2021暑假一起练-stm32f072口袋仪器

内容介绍

0 写在前面

今年寒假我完成了硬禾学堂的STM32G0简易示波器与信号发生器项目（网址：https://www.eetree.cn/project/detail/167），暑假这次活动的开发板是上次活动的升级版，屏幕换成了彩屏，功能更多，也有了更好看的外壳，于是果断白嫖下单。

本项目中示波器与频谱仪部分代码框架与前述项目基本一致，信号发生器部分改动较大，另外添加了PWM波形发生器和直流电源的功能，作为“口袋仪器”的功能更加完善。

工程中共有7个文件夹：

Core：工程核心代码，如main函数，外设初始化函数等；
Drivers：stm32的HAL库和LL库驱动；
common：不同功能的公用部分，包括按键读取和LCD驱动；
dc_source：直流电压源功能的实现代码；
pwm：PWM发生器功能的实现代码；
scope_spectrum：示波器和频谱仪功能的实现代码；
signal_source：波形发生器功能的实现代码。

每个口袋仪器的功能都有自己的主函数（如示波器部分的主函数为scope_main，定义在scope.c中），实现某一项功能时程序只在自己的主函数中循环运行，直到切换至另一功能。

1 项目需求

综合性项目 - 实现一个完整的口袋仪器的功能

双通道示波器：采集最大10Vpp、最高100KHz的模拟信号，FFT并频谱显示
波形发生器：正弦波、三角波、方波，频率可调，最高为100KHz，可调输出幅度，最大8Vpp，可调直流偏移，从-4V到+4V
PWM发生器，可调频率和占空比
双路可编程直流电压源，-4V到+4V可调，可以设置为独立模式和跟踪模式
2个按键、一个拨轮开关控制菜单的所有操作
240 * 240的LCD显示波形、参数、菜单

2 完成的功能及达到的性能

2.1 功能切换

我设计的口袋仪器一共有5个功能/页面，分别为：示波器、频谱仪、波形发生器、PWM发生器、直流电源，长按拨轮可以在这几个页面之间切换。

2.2 示波器页面

Fs2dkwWOuKvJuuMc7ryWz4oH8BQE

波形显示页面如上图所示，页面包含以下信息：

时间分度值：5ms、2ms、1ms、500us、200us、100us、50us，分别对应采样率3.2kHz、8kHz、16 kHz、32 kHz、80 kHz、160 kHz、320 kHz；
自动（A）或手动（M）Y轴缩放；
电压分度值：0.02V、0.04 V、0.1 V、0.16 V、0.2 V、0.24 V、0.3 V、0.36 V、0.4 V、0.5 V、0.8 V、1 V；
主通道，即Y轴自动缩放和触发功能的基准通道；
触发边沿：上升沿或者下降沿；
触发状态及模式：字母代表触发模式（C：连续触发，S：单次触发，X：关闭触发），颜色代表触发状态（红色：触发失败，青绿色：触发成功，棕色：触发关闭）；
波形显示区：显示两个输入通道的波形（CH1：黄色，CH2：绿色）；
Y轴电压指示：坐标区顶部、中间和底部的电压值；
通道开关：CH1开启：黄色，CH2开启：绿色，通道关闭：棕色；
通道信息：通道直流电压值、电压峰峰值、频率。

除②、⑦、⑧、⑩项以外，其余均可手动调节，按下设备左上方的两个按键可以切换当前选中的项，选中项背景变为灰色，再通过左右调节拨轮可以改变该项的内容，调节完毕后长按左上方两个按键可以取消选中。第②项（Y轴缩放）由手动缩放改为自动缩放的方式为将电压分度值调至1V，再往上调节一档，此时即为自动缩放；由自动缩放改为手动缩放方式为向任意方向调节电压分度值。⑦、⑧、⑩项仅为信息显示，无法手动更改。

按下拨轮可以暂停/继续波形刷新。

2.3 频谱仪页面

FryBAZUXtaZO7rzwqnub2wQEZkrV

频谱显示页面如上图所示，页面包含以下信息：

信号频谱（CH1：黄色，CH2：绿色）；
频率轴刻度，单位为kHz；
当前采样率（同示波器）；
通道开关：CH1开启：黄色，CH2开启：绿色，通道关闭：棕色。

其中③、④项可以手动调节，调节方式与示波器的相同，②跟随采样率自动调节。

由于采样率最高为320kHz，根据奈奎斯特采样定理，频谱最高可以显示160kHz的频率分量。

2.4 波形发生器页面

FnhP6fIcr4MkU4jH5zTmzoW_YSBW

波形发生器页面如上图所示，页面包含以下信息（均可手动调节）：

输出开关；
波形类型：正弦波、方波、三角波；
频率：调节范围为0.1kHz至100kHz；
电压幅值（峰峰值一半）：调节范围为0V~4V；
直流偏移：调节范围为-4V至4V。

2.5 PWM发生器页面

FgFh8CMF6_wdOFg9MxUxtw8IfcYU

PWM发生器页面如上图所示，页面包含以下信息（均可手动调节）：

输出开关；
频率：调节范围为1kHz至100kHz；
占空比：0%至100%。

2.6 直流电源页面

FuTSuQi_pXuuaD1u87YFJOt0OOKg

直流电源页面如上图所示，页面包含以下信息（均可手动调节）：

跟踪开关：若开启跟踪，则只能手动调节通道1的参数，通道2跟随通道1自动调整，电压为通道1电压的相反数；
通道1/2输出开关；
通道1/2输出电压：范围为-4V至4V。

3 实现思路

3.1 示波器与频谱仪

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；
对采样序列进行FFT变换，绘制频谱；
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；
信号参数的显示，如峰峰值、直流分量、信号频率等。

3.2 波形发生器

根据预设的输出信号波形信息生成查找表；
DMA将查找表数据逐项搬运至DAC进行输出，搬运由定时器触发；
按键调整输出使能、信号参数等。

3.3 PWM发生器

使用STM32定时器自带的PWM功能输出PWM信号；
按键调整输出使能、频率与占空比，并进行定时器参数的更新。

3.4 直流电源

使用STM32定时器自带的PWM功能生成PWM信号，经低通滤波器后输出直流信号；
改变PWM的占空比即可改变直流电压值。

4 示波器与频谱仪实现过程

4.1 ADC对信号进行采样

为了方便进行FFT计算，ADC在每个通道共采集256个采样点。每次ADC转换由定时器1触发，触发频率最高为320kHz，即ADC采样率最高为320ksps。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：scope.c）：

/**
  * @brief      Start a new sample sequence.
  * @param[in]  ADCValue_raw  Array to store incoming sample values.
  * @retval     None
  */
void start_sample(uint16_t *ADCValue_raw)
{
	HAL_Delay(1);
	HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc);
	HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)ADCValue_raw, SAMPLE_POINTS * 2);
}

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：stm32f0xx_it.c）：

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    finish_sample();
}

4.2 采样结果的处理

由于ADC一次触发对两个通道进行采样，在采样后的数组里两个通道的采样信息是交替的，需要对其分开，即将采样后的原始数组转化为二维数组，二维数组每一行代表一个通道的ADC量化值。

ADC数据转换部分代码（定义位置：sample.c，调用位置：scope.c）：

/**
  * @brief      Split raw ADCValue array to a 2-D array based on channels.
  * @param[in]  ADCValue_raw  Array to store raw sample values.
  * @param[out] ADCValue  2-D array of split sample values.
  * @note       Each row in ADCValue contains sample values in a channel.
  * @retval     None
  */
void ADCValue_split(uint16_t *ADCValue_raw, uint16_t ADCValue[][SAMPLE_POINTS])
{
    uint16_t i;
    for (i = 0; i < SAMPLE_POINTS; i++)
    {
        ADCValue[CH2][i] = ADCValue_raw[2*i];
        ADCValue[CH1][i] = ADCValue_raw[2*i+1];
    }
}

得到每个通道256个ADC量化值后，根据触发电平（0V）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192个点。

波形触发部分代码（定义位置：wave.c，调用位置：scope.c，其中total_points=256, GRAPH_WIDTH=193）：

/**
  * @brief       Wave trigger.
  * @param[in]   ADCValue  Array of sampled ADC values (one channel).
  * @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(0);

    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;
}

为显示上述192个点，需要将ADC量化值与LCD屏幕上的坐标进行线性映射，线性映射需考虑：ADC量化值向ADC输入电压值的映射，ADC输入电压值向运放输入电压值的映射，ADC量化值向LCD屏幕纵坐标的映射。

在自动模式（自动缩放y轴）中，程序以主通道为基准，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主通道完整的波形。在手动缩放模式中，可以手动调节y轴的缩放范围，但此时波形不一定会完整显示。

得到采样点坐标后，使用st7789库的绘制直线函数，连接屏幕上各个离散的点，就可以得到信号的波形。此外，若在绘制波形之前刷新屏幕或者一次性删除掉上次的波形，会有非常明显的闪屏现象。所以绘制波形的过程中需要边删除边绘制，即删除一小段上次的波形，再绘制一小段新的波形，重复以上操作，直至整个波形绘制完毕。

自动缩放y轴代码（定义位置：wave.c，调用位置：scope.c）：

/**
  * @brief      Automatically find the central/max/min voltage on y-axis.
  * @param[in]  ADCValue  Array of sampled ADC values (one channel).
  * @note       The function calculates the min/max voltage of the main channel 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;
    get_max_min_pp_value(ADCValue, &a_max_value, &a_min_value, &a_pp_value);
    voltage_range_auto_select(ADC2VOL(a_min_value) > -ADC2VOL(a_max_value) ? ADC2VOL(a_min_value) : -ADC2VOL(a_max_value));
    volt_on_y_axis.center_voltage = 0;
    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：scope.c）：

/**
  * @brief       Generate y-coordinates of the wave.
  * @param[in]   ADCValue  2-D array of sampled ADC values (all channels).
  * @param[in]   trigger_index  index of the first point of triggered wave
  * @param[out]  y  2-D Y-coordinate array of the wave.
  * @note        The function map ADCValues to LCD y coordinates.
  * @retval      None
  */
void generate_wave(uint16_t ADCValue[][SAMPLE_POINTS], uint16_t trigger_index, uint8_t y[][GRAPH_WIDTH])
{
    // Quantize y-axis min/max voltages to ADC values.
    int16_t a_max_value = VOL2ADC(volt_on_y_axis.min_voltage);
    int16_t a_min_value = VOL2ADC(volt_on_y_axis.max_voltage);
    uint8_t i;
    enum channel ch;

    for (ch = 0; ch < NUM_CH; ch++)
    {
        // Linearly map every ADC value to its coordinate.
        for (i = 0; i < GRAPH_WIDTH - 1; i++)
        {
            if (ADCValue[ch][i+trigger_index] <= a_max_value && ADCValue[ch][i+trigger_index] >= a_min_value)
                y[ch][i] = (GRAPH_HEIGHT - 1) * (ADCValue[ch][i+trigger_index] - a_min_value) / (a_max_value - a_min_value) + GRAPH_START_Y;
            else if (ADCValue[ch][i+trigger_index] > a_max_value)
                y[ch][i] = GRAPH_HEIGHT + GRAPH_START_Y - 1;
            else if (ADCValue[ch][i+trigger_index] < a_min_value)
                y[ch][i] = GRAPH_START_Y;
        }
    }

}

波形显示代码（定义位置：scope_display.c，调用位置：scope.c）：

/**
  * @brief      Display wave on LCD.
  * @param[in]  y  Y-coordinate array of the wave.
  * @param[in]  y_prev  Y-coordinate array of the wave to be cleared.
  * @param[in]  ch  channel of the wave
  * @retval     None
  */
void display_wave(const uint8_t *y, const uint8_t *y_prev, enum channel ch)
{
  uint8_t x;
  for (x = GRAPH_START_X; x < GRAPH_WIDTH - 1; x++)
  {
      ST7789_DrawLine(x, y_prev[x-GRAPH_START_X], x + 1, y_prev[x-GRAPH_START_X+1], BLACK);
    ST7789_DrawLine(x, y[x-GRAPH_START_X], x + 1, y[x-GRAPH_START_X+1], ch_color[ch]);
  }
}

4.3 频谱显示

在频谱显示页面，需要对各通道的ADC的量化值分别进行256点FFT变换。去掉低频、直流和无效部分，保留FFT序号为8~127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spectrum_display.c中。

5 波形发生器实现过程

波形发生器部分主要参考https://www.emoe.xyz/archives/1469设计，设计思路在3.2节中已经介绍，这里对一些实现细节与修改部分进行分析。

5.1 查找表

由dds原理可知，输出信号频率的计算公式为

FvZc5ggscZiZxXnx8BUTJRWO3W-e

其中f_MCLK为dds主频率（查找表步进频率），为定时器溢出频率的二倍（DMA Double Data Mode，见前文链接）；N_max为查找表表长，查找表储存了待输出信号一个周期内的幅度值。在stm32中，为保证输出频率f_out取在0.1kHz~100kHz范围内且频率误差足够小，且防止查找表占用过大空间，f_MCLK和N_max必须是可变的，即对于不同的f_out，需要规定一个合适的f_MCLK，并算出对应的N_max。

设置N_max和f_MCLK的代码如下（DDS_setWaveParams函数，定义在dds.c中）：

// Select frequency range and register timer's parameters
    if (freq >= 100 && freq < 1000)
    {
        //  FMCLK = 100kHz, 48M / 960 * 2 = 100kHz
        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, 960-1);
        dds.lutLen = (uint32_t)(100000 / freq);
        getNewWaveLUT(dds.lutLen, dds.waveType, dds.amp, dds.offset);
    }
    else if (freq >= 1000 && freq < 10000)
    {
        //  FMCLK = 1MHz, 48M / 96 * 2 = 1MHz
        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, 96-1);
        dds.lutLen = (uint32_t)(1000000 / freq);
        getNewWaveLUT(dds.lutLen, dds.waveType, dds.amp, dds.offset);
    }
    else if (freq >= 10000 && freq < 100000)
    {
        //  FMCLK = 2MHz, 48M / 48 * 2 = 2MHz
        __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, 48-1);
        dds.lutLen = (uint32_t)(2000000 / freq);
        getNewWaveLUT(dds.lutLen, dds.waveType, dds.amp, dds.offset);
    }

getNewWaveLUT为查找表生成函数，前面算出的N_max（代码中为dds.lutlen）即为查找表表长。我对原作者的getNewWaveLUT函数进行了修改，使其能直接生成信号幅度、直流偏移可变的查找表，代码如下：（定义位置：dds.c，其中DAC_AMP=2046代表输出为0V时DAC量化值为2046，DDS_MAX_AMP=40代表最大幅度为4.0V）

void getNewWaveLUT(uint32_t length, uint8_t type, uint8_t amp, int8_t offset)
{
    uint16_t a_offset_value = DAC_AMP - (int32_t)DAC_AMP * offset / DDS_MAX_AMP;
    char str[6];
    sprintf(str, "%5u", a_offset_value);
    ST7789_WriteString(10, 220, str, Font_11x18, WHITE, BLACK);
    if (type == SINE_WAVE)
    {
        float sin_step = 2.0f * 3.14159f / (float)(length-1);
        for (uint16_t i = 0; i < length; i++)
        {
            dds_lut[i] = (uint16_t)(a_offset_value - (DAC_AMP * sinf(sin_step*(float)i) * amp / DDS_MAX_AMP));
        }
    }
    
    else if (type == SQUARE_WAVE)
    {
        for(uint16_t i = 0; i < length / 2; i++)
        {
            dds_lut[i] = a_offset_value - DAC_AMP * amp / DDS_MAX_AMP;
            dds_lut[i + (length / 2)] = a_offset_value + DAC_AMP * amp / DDS_MAX_AMP;
        }
    }
    
    else if (type == TRIANGLE_WAVE)
    {
        uint16_t tri_step = DAC_AMP * 2 * amp / DDS_MAX_AMP / (length/2);
        
        for(uint16_t i = 0; i < length / 2; i++)
        {
            dds_lut[i] = a_offset_value - DAC_AMP * amp / DDS_MAX_AMP + tri_step*i;
            dds_lut[length - i - 1] = dds_lut[i];
        }
    }
}

5.2 DAC Output Buffer

原作者提到关闭DAC Output Buffer可以提升DAC输出速率，但是关闭DAC Output Buffer会使DAC端口的输出电阻变大，在本项目中会导致输出电压有很大的误差。为保证输出电压的准确性，本项目需要开启DAC Output Buffer。

6 遇到的主要难题

在寒假我参与了“STM32G0简易示波器与信号发生器”项目，遇到的一些主要困难可以在该项目的主页中找到（网址：https://www.eetree.cn/project/detail/167）。虽然两个项目都是基于STM32CUBEIDE开发，不过将程序从G0芯片移植到F0芯片，还是遇到了许多问题：

时钟频率的问题：G0芯片的时钟频率是64M，而F0芯片是48M，代码中许多与时钟相关的地方需要重新调整频率值。
ADC转换通道问题：寒假的项目中ADC每次只需要对一个通道进行采样，通过按键切换到另一通道；而F0芯片需要对两个ADC通道同时采样，而且转换结果也是放在一个数组里交替存储的，需要将其分开，因此很多函数的输入参数都需要从原来的一维数组改为二维数组，以同时处理两个通道的数据。
屏幕驱动及显示问题：寒假的项目使用的是OLED屏幕，本次项目使用的是LCD屏幕，且两个屏幕的分辨率、驱动等均不同。本次项目LCD显示部分我使用了Floyd-Fish的ST7789库（链接：https://github.com/Floyd-Fish/ST7789-STM32），该库底层使用HAL库实现，但作为示波器显示波形时波形刷新速度很慢，经常卡顿，我将其改为LL库后刷新速度有了很大提升。HAL库的SPI发送函数调用了很多子函数，非常繁琐耗时，而LL库的SPI发送函数只有几步寄存器操作，极为高效。

7 未来的计划建议

该项目已经成功实现了口袋仪器的基本功能，并达到了预期指标。然而还有一些可以提升与扩展的地方：

可以引出调试接口（UART或SWD）或增加LED指示灯，在这次活动中我主要使用LCD显示调试内容，较为不便。
主控芯片STM32F072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，也能实现更快的屏幕刷新速度。
示波器测得的电压与波形发生器输出的电压值有一些误差，误差来源可能是算法中的误差或者是运放电路中元件参数的误差。虽然可以通过软件进行线性矫正或利用反馈端口进行调节，但由于时间精力有限未能完成。
当前触发电平被固定在0V，且无法（不修改代码）调节，导致一些波形（如PWM波，电压值恒≥0V）无法准确被触发，以后可以添加调节触发电平的功能。