STM32G0简易示波器与信号发生器项目

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

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

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

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

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

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

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。

这款基于STM32F072的口袋仪器是一款专用于嵌入式编程学习的平台，硬禾学堂同时开发了一款基于STM32G491的商用版本，已经上线Kickstarter众筹平台：Kickstarter上众筹的多功能袖珍仪器 - 随时、随地学习电路、调试电路的好帮手

责任编辑：haq