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2024寒假练 - 基于STM32G031 && Qt上位机实现简易示波器、频谱仪、信号发生器
该项目使用了STM32G031、Qt，实现了简易示波器、频谱仪、信号发生器的设计，它的主要功能为：检测波形电压信息，控制生成方波，界面显示。
标签
嵌入式系统
显示
ADC
开发板
Ccc111
更新2025-03-13
广东东软学院
33

1、项目介绍

项目要求如下：

  1. 使用STM32G031平台进行数据采集及信号产生
  2. 通过USB同PC进行数据传输
  3. 在上位机上编写简单的仪器控制界面，实现双通道示波器和单通道信号发生器的功能 - 显示波形以及基本的参数

a.被测信号的峰峰值和平均值

b.被测信号的周期

c.FFT后的频谱

2、简短的使用到的硬件介绍

Fu3fI-_9ppzaAAM2CySijKm94yVq

image.png

  1. 使用了硬件SPI驱动OLED
  2. 使用了外部中断去检测按键与编码器旋钮
  3. TIM3去作为PWM信号发生
  4. 两个GPIO引脚去控制放大器倍数
  5. TIM14和TIPM16的PWM引脚控制直流偏置
  6. PA1与PA7为ADC1的两个通道

3、方案框图和项目设计思路介绍

b89ef88d145e5165c9d201f6fc68968.jpg

通过对项目要求的思考，为了减少下位机的负担，我觉得仅使用下位机做采集的功能，不适用下位机去进行FFT和频率周期等等参数的运算，通过STM32的ADC功能采集了数据之后，通过串口去发送给上位机，在上位机去完成计算。并且使用上位机去发送信号发生器的数据给下位机。OLED与按键编码器是为了方便调试的时候进行数据的查看的。

4、软件流程图和关键代码介绍

b903262e5cce849dad6f53f3587d788.jpg

1、串口通信协议

串口通信协议是上位机与下位机交互的主要部分，也就是这一部分将数据互相传输，才能使得上位机正常显示。

//上位机发送部分//
void Widget::Send_Data()
{
    QByteArray Data;

    //起始位校验//
    Data.append(static_cast<uint8_t>(Frame_Header));
    //起始位校验//

    //00不设置 11方波 22三角波 33正弦波//
    if(Wave_Flag == 1)Data.append(static_cast<uint8_t>(0x11));
    else Data.append(static_cast<uint8_t>(0x00));
    // else if(Wave_Flag == 2)Data.append(static_cast<uint8_t>(0x22));
    // else if(Wave_Flag == 3)Data.append(static_cast<uint8_t>(0x33));
    //00不设置 11方波 22三角波 33正弦波//

    Data.append(static_cast<char>(STM_Duty >> 8));
    Data.append(static_cast<char>(STM_Duty & 0xFF));
    Data.append(static_cast<char>(STM_Freq >> 8));
    Data.append(static_cast<char>(STM_Freq & 0xFF));

    //结束位校验//
    Data.append(static_cast<uint8_t>(Frame_End));
    //结束位校验//

    if (Serial_Port->isOpen())
    {
        qint64 bytesWritten = Serial_Port->write(Data);
        if (bytesWritten == -1)qDebug() << "Failed to write to serial port:" << Serial_Port->errorString();
        else if (bytesWritten != Data.size())qDebug() << "Incomplete write to serial port.";
        else qDebug() << "Data sent successfully, bytes written:" << bytesWritten;
    }
}
//上位机发送部分//

//上位机接收部分//
void Widget::Process_Data()
{
    int Temp;

    //数据过少直接退出//
    if(Adc_Buf.size() < 5)
    {
        qDebug() << "Buffer is less than 5";
        Adc_Buf.clear();
        return;
    }
    //数据过少直接退出//

    //起始位校验//
    Temp = Adc_Buf.indexOf(Frame_Header);
    if(Temp == -1)
    {
        qDebug() << "Frame header not found";
        Adc_Buf.clear();
        return;
    }
    else if(Temp > 0)
    {
        Adc_Buf.remove(0, Temp);
        return;
    }
    //起始位校验//

    //获取数据长度//
    int Length = static_cast<uint8_t>(Adc_Buf.at(1)) * 2 * 2;
    if(Length < 0)
    {
        qDebug() << "Invalid data length";
        Adc_Buf.clear();
        return;
    }
    //获取数据长度//

    //数据不完整//
    if(Adc_Buf.size() < 3 + Length)
    {
        qDebug() << "Data is incomplete.";
        return;
    }
    //数据不完整//

    //提取数据//
    QByteArray Packet = Adc_Buf.mid(2, Length);
    //提取数据//

    //结束位校验//
    Temp = Adc_Buf.size() - 1;
    if(Adc_Buf[Temp] == Frame_End)
    {
        if(Packet.size() % 2 == 0)
        {
            for(int i = 0;i < Packet.size();i += 4)
            {
                //解析数据//
                uint16_t CH1_High_Byte = static_cast<uint16_t>(static_cast<uint8_t>(Packet[i])) << 8;
                uint16_t CH1_Low_Byte = static_cast<uint8_t>(Packet[i + 1]);
                uint16_t CH1_Value = CH1_High_Byte | CH1_Low_Byte;
                uint16_t CH2_High_Byte = static_cast<uint16_t>(static_cast<uint8_t>(Packet[i+2])) << 8;
                uint16_t CH2_Low_Byte = static_cast<uint8_t>(Packet[i + 3]);
                uint16_t CH2_Value = CH2_High_Byte | CH2_Low_Byte;
                //解析数据//

                //存储数据//
                Adc_Data_CH1.append(CH1_Value);
                Adc_Data_CH2.append(CH2_Value);
                //存储数据//
            }
        }
        Adc_Buf.remove(0, 3 + Length);
    }
    else
    {
        //qDebug() << "Frame end not found";
        Adc_Buf.clear();
        return;
    }
    //结束位校验//
}
//上位机接收部分//
//下位机发送部分//
void Usart_Send_uint16(uint16_t Data)
{
	uint8_t Temp;
	Temp = (Data >> 8) & 0xFF;
	HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, &Temp, 1, HAL_MAX_DELAY);
	Temp = (Data & 0xff);
	HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, &Temp, 1, HAL_MAX_DELAY);
}

void Send_Data(uint16_t *Array, uint8_t Array_Length)
{
	uint8_t Temp;
	
	//发送起始位//
	Temp = Start_Flag;
	HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, &Temp, 1, HAL_MAX_DELAY);
	//发送起始位//
	
	//发送数据长度//
	Temp = Array_Length;
	HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, &Temp, 1, HAL_MAX_DELAY);
	//发送数据长度//

	//发送数据//
	for(uint16_t i = 0;i < Array_Length * 2;i++)
	{
		//CH1//
		if(i % 2 != 0)Usart_Send_uint16(Array[i]);
		//CH1//

		//CH2//
		if(i % 2 == 0)Usart_Send_uint16(Array[i]);
		//CH2//
	}
	//发送数据//

	//发送结束位//
	Temp = End_Flag;
	HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, &Temp, 1, HAL_MAX_DELAY);
	//发送结束位//
}
//下位机发送部分//

//下位机接收部分//
if(Receive_Flag)
{
	Send_Data(Adc_Buf,200);
	Duty = (Receive_Buf[2] << 8) | Receive_Buf[3];
  Freq = (Receive_Buf[4] << 8) | Receive_Buf[5];
  
  //载入数据//
  if(Receive_Buf[1] == 0x11)Set_Pwm(htim3, TIM_CHANNEL_3, Freq, Duty);
  //载入数据//
  
  Receive_Flag = 0;
}
//下位机接收部分//

2、波形基本参数计算

通过过零点法去计算出波形的周期、频率、峰峰值、平均值等等参数，并且显示到Qt界面上

void Widget::Calculate_Period_And_Frequency()
{
    if(Volatage_Flag == 0 && Adc_Data_CH1.isEmpty() && Adc_Data_CH2.isEmpty())return;
    if((Volatage_Flag == 1 || Spectrum_Flag == 1) && Adc_Data_CH1.isEmpty())return;
    if((Volatage_Flag == 2 || Spectrum_Flag == 2) && Adc_Data_CH2.isEmpty())return;

    uint16_t minValue_CH1 = 4095; //最小值
    uint16_t maxValue_CH1 = 0;    //最大值
    uint32_t sum_CH1 = 0;         //用于计算平均值
    uint16_t minValue_CH2 = 4095; //最小值
    uint16_t maxValue_CH2 = 0;    //最大值
    uint32_t sum_CH2 = 0;         //用于计算平均值

    for(int i = 0; i < Adc_Data_CH1.size(); i++)
    {
        if (Adc_Data_CH1[i] < minValue_CH1) minValue_CH1 = Adc_Data_CH1[i];
        if (Adc_Data_CH1[i] > maxValue_CH1) maxValue_CH1 = Adc_Data_CH1[i];
        sum_CH1 += Adc_Data_CH1[i];
    }
    for(int i = 0; i < Adc_Data_CH2.size(); i++)
    {
        if (Adc_Data_CH2[i] < minValue_CH2) minValue_CH2 = Adc_Data_CH2[i];
        if (Adc_Data_CH2[i] > maxValue_CH2) maxValue_CH2 = Adc_Data_CH2[i];
        sum_CH2 += Adc_Data_CH2[i];
    }

    //计算峰峰值//
    float Peak_Peak_CH1 = static_cast<float>(maxValue_CH1 - minValue_CH1);
    Peak_Peak_CH1 = Peak_Peak_CH1 * 3.3 / 4095;
    float Peak_Peak_CH2 = static_cast<float>(maxValue_CH2 - minValue_CH2);
    Peak_Peak_CH2 = Peak_Peak_CH2 * 3.3 / 4095;
    //计算峰峰值//

    //计算平均值//
    float Ave_Value_CH1 = static_cast<float>(sum_CH1) / Adc_Data_CH1.size();
    Ave_Value_CH1 = Ave_Value_CH1 * 3.3 / 4095;
    float Ave_Value_CH2 = static_cast<float>(sum_CH2) / Adc_Data_CH2.size();
    Ave_Value_CH2 = Ave_Value_CH2 * 3.3 / 4095;
    //计算平均值//

    //计算周期和频率//
    double Ch1_Rate = 50000;  //采样率
    double CH1_Period;
    int CH1_Frequency;
    double Ch2_Rate = 50000;  //采样率
    double CH2_Period;
    int CH2_Frequency;

    double Zero_Point_CH1 = static_cast<float>(sum_CH1) / Adc_Data_CH1.size();
    double Zero_Point_CH2 = static_cast<float>(sum_CH2) / Adc_Data_CH2.size();
    QVector<int> Zero_CH1; //过零点
    QVector<int> Zero_CH2; //过零点

    for(int i = 1; i < Adc_Data_CH1.size(); i++)
    {
        if
            (
                (Adc_Data_CH1[i - 1] < Zero_Point_CH1 && Adc_Data_CH1[i] >= Zero_Point_CH1) || // 从下到上过零
                (Adc_Data_CH1[i - 1] > Zero_Point_CH1 && Adc_Data_CH1[i] <= Zero_Point_CH1)
            )Zero_CH1.append(i);
    }
    if(Zero_CH1.size() < 2)
    {
        CH1_Frequency = 0;
        CH1_Period = 0;
    }
    else
    {
        double TotalInterval = 0;
        for(int i = 1; i < Zero_CH1.size(); i++)TotalInterval += (Zero_CH1[i] - Zero_CH1[i - 1]);
        double averageInterval = TotalInterval / (Zero_CH1.size() - 1);
        CH1_Period = 2 * (averageInterval / Ch1_Rate);
        CH1_Frequency = static_cast<int>(1 / CH1_Period);
    }

    for(int i = 1; i < Adc_Data_CH2.size(); i++)
    {
        if
            (
                (Adc_Data_CH2[i - 1] < Zero_Point_CH2 && Adc_Data_CH2[i] >= Zero_Point_CH2) || // 从下到上过零
                (Adc_Data_CH2[i - 1] > Zero_Point_CH2 && Adc_Data_CH2[i] <= Zero_Point_CH2)
                )Zero_CH2.append(i);
    }
    if(Zero_CH2.size() < 2)
    {
        CH2_Frequency = 0;
        CH2_Period = 0;
    }
    else
    {
        double TotalInterval = 0;
        for(int i = 1; i < Zero_CH2.size(); i++)TotalInterval += (Zero_CH2[i] - Zero_CH2[i - 1]);
        double averageInterval = TotalInterval / (Zero_CH2.size() - 1);
        CH2_Period = 2 * (averageInterval / Ch2_Rate);
        CH2_Frequency = static_cast<int>(1 / CH2_Period);
    }
    //计算周期和频率//

    //ui显示//
    ui->One_Ave->setText(QString::number(Ave_Value_CH1));
    ui->One_PeakPeak->setText(QString::number(Peak_Peak_CH1));
    ui->One_Freq->setText(QString::number(CH1_Frequency));
    ui->One_Period->setText(QString::number(CH1_Period, 'f', 6));
    ui->Two_Ave->setText(QString::number(Ave_Value_CH2));
    ui->Two_PeakPeak->setText(QString::number(Peak_Peak_CH2));
    ui->Two_Freq->setText(QString::number(CH2_Frequency));
    ui->Two_Period->setText(QString::number(CH2_Period, 'f', 6));
    //ui显示//
}

3、电压的计算与显示

通过通信协议获取数据之后将AD值转换为电压，然后显示到Qt图表中

//显示CH1时域//
Series1->clear();
for(int i = 0; i < Adc_Data_CH1.size(); i++)
{
		//刷新图表//
    double Voltage = Adc_Data_CH1[i] * 3.3 / 4095;
    Series1->append(i, Voltage);
    Chart->axisX()->setRange(0, 200);
    Chart->axisY()->setRange(0,3.3);
    //刷新图表//
}
//显示CH1时域//

4、频谱的计算与显示

通过Kiss_FFT库里面的FFT算法。去计算出频谱然后显示到Qt图表中

void Widget::Calculate_Spectrum()
{
    //将时域数据填充到FFT输入//
    int dataSize;
    if(Spectrum_Flag == 1)dataSize = Adc_Data_CH1.size();
    if(Spectrum_Flag == 2)dataSize = Adc_Data_CH2.size();
    for(int i = 0;i < fftSize;i++)
    {
        if(i < dataSize)
        {
            if(Spectrum_Flag == 1)fftInput[i].r = Adc_Data_CH1[i] * 3.3 / 4095; // 实部
            if(Spectrum_Flag == 2)fftInput[i].r = Adc_Data_CH2[i] * 3.3 / 4095; // 实部
            fftInput[i].i = 0; // 虚部（设为 0）
        }
        else
        {
            fftInput[i].r = 0;
            fftInput[i].i = 0;
        }
    }
    //将时域数据填充到FFT输入//

    //执行FFT//
    kiss_fft(fftConfig, fftInput, fftOutput);
    //执行FFT//

    //计算频谱幅度//
    QVector<double> spectrumMagnitude(fftSize / 2);
    for(int i = 0; i < fftSize / 2; i++)
    {
        double magnitude = sqrt(fftOutput[i].r * fftOutput[i].r + fftOutput[i].i * fftOutput[i].i);
        spectrumMagnitude[i] = magnitude;
    }
    //计算频谱幅度//

    //更新频谱图表//
    Update_Spectrum_Chart(spectrumMagnitude);
    //更新频谱图表//
}

void Widget::Update_Spectrum_Chart(const QVector<double>& spectrumMagnitude)
{
    if(Spectrum_Flag == 1)Series3->clear();
    if(Spectrum_Flag == 2)Series4->clear();
    double Rate = 500000; // 采样率
    double frequencyResolution = Rate / fftSize;

    for (int i = 0; i < spectrumMagnitude.size(); i++)
    {
        double frequency = i * frequencyResolution;
        if(Spectrum_Flag == 1)Series3->append(frequency, spectrumMagnitude[i]);
        if(Spectrum_Flag == 2)Series4->append(frequency, spectrumMagnitude[i]);
    }

    Chart->axisX()->setRange(0, Rate / 2);
    Chart->axisY()->setRange(0, *std::max_element(spectrumMagnitude.begin(), spectrumMagnitude.end()));
}

5、功能展示图及说明

  1. 单通道采集图：

接入板子的PA0接口，通过ADC去获取数值，然后通过串口去发送给上位机处理数据并且显示出来。

image.png

2.双通道采集图

接入板子的PA0与PA7接口，通过ADC去获取数值，然后通过串口去发送给上位机处理数据并且显示出来。

image.png

3.波形频谱显示

点击波形切换频谱

image.png

image.png

3.信号发生器设置

1740716954440.jpg

ce700e02a9f5c24ee9f4999eeb8110f.jpg


6、项目中遇到的难题和解决方法

  1. 没有了解过FFT，不知道如何实现。解决方法：使用KissFFT轻量化库，在网上找相关的资料去移植。
  2. 之前只接触过STM32F103系列的单片机，仅了解官方标准库的编程，但是本次STMG031系列的单片机不支持标准库的编程。解决方法：学习HAL库的编程。
  3. 刷新图表过于频繁，导致卡顿。解决方法：使用定时器，在定时器中的槽函数中去刷新图表。

7、对本次活动的心得体会（包括意见或建议）

  1. 学习到了上位机的编程，了解了Qt的基本使用方法。
  2. 学习到了STM32HAL库的编程，以及CUBEIDE的使用。
  3. 建议以后的活动可以再进一步的升级使用的主控芯片，并且可以详细的出一下系统的上位机学习教程。
软硬件
附件下载
Oscillograph.rar
上位机
Oscillograph.rar
下位机
团队介绍
基于STM32G031 && Qt上位机实现简易示波器、频谱仪、信号发生器
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