和恢复波形产生一一对应的映射关系;采样数据大 小涉及信号电压大小，所以需
15、要控制其值以便防止恢复显示的波形越界和无法 对应界面的问题。波形显示处理流程如图3所示。为正确恢复波形并显示，本文在调整参数值、APP界面分辨率和釆样数据人小之 间建立数学关系式，具体如下：1）水平时基分辨率波形显示采用描点划线的方式，以APP界面分辨率大小进行扫描，得到T1M定时 器触发频率f刑计算式为：式中:际为APP界面水平分辨率，轴为T1M定时器触发频率，TB为时基分辨率。 TB的每一个1-2-5递进分辨率值都需进行编码，以对应调整值TB_IN-DEX,这些 值保存在微控制器中。接收控制信号的时基分辨率调整值后，根据编码值找出实 际的固定吋基分辨率值，经式（1）计算得岀并设置相应的TI
16、M定吋器触发频率 fTiM以实现时基的扫描控制。2）垂直电压分辨率釆样数据和APP界面分辨率决定波形显示的越界和实际电压大小对应关系，垂 直电压调整参数值决定恢复波形的放缩比。本文所用的采样数据位数和UART的 数据位数为8 Bit,所以最大值为256,考虑到APP界面分辨率会大于此值，所 以需要进行公式计算来得出具体需要发送至手机显示的值。采样的实际电压值 V沖可由式（2）给出：建立实际电压值V刑和垂直电压分辨率VB的对应关系:式中凡为ADC采样值，g、心分别为参考电压值和实际电压值，N为UART发 送值，VB为垂宜电压分辨率。由于VB是1-2-5方式递进的固定分辨率值，因此 通过联立式（2）、式（3）即可得出以256为限值的情况下，输入信号电压所对 应的UART发送显示值N。由于UART受数据位影响，发送数据无法大于256,但本文使用Eclipse
