项目总结报告
一、项目介绍
在2025年寒假在家一起练活动中，我选择的项目是基于STM32的虚拟仪器实现。该项目是将STM32G031示波器板卡同PC连接起来，利用PC的数据处理能力和大屏幕显示，以实现更好的测试测量效果。具体任务要求是：
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
二、硬件介绍
1.基于STM32G031微控制器，Arm Cortex M0+内核，主频为64MHz
2.两个按键+ 一个光电旋转编码器用于控制输入
3.一个SPI接口的OLED显示屏（128*128分辨率）
4.一路音频放大电路用于产生ADC的测试信号，并可作为测试电路使用
5.一个蜂鸣器用于音效输出
6.一路基于PWM的DDS信号输出，用于产生测试信号（任意波形）
7.两路增益可调的模拟信号输入，通过12bits ADC采集2mVpp - 30Vpp，带宽为100KHz的模拟信号
三、方案框图及项目设计思路
分析任务要求，项目主要由两部分构成：信号发生器和示波器。由于STM32G031板卡上并未提供DC模块，不能利用其产生任意波形，因此利用板卡上PWM和LPF电路来产生任意波形。示波器利用2路增益可调的模拟信号输入，通过12bits ADC采集2mVpp - 30Vpp，带宽为100KHz的模拟信号，数据由DMA传输，减少MCU的运行压力，通过USB和电脑进行数据传输，并在电脑上编写简单的上位机，利用电脑强大的算力进行数据处理，并在上位机上完成信号的波形绘制额相关参数的测量并显现。
四、软件流程图及关键代码
void HAL_GPIO_EXTI_Rising_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
switch(GPIO_Pin)
{
case KEY3_EXIT_Pin:
if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY5_GPIO_Port,KEY5_Pin)==1&&num==0)//反转
{
if(page_flag==0&&mode==0)
{
scan--;
if(scan==0) scan=4;
}
}
else if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY5_GPIO_Port,KEY5_Pin)==0&&num==1)//正转
{
if(page_flag==0&&mode==0)
{
scan++;
if(scan==5) scan=1;
}
}
break;
}
}
光电旋转编码器输入控制信号发生器界面参数的滚动浏览，光电旋转编码器顺时针旋转参数向下浏览，浏览时参数反色显示，当浏览最后一个参数时，继续顺时针旋转跳转至第一个参数。逆时针同理。
void HAL_GPIO_EXTI_Falling_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
switch(GPIO_Pin)
{
case KEY1_EXIT_Pin:
if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_EXIT_GPIO_Port,KEY1_EXIT_Pin)==GPIO_PIN_RESET)
{
HAL_GPIO_TogglePin(LED_G_GPIO_Port,LED_G_Pin);
if(page_flag==0)
{OLED_Clear();
mode^=1;
OLED_Clear();
}
if(page_flag==1)
{
switch(scan)
{
case 1:
frequency+=1000;
if(frequency>=6000) frequency=5000;
setparameters();
break;
case 2:
if(amplitude<160)
{
amplitude+=15;
setparameters();
}
break;
case 3:
WAVESTATE=(WAVESTATE+1)%4;
setparameters();
break;
case 4:
out_flag^=1;
break;
}
}
}
break;
case KEY2_EXIT_Pin:
if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_EXIT_GPIO_Port,KEY2_EXIT_Pin)==GPIO_PIN_RESET)
{
if(page_flag==1)
{
switch(scan)
{
case 1:
frequency-=1000;
if(frequency==0) frequency=1000;
setparameters();
break;
case 2:
if(amplitude>75)
{
amplitude-=15;
setparameters();
}
break;
case 3:
WAVESTATE=(WAVESTATE+1)%4;
setparameters();
break;
case 4:break;
}
}
}
break;
case KEY4_EXIT_Pin:
if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY4_EXIT_GPIO_Port,KEY4_EXIT_Pin)==GPIO_PIN_RESET)
{
if(mode==0)
{
page_flag^=1;
}
}
break;
case KEY3_EXIT_Pin:
if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY5_GPIO_Port,KEY5_Pin)==1){num=1;}
else num=0;
break;
}
}
这段代码主要是按键控制界面的切换，参数的变化，其中包括波形的产生，频率、幅度以及波形的控制。
void setparameters(void) {
const uint32_t SYSCLK = 64000000;
const float max_amp = 165.0f;
float amp_norm = amplitude / max_amp;
uint32_t arr_val = SYSCLK / (LEN * frequency) - 1;
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, arr_val);
TIM3->CNT = 0;
for(uint16_t i=0; i<LEN; i++) {
float value;
switch(WAVESTATE) {
case 0: // DC
value = amp_norm; // 0.0~1.0
break;
case 1: // Sine
value = 0.5f + 0.5f * amp_norm * sinf(2*3.1415926*i/LEN);
break;
case 2: // Square
value = (i < LEN/2) ? amp_norm : 0.0f;
break;
case 3: // Triangle
value = 2.0f * fabs((float)i/LEN - 0.5f) * amp_norm;
break;
default:
value = 0.0f;
break;
}
send_Buf[i] = (uint16_t)(value * arr_val);
send_Buf[i] = (send_Buf[i] > arr_val) ? arr_val : send_Buf[i]; // 限幅
}
}
这段代码是信号发生器的核心算法，用于产生四种基础波形（直流/正弦波/方波/三角波）的PWM控制信号，并通过send_Buf缓冲区输出到定时器外设，通过外部LPF电路产生相应波形。其中频率和幅度可调，每次波形参数发生变化时调用该函数，产生新的波形。
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
if(hadc->Instance == ADC1)
{
send_data_packet(); //发送数据包
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_value, 2); //重启DMA,搬运adc数据
}
}
这段代码在ADC1完成DMA数据转换时触发，自动发送采集到的数据包，并立即重启DMA进行下一轮双通道数据采集，实
现实时、连续的数据采集与传输循环。
五、功能展示及说明
图1 图2 图3 图4
界面UI设计借鉴了往届学长的布局。图1为上电时信号发生器初始化界面，此界面按下左边按键切换到示波器界面（图2），将数据通过USB不断发送到电脑上位机上，并绘制相应波形。在信号发生器界面旋转光电旋转编码器，依次浏览四个参数（频率/幅度/波形/信号产生开关）。浏览时，被浏览的参数反色显示(图3)。此时，按下光电旋转编码器即可选中参数，参数正常显示，说明进入选中状态（图4）。在参数选中界面，左右两个按键可以修改选中参数数值或状态。例如参数频率被选中，左按键增加频率，右按键减小频率。信号产生开关被选中，左按键可控制波形的产生与否。参数修改完成后，再次按下光电旋转编码器即可退出选中状态，进入浏览状态。
图5 图6 图7 图8
图5为信号发生器产生波形，图6为增大幅度，图6为减小频率，图8为上位机显示波形。
六、遇到的难题和解决方法
在此次活动中遇到的第一个难题是光电旋转编码器，由于之前并没有接触过这个元件，并不知道怎么使用。在CSDN上搜索相关资料，找到如下时序图。结合活动视频资料，将一个引脚配成外部中断，另一个为正常输出，判断上升沿时，两个引脚输出相位。但经过实践后，发现效果并不好，旋转过快时，其稳定性不好，容易发生误判。再次研究时序，通过对上升沿，下降沿都进行判断，稳定性相比之前强不少。
其次，在进行信号发生器产生波形时，产生信号在示波器上每一段波形之间会有一段直线，应该是没有信号产生。经过一段时间逐次排查发现，产生PWM波的定时器DMA传输没有配置成循环模式。修改过后，产生完整的波形。但是波形会发生饱和失真，找了很久的原因没有解决，直到减小波形幅度时，波形正常。可能的原因是，外部LPF电路对高频滤波效果不好。
最后，在编写UI界面时，因为要在OLED屏上显示四个波形图片，需要四个大数组储存相关点位。发现板卡range小了，空间不够，在CSDN上查找，将数组前加上const，即将四个大数组储存在flash中，并修改OLED相关函数，成功解决。
上位机由于某些功能实现不尽人意，未能解决，在录制视频时，对相关布局进行了调整。
七、心得体会
在此次活动中，我进行了相关练习，对嵌入式的学习有了初步了解和学习。在活动过程中遇到不少难题，通过在网上查找相关资料，锻炼了解决问题的能力。同时，编写代码的过程中，不同的写法会导致结果的不同，这对整体的把控有一定要求，锻炼了我的思维能力。将板卡和PC结合，编写上位机，让我见识到电脑强大的处理数据能力。尽管在项目实现在某些方面并不完美，有很多可以改进的地方。但这次活动确确实实的让我收获颇多。希望活动能越办越好，在下次活动上，能有更多收获。
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