内容介绍

2025寒假练-基于STM32G031的测试测量训练平台完成虚拟仪器实现

项目介绍

本项目使用硬禾学堂的STM32G031简易示波器学习板，完成了基于STM32的虚拟仪器实现任务。主要实现了以下功能：

使用STM32G031片上ADC进行数据采集，利用串口发送到上位机虚拟仪器，虚拟仪器使用QT编程实现，对采样数据进行处理，包括显示波形、计算峰峰值、平均值、频率、频谱等。

硬件部分使用STM32G031平台进行数据采集，使用板上的OLED显示采集状态，利用板上的串口，通过USB同PC进行数据传输。

软件部分使用QT编写上位机，编写简单的仪器控制界面，实现通道示波器的的功能。上位机主要实现了以下功能：显示波形以及基本的参数，参数包括被测信号的峰峰值和平均值、被测信号的周期、FFT后的频谱。
项目的详细介绍可以参考视频链接：

硬件介绍

项目的方案硬件框图如图所示：

项目整体使用cubeMX进行配置，整体配置如下所示：

ADC转换驱动
使用定时器TIM2驱动ADC进行转换，TIM2的配置如下：

ADC的配置如下：

16MHz的时钟，分频后得到1MHz，ARR = 100，得到10kHz的采样频率；所以采集的模拟数据的频率应该低于5kHz，所以此时有效的频谱的范围在0-5KHz之内。相邻两次采样的时间间隔为：0.1ms。
考虑到采样率还有进一步提升的空间，将ARR设置为50，采样的时间间隔变为0.05ms。

ADC将采集到的数据通过DMA方式保存在数组中，同时开启连续转换模式，只用在转换完成设定次数后，才会触发ADC转换完成的中断回调函数。

ADC中断回调函数
ADC中断回调函数的处理逻辑如下：

void  HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc){
	if( hadc->Instance == ADC1 ){
		HAL_ADC_Stop_DMA( &hadc1);
//		HAL_UART_Transmit(&huart2, &tx_frame ,sizeof(ADCFrame) , HAL_MAX_DELAY);
		if(adc_conv_cnt< CONV_DATA_LEN ){
			tx_frame.adc_value[adc_conv_cnt]= calc_average(adc_conv_data, CONV_DATA_AVG);
			adc_conv_cnt++;
		}
		else{
			adc_conv_cnt = 0;
			HAL_UART_Transmit(&huart2, &tx_frame ,sizeof(ADCFrame) , HAL_MAX_DELAY);
		}
		HAL_ADC_Start_DMA( &hadc1, adc_conv_data , CONV_DATA_AVG);
//		HAL_ADC_Start_DMA( &hadc1, tx_frame.adc_value , CONV_DATA_LEN);
	}
}

其中的几个重要参数解释：
#define CONV_DATA_LEN 256 通过串口每次向上位机发送的转换数据的个数。
#define CONV_DATA_AVG 32，也就是DMA在获得CONV_DATA_AVG次ADC的转换结果之后，进入ADC的中断回调函数。
回调函数首先关闭ADC转换，统计已经获得的转换结果的次数。如果次数没有达到CONV_DATA_LEN，就计算转换结果的平均值，写入到数组中，转换次数加1。如果达到了，就通过串口将转换结果发送到上位机。发送结果封装为帧，帧的结构定义为：

typedef struct {
    uint16_t header;     // 0x55AA
    uint16_t adc_value[CONV_DATA_LEN];
    uint16_t footer;     // 0xAA55
} ADCFrame;
extern ADCFrame tx_frame;

通过帧头与帧尾识别数据传输的开始与结束。
也就是说，收集32个数据取平均值，收集满256个数据后发送一段数据帧，每个数据帧代表 322560.05 = 409.6ms时间段内的数据。

如果要更加精细的显示更高频率的波形，可以通过修改TIM2的时钟改变采样率，减少CONV_DATA_AVG的值即可。但是每一帧数据在上位机的展示范围也会减小。

ADC的校准
控制ADC零漂，也就是ADC在没有输入时，其输出应该也是0，而且在噪声干扰下，转换结果也应该维持在零点上下。根据视频的教程，根据原理图计算

可以看出输入反相，二级管接1M电阻时，反馈回路中并联的电阻总阻值为0.5M欧姆，计算公式:
$ $\frac{V _{in} - V _{pw m}}{R _{16}} = \frac{V _{pw m} - V _{o u t}}{R _{17} // R _{21}}$ $
可以计算得到，如果满足 $V_{in} = 0$ 且 $V_{o u t} = 0$ ，需要 $V_{pw m} = 1.1 V$ ，根据PWM的原理，输出1.1直流的电压，配置应该设置为；

实际的测试证明，ARR控制PWM的频率，该频率过低时，将不能保证输出的信号稳定在1.1V.

为了验证以上的结论，编写了一下代码进行测试，PWM的测试代码如下：

		uint32_t adc_data = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
		uint16_t ccr = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
		if( adc_data < 2048 ) ccr++ ;
		else ccr--;
		 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4, ccr);
		sprintf(tx_uart,"%d %d",adc_data,ccr);
		OLED_ShowString(2, 40, tx_uart, 12, 1);
		OLED_Refresh();

运行测试代码可以得到，ccr的取值稳定在了333附近，与理论计算的数据接近。

OLED显示
此部分在教程中有详细的介绍，可以参考网站视频教程，本次工程使用的是硬件SPI驱动OLED屏幕进行显示，驱动函数已经完成。

QT上位机软件设计

软件流程图和关键代码介绍

上位机的功能如图所示：

绘制图形时采用QCustomPlot库绘图，使用QSerialPort库进行串口间的通信。其他使用到的控件包括ComoboBox、PushButton、LCD。这些控件的使用很容易，在ui界面上拖动放在合适位置，编辑控件的名称、z在Mianwindow通过ui->name进行访问与设置，右键点击可以设置控件处理的槽函数。下面介绍一下各个功能的实现：

串口收发

首先扫描有效串口，在comoBox中显示。QSerialPortInfo::availablePorts()直接返回当前可用串口，可以进行设置。

    foreach (QSerialPortInfo info , QSerialPortInfo::availablePorts() ) {
        QString str =  info.portName()+":"+info.description();
        ui->comobox_serialport->addItem(str );
    }

对选中的串口进行设置：

    int i = ui->comobox_serialport->currentIndex();
    QSerialPortInfo info = comList.at(i);
    comPort.setPort( info );
    comPort.setPortName( info.portName() );
    comPort.setBaudRate( QSerialPort::Baud115200 );
    comPort.setDataBits( QSerialPort::Data8 );
    comPort.setStopBits(QSerialPort::OneStop );
    comPort.setParity( QSerialPort::NoParity );
    comPort.setFlowControl( QSerialPort::NoFlowControl );

使用方法comPort.open( QIODevice::ReadWrite )与comPort.readAll()、comPort.write(cmd)可以完成串口的打开、收发。

数据帧接收处理

前面有过数据帧的规定，由于发送的数据帧较长，serialport的缓冲区读取一次可能不能读取完整，所以有：

 if( readByte.startsWith("\x55\xAA") && is_rx_frame_start == false ){
            is_rx_frame_start = true;
        }
        else if( readByte.endsWith("\xAA\x55") && is_rx_frame_start == true  ){
           ···
		   ···
        }
        else if( readByte.startsWith("\xCC\xAA") && readByte.endsWith("\xAA\xCC") && readByte.size()==8  ){
			···
			···
        }
        if( is_rx_frame_start == true ){
            rx_buffer.append( readByte);
        }

接受到一帧数据后，要去除帧头与帧尾，进行滤波，该上位机提供了两种滤波方式与无滤波处理，方便进行对比。

使用脉冲滤波
不采用滤波

滤波处理完成后的函数即可计算峰峰值与平均值，在lcd上进行显示。

3.使用Eigen库计算FFT
在QT上添加Eigen库，使C++支持FFT运算。
只需要调用fft.fwd(spectrum, input);方法即可。在计算之前需要去直流、添加汉宁窗：

    Eigen::VectorXcd spectrum(N);
    input.array() -= input.mean();//去直流

    Eigen::VectorXd window = Eigen::VectorXd::Zero(N);
    for(int i = 0; i < N; ++i) {
        window[i] = 0.5f * (1 - std::cos(2 * M_PI * i / (N - 1)));
    }
    input.array() *= window.array();//汉宁窗

FFT加汉宁窗通过抑制截断效应引起的频谱泄漏，平衡主瓣宽度与旁瓣衰减，适用于存在邻近干扰的情况。array()方法表示该数组以逐个元素的形式，而不是矩阵的形式，进行运算。

统计周期

计算周期可以通过寻找FFT中的最大频率分量得到，方法很简单，但是需要对齐FFT结果的下标与实际的频率分量：

 	plot_spectrum = eigenFFT(raw_num);
        int max_index = 0;
        double max = -10000.0;
        for( int i=0;i<plot_spectrum.size();i++ ){
            if( plot_spectrum[i]>max ){
                max = plot_spectrum[i];
                max_index = i;
            }
        }

第二种方法是通过计数的方式确定，通过迟滞比较的方法确定上升沿的个数，统计在这一段数据帧中，出现了对少个上升沿，然后除以这一段数据帧的时间上度，就可以得到1s内出现多少次上升沿，也就是周期。

    	const double HYSTERESIS_RATIO = 0.1; // 迟滞比例
		double hysteresis = HYSTERESIS_RATIO * (threshold - Vmin);
        bool lastState = false;
        //double lastEdgeTime = -MIN_PERIOD*2;
        for(int i=1; i< calc_period.size(); ++i){
            //滞回比较， 上升沿检测
            bool currentState = (calc_period[i] > threshold) && (calc_period[i-1] < (threshold - hysteresis));
            if(currentState && !lastState){
                rise_edge++;
            }
            lastState = currentState;
        }
        double step =  (1.0/Fs)*2 * 32*256 ;
        ui->lcd_period->display( rise_edge/step );

这两种方法切换可以通过调整comoBox的选中项进行。

心得体会

在参与电子森林2025寒假在家练“STM32虚拟仪器设计”活动的过程中，我深刻体会到理论与实践结合的重要性，同时也积累了嵌入式开发与虚拟仪器设计的宝贵经验。通过实践，我认识到虚拟仪器的核心优势在于灵活性：通过软件定义功能，硬件仅作为执行单元。此次活动不仅让我掌握了STM32与虚拟仪器的联合开发技术，更培养了从问题定义到系统实现的完整工程思维。