发表于
2008-5-13 14:31:11
几周来学习STM32的阶段性成果:用STM32内置的1MspsADC进行数据采样，并通过ENC28J60以太网接口发送到PC上波形显示，实现低频示波器功能，在这里特别感谢下GRANT兄：）
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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！
说来也真是幸运，得到了GRANT兄相赠的STM32F103VB以及评估版的电路板，这些日子一直在学习STM32，不断地做实验，也算是稍微有点入门了，真是了解越多越喜欢这个芯片，呵呵。
想来这个论坛上对数据采样以及数字示波器感兴趣的朋友很多，下面我简单描述下实现方式，发帖也跟大家分享下我的喜悦：）
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
照片上的液晶屏是我的信号发生器的显示，显示信号的真有效值和频率。
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
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[i] = (BitConverter.ToUInt16(CommReceiveBuffer, 40 + 4 * (i + 0))) * (3.3 / 4096.0);
dADC2_Result[i] = (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 ? 0:(int )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[i] = 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;
}
}
}
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