E-kit

E-kit 一体化电子工具箱，STM32 实现，示波器 + 函数发生器 + 幅频特性仪器...

目前此项目已归档

注意：工程采用 GB2312 编码

基本功能

• STM32F103 (停留在较旧的版本并停止更新，仅支持以下功能)
  • 基本示波器实现（包括波形判断，频率测量，峰峰值测量，占空比测量）
  • 任意频率正弦波输出
  • 多窗口支持
  • 集中式 Log
• STM32F407
  • 基本示波器实现（包括波形判断，频率测量，峰峰值测量，占空比测量）
  • 任意频率正弦波输出
  • 多窗口支持
  • 集中式 Log
  • 幅频特性仪移植
  • 上位机通讯重构
  • 函数信号发生器
  • 示波器触发模式
  • 电池管理

设计文档

一、工作原理

1. 软件部分

采用 HAL 库支持的 C 语言程序实现，通过无操作系统的形式直接运行在 ARM 架构 STM32F407 单片机上。通过 ARM Cortex M4 额外支持的硬件 FPU、DSP 指令集，更快的 FSMC，给予程序更高的运行效率、数据处理效率以及更高的显示速度。

程序流程通过初始化 + 主循环的结果，GUI 交互回调相应的模式。稳定性好。显示方案采用 STemWin 图形库实现，并支持电阻屏触摸，自己移植的图形库配合 HAL 库的框架工程开源在framist/STemWinForHAL: 移植 emWin 与 HAL 库结合。（正点原子项目结构） (github.com)。

项目工程已开源在 framist/E-kit: E-kit 一体化电子工具箱 (github.com)

总体使用到的版级接口：

TFTLCD <--排线--> TFTLCD(>=3.5')

VREF  <-跳线帽-- 3.3V

PA5  <-------- adc 输入

PA4  --------> dac 输出

1.1 示波器部分

通过通用定时器 TIM5 定时中断，控制 ADC 按精准的时间间隔取样。

采用 DSP 库中的 FFT 算法得出频率，作为后续处理的前提参考。微分法首先判别是否为方波，积分法判断波形和测占空比，同时还能实时测量信号的峰峰值、偏置电压等等。

示波器还采用自动量程。通过当前计算的波形频率自动调整 ADC 的采样周期，已适应更大的频率范围

1.2 信号发生器部分

使用 DMA 的方法把内存中的波形数据依次传递到 DAC 控制器，基本定时器 TIM6 控制 DMA 的速度来控制输出波形的频率。

通过软件控制波形、峰峰值、偏置电压、占空比。

DAC 输出 0~3.3V 的电平信号再经过外围电路的转换得到 -5V 到 +5V 范围的信号并进行输出。

1.3 幅频特性仪部分

比较输入输出信号的峰峰值可以计算得出滤波器的增益，

通过扫频的方式连续测量可以绘制出未知滤波器的幅频特性曲线。

通过幅频特性曲线可以判别出滤波器的类型，目前可自动判别以下几种类型的滤波器：

0：低通 HPF 1：高通 LPF 2：带通 BPF 3：带阻 BRF

1.4 IOT 上位机部分

蓝牙串口透传模块实现。可转换实现与上位机的无线信号传输。

通过其他各种数据分析软件，我们可以同步在上位机观察波形并进行数据分析

2. 硬件部分

2.1 电源部分

2.1.USB 接口模块部分

2.1.2 充电蓄电模块部分

2.1.3 负压生成部分

2.2 扩幅电路部分

2.2.2 信号输入部分

2.2.2 信号输出部分

二、仪器制作过程

1. 软件部分

1.1 主函数部分

主函数主要实现 init 与 main loop。

1.2 屏幕部分

屏幕采用 3.5' TFTLCD 作显示，并可作为电阻屏输入触摸，支持手写笔。

1.2.1 初始化

先生成一个主窗口框架 mainFramewin，再在此窗口框架中通过 Multipage 窗口小组件生成四页选项卡，每页分别包含一个窗口。

hItem = WM_GetDialogItem(pMsg->hWin, ID_MULTIPAGE_0);
MULTIPAGE_AddEmptyPage(hItem, 0, " oscilloscope ");
MULTIPAGE_AddEmptyPage(hItem, 0, " signal generator ");
MULTIPAGE_AddEmptyPage(hItem, 0, " A-F characteristics ");
MULTIPAGE_AddEmptyPage(hItem, 0, " Logs ");

WM_HWIN CreateoscilloscopeFramewin(void);
hWin_oscilloscopeFramewin = CreateoscilloscopeFramewin(); 
MULTIPAGE_AttachWindow(hItem,0,hWin_oscilloscopeFramewin);

WM_HWIN CreateSingalWindow(void);
hWin_SingalWindow = CreateSingalWindow();
MULTIPAGE_AttachWindow(hItem,1,hWin_SingalWindow);

WM_HWIN CreateAFCFramewin(void);
hWin_AFCFramewin = CreateAFCFramewin();
MULTIPAGE_AttachWindow(hItem,2,hWin_AFCFramewin);

WM_HWIN CreateLogWindow(void);
hWin_LogFramewin = CreateLogWindow();
MULTIPAGE_AttachWindow(hItem,3,hWin_LogFramewin);

MULTIPAGE_SelectPage(hItem,0);

1.2.2 图形界面

按功能分别包含 4 个子窗口，功能分别作示波器、波形发生器、幅频特性测试仪、系统日志的窗口：

日志窗口只是一个输出日志的文本框。

1.3 信号获取与处理部分

1.3.1 ADC 获取数据

1.3.2 FFT 处理数据

STM32F4 采用 Cortex-M4 内核，相比 Cortex-M3 系列除了内置硬件 FPU 单元，在数字信号处理方面还增加了 DSP 指令集，支持诸如单周期乘加指令（MAC），优化的单指令多数据指令（SIMD），饱和算数等多种数字信号处理指令集。相比 Cortex-M3，Cortex-M4 在数字信号处 理能力方面得到了大大的提升。Cortex-M4 执行所有的 DSP 指令集都可以在单周期内完成，而 Cortex-M3 需要多个指令和多个周期才能完成同样的功能。

主要采用

void arm_cfft_radix4_f32(
    const arm_cfft_radix4_instance_f32 * S,
    float32_t * pSrc);
void arm_cmplx_mag_f32(
    float32_t * pSrc,
    float32_t * pDst,
    uint32_t numSamples);

完成 FFT 计算。（但主要这两个函数目前不再推荐使用）

主要程序结构如下：

float wave_frequency_calculate(void)
{
    //初始化 scfft 结构体，设定 FFT 相关参数
    arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;
    arm_cfft_radix4_init_f32(&scfft,FFT_LENGTH,0,1); // TODO 不知道加上按位取反的原理
    //FFT 计算（基 4）
    arm_cfft_radix4_f32(&scfft,fft_inputbuf);	
    //把运算结果复数求模得幅值 
    arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf,fft_outputbuf,FFT_LENGTH);	

    uint32_t Max_Val = 0;
    for (i = 2; i < FFT_LENGTH / 2; i++){
        if (fft_outputbuf[i] > Max_Val){
            Max_Val = fft_outputbuf[i];
            frequency_max_position = i;
        }
    }

    sample_psc = 0;
    sample_arr = TIM5->ARR;
    sample_frequency = 84000000.0f / (float)((sample_arr + 1) * (sample_psc + 1)) / (float)k;
    wave_frequency = (float)frequency_max_position * sample_frequency / FFT_LENGTH;
    return wave_frequency;
}

1.3.3 信号显示

1.3.3.1 时域波形的显示

一次采样玩立即就刷新屏幕显示数据

1.3.3.2 幅频特性的显示

可采取线性显示和对数显示

1.4 信号的产生与输出部分

1.4.1 DAC 产生信号

DAC+TIM6+DMA 的配置由 cube-MX 配置生成。

1.4.1.1 DAC 的初始化

hdma_dac1.Instance = DMA1_Stream5;
hdma_dac1.Init.Channel = DMA_CHANNEL_7;
hdma_dac1.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
hdma_dac1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_dac1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_dac1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
hdma_dac1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
hdma_dac1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
hdma_dac1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
hdma_dac1.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

1.4.1.2 DMA 传输数据

/* DMA controller clock enable */
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

/* DMA interrupt init */
/* DMA1_Stream5_IRQn interrupt configuration */
HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream5_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream5_IRQn);

1.4.1.3 TIM6 提供中断源

htim6.Instance = TIM6;
htim6.Init.Prescaler = 0;
htim6.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim6.Init.Period = 9999;

1.4.1.4 不同波形的产生

控制传入的枚举类型以及其他参数可以方便的配置输出

enum Wave_Form
{
  Wave_Form_NA,     
  Wave_Form_SIN,      //正弦波  ~~~~
  Wave_Form_TRI,      //三角波  VVVV
  Wave_Form_SQU,      //方波    _||_
  Wave_Form_SAW_1,    //锯齿波 1 /|/|  
  Wave_Form_SAW_2,    //锯齿波 2 |\|\|  
  Wave_Form_RAD,      //噪波    ????
  Wave_Form_DC        //直流    ----
};

/**
 * @brief Wave_Output_Config
 * 
 * @param Output_Wave_Form 类型：enum Wave_Form 
 * @param f 单位 Hz
 * @param Vpp  单位 V
 * @param offset  单位 V
 * @param duty 单位 %
 * @return int 
 */
int Wave_Output_Config(enum Wave_Form Output_Wave_Form, float f, float Vpp, float offset, int duty)

1.4.2 上位机传输数据

1.4.2.1 无线传输模块

采用蓝牙串口透传。

1.4.2.2 上位机接收

有蓝牙的设备都可以通过蓝牙的串口信号接收，包括手机电脑等。

2. 硬件部分

参考外围电路设计

from yuexiavqiufeng

三、实验仪器的应用

1. 整体说明

在转置的前端是显示屏幕，可以直接在屏幕上直接触摸来对各种参数进行设置，旁边分别是信号的输入和输出端口。在装置的后端是 USB 电源接口和指示灯。

2. 示波器功能

当信号经由输入端口进入仪器以后即可在屏幕上得到其波形，将对其波形进行识别并做出判断。同时显示出其峰峰值、频率，如果是自动判断为方波将自动测量占空比，或者手动点击DR Measure按钮也可以自动测量占空比。

对于波形显示，可以对其水平灵敏度和垂直灵敏度进行调节，也可以点击Stop/Run进行波形冻结。

3. 信号发生器功能

输出波形选择：

可以选择输出：

• OFF, 不启用 DAC 输出功能
• SIN, 正弦波 ~~~~
• TRI, 三角波 VVVV
• SQU, 方波 _||_
• SAW_1, 锯齿波 1 /|/|
• SAW_2, 锯齿波 2 |\|\|
• RAD, 噪波 ????
• DC, 直流 ----

捷径配置选择：

控制在示波器界面的捷径控制框可以改变的参数。

输出波形参数配置：

并且可以方便实时地改变 占空比、峰峰值、偏置电压、占空比（如果输出是方波）。

调整步进配置：

调整微调按钮的步进大小

输出按钮：

快速控制是否输出。也可通过输出按钮的颜色判断当前是否有输出。

4. 幅频特性仪功能

选择 single measurement 可测量滤波器在单个频率下的增益。

选择 auto measurement 会扫频并自动进行测量，并会绘制出滤波器的幅频特性曲线

勾选 Log coordinate 复选框可以以对数方式绘制幅频特性曲线

5. 上位机传输功能

在示波器界面选择 IOT 复选框，可开启上位机传输功能，上传当前屏幕显示的波形，并与屏幕刷新同步。

四、仪器性能指标分析

2.示波器

2.1 频率范围、误差、精度

频率范围：50Hz——100kHZ

频率精度：1Hz

频率误差：

2.2 幅值范围、误差、精度

幅值范围：-5V——+5V

幅值精度：10mV

幅值误差：

2.3 水平灵敏度、垂直灵敏度

水平灵敏度范围：1us/div~1000us/div 可调

垂直灵敏度范围：50mV/div~500mV/div 可调

垂直精度：2.4mV

水平精度：5us

3.信号发生器功能

3.1 频率范围、误差、精度

频率范围：20Hz——50kHZ

频率精度：1Hz

频率误差：

3.2 幅值范围、误差、精度

幅值范围：-5V——+5V

幅值精度：1mV

幅值误差：

3.3 可产生的波形类型

方波、三角波、正弦波、锯齿波、直流、噪声

4.幅频特性仪功能

5.上位机传输功能

波特率：9600

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