1 项目需求
- 完成对板上音频信号的采集和波形显示，可以通过手机播放音乐或App产生音频信号的方式提供声音信号源，通过板上电路的放大、MCU中ADC的采集以后将波形显示在OLED屏幕上，可以通过板上按键的操作在两个方向（横轴 - 时间；纵轴 - 幅度）来扩展、压缩波形的显示，按键的功能可自行定义；
- 实现信号发生器的功能，能够产生2KHz以内的正弦波、三角波、方波三种常用波形，通过按键的操作能够实现频率可调、幅度可调，通过调整板上的R、C的值，可以最高生成200KHz的模拟信号；
- 能够通过Ain管脚测量外部模拟信号（0-3.3V，DC-200KHz），并能够对外部的周期性波形测量其周期和峰-峰值；
- 能够对采集到的信号进行FFT变换，并在屏幕上显示其基频及低次谐波（比如2、3、4、5次）的分量。
2 完成的功能及达到的性能
2.1 波形显示
显示波形时，按下L提高采样率，按下R降低采样率，采样率取值范围为1kHz、2.5kHz、5kHz、10kHz、25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、500kHz、1MHz，通过改变采样率来实现横轴的缩放。
Y轴（幅度范围）默认为自动调整，即程序自动根据采样序列调整Y轴中心电压值和缩放范围，使波形完整显示在屏幕上。通过菜单可以改为手动模式，即手动调整Y轴中心电压值和Y轴缩放范围。
左下角显示波形参数，可以显示时间轴分度值、信号峰峰值、直流分量和频率。
正下方显示当前状态，包含输入通道、触发状态和前述的Y轴缩放方式（A：自动缩放，MO (Manual Offset)：U/D按键调整Y轴中心电压值，MS (Manual Scale)：U/D按键调整Y轴缩放范围。
按下OK键可以暂停波形刷新，再按可以继续刷新。
2.2 触发显示和触发菜单
程序默认为上升沿触发，触发电平为1.68V。显示波形且触发开启时，屏幕正下方显示当前触发边沿（上升沿、下降沿）和触发状态（箭头点亮为触发成功、背景点亮为触发失败）。
长按R键打开触发菜单，在触发菜单中可以开启/关闭触发，选择触发边沿，选择自动触发还是单次触发。
2.3 示波器菜单
长按OK键打开示波器菜单，示波器菜单共有4项，分别是：波形/频谱显示切换、Y轴缩放方式、波形参数切换、通道切换（麦克风与板上信号输入）。LRUD四个按键用来对上述四项功能进行切换。
2.4 频谱显示
通过菜单切换至频谱显示时，屏幕显示信号的频谱，显示频率范围为直流至采样频率的一半。同样按下L提高采样率，按下R降低采样率。左下角显示频率轴分度值。
2.5 信号输出
长按L键打开输出菜单，在输出菜单中，可以开启/关闭信号输出，增加/降低输出信号的频率（步长100Hz，上限2kHz）、峰峰值（步长0.1V，上限3.3V）和调整输出波形（正弦波、三角波、方波）。
3 实现思路
- ADC对模拟输入进行采样，采样由定时器触发，采样结果由DMA搬运；
- 将采样得到的ADC量化值映射到屏幕坐标点上，实现波形显示；
- 按下按键调整采样频率，实现波形在时间轴上的扩展与压缩；
- 对采样序列进行FFT变换，绘制频谱；
- 信号参数的显示，如峰峰值、直流分量、信号频率等；
- 输出PWM波并通过RC低通滤波实现方波、正弦波、三角波的生成，通过按键改变PWM波的频率与占空比，从而改变输出信号的频率和幅度。
4 实现过程
4.1 程序流程图
注：每个框图右下角名称为执行该功能的主要文件
4.2 ADC对数据进行采样
为了方便进行FFT计算，ADC共采集256个采样点。每次ADC转换由定时器1触发，触发频率最高为1MHz，即ADC采样率最高为1Msps。ADC的转换结果直接由DMA搬运至内存。
ADC转换开始函数（定义位置：sample.c，调用位置：main.c）：
/**
* @brief Start a new sample sequence.
* @param[in] ADCValue Array to store incoming sample values.
* @retval None
*/
void start_sample(uint16_t *ADCValue)
{
HAL_Delay(1);
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)ADCValue, SAMPLE_POINTS);
}256次转换结束后进入中断，置位结束标志位，进入后续的数据处理程序。
ADC转换结束中断回调函数（定义位置：adc.c）：
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
if(hadc == &hadc1)
{
finish_sample();
}
}4.3 采样结果的处理
得到256个采样的ADC量化值后，根据触发电平选择波形起始点，返回起始点在数组中的下标，显示从起始点开始的100个点。
波形触发部分代码（定义位置：wave.c，调用位置：app.c，其中total_points=256, GRAPH_WIDTH=101）：
/**
* @brief Wave trigger.
* @param[in] ADCValue Array of sampled ADC values.
* @param[in] total_points Total sampled points.
* @retval Index of the trigger start point(>1). 0 means trigger off or failed.
*/
uint16_t trigger(uint16_t *ADCValue, uint16_t total_points)
{
uint16_t i;
uint16_t trigger_value = VOL2ADC(1.68);
if (!is_trigger_on())
return 0;
for (i = 1; i < total_points - GRAPH_WIDTH + 2; i++)
{
if (get_trigger_edge()) // falling edge
{
if (ADCValue[i-1] > trigger_value && ADCValue[i] <= trigger_value)
{
trigger_success();
if (is_trigger_single())
pause();
return i;
}
}
else
{
if (ADCValue[i-1] <= trigger_value && ADCValue[i] > trigger_value)
{
trigger_success();
if (is_trigger_single())
pause();
return i;
}
}
}
trigger_fail();
return 0;
}
取起始点后100个采样值使其显示在OLED屏幕上（一次性刷新）。为此需要将ADC量化值与OLED屏幕上的坐标进行线性映射。在自动模式（自动缩放y轴）中，程序自动找出量化值中的最大最小值，并使最大最小值也能不超出绘制范围以外，这样屏幕就可以显示完整的波形。
自动缩放y轴代码（定义位置：wave.c，调用位置：app.c）：
/**
* @brief Automatically find the central/max/min voltage on y-axis.
* @param[in] ADCValue Array of sampled ADC values.
* @note The function calculates the min/max voltage of the sampled signal,
* then find a proper scale voltage and a central voltage on y-axis.
* @retval None
*/
void auto_scale(uint16_t *ADCValue)
{
uint16_t a_max_value, a_min_value, a_pp_value;
float exact_voltage, floor_voltage, ceil_voltage;
get_max_min_pp_value(ADCValue, &a_max_value, &a_min_value, &a_pp_value);
voltage_range_auto_select(ADC2VOL(a_pp_value/2));
exact_voltage = ADC2VOL(a_max_value + a_min_value) / 2;
floor_voltage = (uint8_t)(ADC2VOL((a_max_value + a_min_value)*5)) / 10.0; //keep one decimal
ceil_voltage = floor_voltage + 0.1;
// round center_voltage
volt_on_y_axis.center_voltage = ceil_voltage - exact_voltage < exact_voltage - floor_voltage ? ceil_voltage : floor_voltage;
volt_on_y_axis.max_voltage = volt_on_y_axis.center_voltage + v_scale_list[v_scale_index];
volt_on_y_axis.min_voltage = volt_on_y_axis.center_voltage - v_scale_list[v_scale_index];
}
坐标映射代码（定义位置：wave.c，调用位置：app.c）：
/**
* @brief Generate y-coordinates of the wave.
* @param[in] ADCValue Array of sampled ADC values.
* @param[out] y Y-coordinate array of the wave.
* @note The function map ADCValues to OLED y coordinates.
* @retval None
*/
void generate_wave(uint16_t *ADCValue, uint8_t *y)
{
// Quantize y-axis min/max/central voltages to ADC values.
int16_t a_max_value = VOL2ADC(volt_on_y_axis.max_voltage);
int16_t a_min_value = VOL2ADC(volt_on_y_axis.min_voltage);
uint8_t i;
// Linearly map every ADC value to its coordinate.
for (i = 0; i < GRAPH_WIDTH - 1; i++)
{
if (ADCValue[i] <= a_max_value && ADCValue[i] >= a_min_value)
y[i] = (GRAPH_HEIGHT - 1) * (a_max_value - ADCValue[i]) / (a_max_value - a_min_value) + GRAPH_START_Y;
else if (ADCValue[i] > a_max_value)
y[i] = GRAPH_START_Y;
else if (ADCValue[i] < a_min_value)
y[i] = GRAPH_HEIGHT + GRAPH_START_Y - 1;
}
}
波形显示代码（定义位置：display.c，调用位置：app.c）：
/**
* @brief Display wave on OLED.
* @param[in] y Y-coordinate array of the wave.
* @retval None
*/
void display_wave(const uint8_t *y)
{
uint8_t x;
for (x = GRAPH_START_X; x < GRAPH_WIDTH - 1; x++)
OLED_DrawLine(x, y[x-GRAPH_START_X], x + 1, y[x-GRAPH_START_X+1], 1);
OLED_DrawPoint(x, y[x-GRAPH_START_X], 1);
}
在手动模式中，可以手动调节y轴的缩放范围和y轴中心电压值，但此时波形不一定会完整显示。得到采样点坐标后，使用OLED的绘制直线函数，连接屏幕上各个离散的点，就可以得到信号的波形。
当需要显示频谱时，就需要对所有的ADC的量化值进行256点FFT变换，由于FFT变换结果关于中心点对称，且屏幕x方向分辨率为128点，所以保留FFT需要为0~127的结果，进行线性映射后显示在屏幕上。
FFT的代码定义在fftutil.c中，对变换结果的处理及显示分别定义在spectrum.c和display.c中。
4.4 信号发生器
板上有一个1Kohm的电阻和10nF的电容构成的低通滤波器，截止频率为1.6KHz。若在该输出端输出频率足够的PWM信号，则输出电压大小就和PWM的占空比成正比。通过改变PWM的占空比就可以调节输出电压波形。通过实验可知，当信号的每一个周期由500个PWM脉冲组成时，信号的纹波较小。
以正弦信号为例，在程序外，在电脑中生成一个正弦信号，并在一个周期中进行500次采样，根据电压和PWM占空比的正比关系可以计算出500个PWM脉冲的占空比。将其定义为长度为500的数组写入程序。程序中使能PWM的DMA通道，这样就可以在每个PWM脉冲结束后自动将数组中的元素载入定时器输出比较寄存器，从而改变占空比。低通滤波器再将STM32产生的PWM脉冲转变为模拟信号，即可重新生成正弦波。方波和三角波同理。
开启PWM和DMA代码（定义位置：source.c，调用位置：app.c，其中SIGNAL_LENGTH=500）：
/**
* @brief Start signal output at Aux.
* @retval None
*/
void start_output(void)
{
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim2, TIM_CHANNEL_2, (uint32_t *)output_wave_value, SIGNAL_LENGTH);
}信号的幅度调节可以直接对上述数组每个元素乘一个常数来实现；频率调节首先要调节定时器的自动重载值（ARR），改变PWM的频率。为保证幅度不变，数组中每个元素也要同比例缩放。
5 遇到的主要难题
5.1 中断与DMA
项目共有两处使用DMA，分别用于储存ADC采样结果和调整输出PWM定时器的自动重载值（ARR）。如果用中断处理数据而非DMA，则会产生以下问题：
若在ADC转换完成中断中读取转换结果，则在一次采样序列（256点）中，中断频率过于频繁，且由于中断耗时，无法得到很高的采样率，最高只能达到几十kHz。若使用DMA，则只需在整个采样序列结束后进入中断，不会对采样造成影响。
若使用PWM中断更新自动重载值，中断耗时会使PWM频率产生偏差，且会对OLED屏幕的SPI时序造成影响，导致屏幕无法正常显示。若使用DMA更新自动重载值，则不需要PWM中断，更新耗时相比于中断有很大改善。
综上所述，在频率较高或需要频繁更新数据的情况，中断会带来各种各样的问题，而DMA则可以高效完成任务。
5.2 RAM和Flash大小（FFT优化）
项目使用的FFT算法根据Adafruit ZeroFFT修改而来。该算法最高可支持4096点FFT，其旋转因子表、窗函数表和信号序列数组占用空间极大。而本项目使用的STM32G031G8只有64K的Flash和8K的RAM，资源极为有限，无法直接运行ZeroFFT。
为此需要对ZeroFFT的代码进行优化。该项目只需256点FFT，删去256点之外的部分，缩短查找表，能极大减小RAM和Flash占用。
具体的优化步骤：
- 将Adafruit_ZeroFFT.h中的宏定义ZERO_FFT_MAX改为512。（对应256点FFT）
- 删去fftutil.c中ZeroFFT函数所有其他点数的FFT代码，只保留256点FFT的代码。同样删去窗函数中256点以外的部分和窗函数查找表。
- 此时fftutil.c中只调用了arm_common_tables.c中armBitRevTable和twiddleCoefQ15两个查找表，删去其他所有数组。
- 在fftutil.c中所有调用armBitRevTable和twiddleCoefQ15查找表的代码下面添加printf，用PC运行FFT程序，打印调用的下标。
- 以twiddleCoefQ15数组为例，原长度为6144；对于256点FFT，只有其中384个值被调用。PC中编写一个临时程序，根据调用的下标，用printf打印一个新的长度为384的查找表替换掉原来的。另一个查找表同理。
- fftutil.c中部分变量代表查找表的步进值，查找表改变后这些步进值也要改变。
- 此时FFT的代码应该就可以在STM32G0上运行了~
此外，由于Flash和RAM的资源有限，在FFT之外的其他很多地方也需要对空间进行优化，比如删去oled不需要的字库等。
5.3 PWM输出频率
由于电容的充放电，由PWM经过低通滤波输出的信号会有锯齿，信号幅度较低时锯齿更为明显，并会造成波形显示的不稳定。开始时输出信号一个周期内有50个PWM脉冲，即PWM的频率是信号频率的50倍，当信号幅度较低时锯齿极为明显，对输出波形造成极大干扰。将一个周期内PWM脉冲数提升至500，锯齿密度变大，同时幅度减小，对输出信号的干扰也减小。但同时储存输出信号幅度信息的查找表也变大10倍，消耗了更多的空间。
6 未来的计划建议
该项目已经成功实现了简易示波器和信号发生器的功能，并达到了预期指标。然而通过更换硬件，还有许多可以提升与扩展的地方：
- 板上的OLED屏幕分辨率较低，无法显示信号细节与更多信息。可以使用分辨率更高的屏幕，或将波形信息直接发送给上位机，由上位机进行显示。
- 主控芯片STM32G031的资源有限。可以更换更好的主控芯片，来提高采样率，采样点数等从而实现更高的性能。
- 可以对输入信号进行衰减，从而增大输入信号的电压范围。
- 增加模拟输入的通道，并添加波形的数学运算功能，如波形之间的加减。
- 改变输出端的RC值，扩展输出信号频率范围。
不更换硬件可以提升与扩展的地方（懒得做的部分）：
- 自动/手动调整触发电平。
- 改变输入信号耦合方式（直流/交流耦合）。
- 对输入信号进行数字滤波。
- 信号源实现更高的频率分辨率。
