多功能便攜示波器的制造方法
【專利摘要】一種多功能便攜示波器，由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，其特征在于，系統(tǒng)硬件包括信號輸入和衰減電路，觸發(fā)電路，信息采集和處理模塊(MCU模塊)和液晶模塊，衰減電路內(nèi)設(shè)有信號輸入模塊，衰減電路與單片機的ADC輸入引腳相連接，與FSMC(可變靜態(tài)存儲器)與TFT液晶屏相連接，單片機還通過SPI總線與TFT屏幕上的觸摸屏相連接，在單片機內(nèi)設(shè)有MCU模塊。
【專利說明】多功能便攜示波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及嵌入式【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及單片機的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。
[0003]目前示波器可分為兩類:模擬類與數(shù)字類。模擬類示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。數(shù)字類示波器則利用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把連續(xù)變化的電壓信號轉(zhuǎn)換為了數(shù)字信號傳輸給微處理器進行處理。這樣使得數(shù)字類示波器比模擬類示波器具有更多的功能。
[0004]使用示波器的時候信號頻率在多數(shù)電路中基本在IM以下，對于這樣的低頻信號可以直接使用單片機片內(nèi)AD采樣實現(xiàn)，不需要昂貴的高速ADC，同時因為單片機的處理速度并不高，所以如果使用了高速ADC那么必須要使用CPLD或者FPGA這類可編程的邏輯門芯片來達到配合ADC實現(xiàn)高速的AD采樣和數(shù)據(jù)的存儲，這樣一來，使用高速ADC的示波器成本會大大增加。所以，開發(fā)一款小型、低功耗、低成本的示波器成為了必要。
[0005]現(xiàn)在市場上常見的傳統(tǒng)示波器體積一般很大，而且很笨重，單手提起來都感覺較重，更別說隨身攜帶了。同時普通的示波器價位都已上千，性能再高的都上萬，可以明顯的看出價格相當昂貴。
[0006]當然，也有一些小型示波器已經(jīng)被研發(fā)出來，比如專利號為CN200420023369.6的專利，該示波器雖然體型較小，但是必須通過USB和計算機才能正常工作，即使用犧牲屏幕的方法來減小的體積，這樣做不能滿足便攜的需求。
[0007]再者，如CN200620017850.3這項專利，這是通過將各單元通過層疊或平鋪的方式綁定在示波器電路板上來減小的體積，但是這樣做體積仍然不能減小太多，因為本項作品相對于CN200620017850.3的做法，并沒有通過改變空間的組合來減小的體積，而是僅僅以單片機完成采樣，存儲，處理，顯示這幾大項工作，相對于其他示波器需要多個模塊來共同完成這些工作來講,從根本上減小了體積，同時還節(jié)約了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:解決現(xiàn)有儀器普通示波器體積大，價格貴等缺點，發(fā)明了小型的，低價且便攜的僅以單片機為核心的示波器。
[0009]技術(shù)方案:一種多功能便攜示波器，由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，系統(tǒng)硬件包括信號輸入和衰減電路，觸發(fā)電路，信息采集和處理模塊(MCU模塊)和液晶模塊，衰減電路內(nèi)設(shè)有信號輸入模塊，衰減電路與單片機的ADC輸入引腳相連接，與FSMC (可變靜態(tài)存儲器)與TFT液晶屏相連接，單片機還通過SPI總線與TFT屏幕上的觸摸屏相連接，在單片機內(nèi)設(shè)有MCU模塊。[0010]信號輸入包括信號衰減電路的輸入電路，由電阻和電容組成，在電阻分壓的電路上并聯(lián)兩個電容，電容的容值比例和電阻阻值比例成反比。
[0011]對衰減電路進行阻抗轉(zhuǎn)換，即利用電壓跟隨器輸入電阻大和輸出電阻小的特性，讓衰減器滿足1/4的比例同時輸送到加法器。
[0012]在MCU的ADC采樣電壓前加上一個加法器。
[0013]觸發(fā)電路構(gòu)成為利用電壓比較器，當運放工作在開環(huán)模式時，如果同相輸入端即INl+和IN2+的電壓高于反相輸入端即INl-和IN2-的電壓，運放輸出端即OUTl和OUT2會輸入高電平，否則會輸出低電平，這樣能通過電位器即RES_AJ來調(diào)節(jié)反相端電壓來產(chǎn)生合適的觸發(fā)脈沖。
[0014]信號采集和處理通過MCU的ADCl和ADC2兩個通道來進行采樣，信號采集采用DMA 傳輸方式，ADCl 采用了 DMA2 的 StreamO 的 ChannelO，ADC2 采用了 DMA2 的 Stream2 的Channell0
[0015]1:輸入信號直接連接到衰減電路對原信號進行衰減，同時進行阻抗轉(zhuǎn)換。
[0016]2:處理之后的信號直接與單片機的ADC輸入引腳相連接，以供單片機采樣和處理。
[0017]3:單片機通過FSMC(可變靜態(tài)存儲器)與TFT液晶屏連接，以此來顯示圖像。
[0018]4:單片機還通過SPI總線與TFT屏幕上的觸摸屏相連接，以獲取用戶觸控到屏幕時的坐標。
[0019]有益效果:本發(fā)明使用了 stm32的高性能微處理器以此來去掉單獨的ADC芯片，因為高速ADC價格非常昂貴，然而平常測量的信號范圍大多在IM以下，在這IM—下的低頻信號中單獨的高速ADC芯片的優(yōu)勢并不明顯，所以針對這一情況，本作品直接去掉了單獨的ADC芯片，直接采用單片機內(nèi)部的ADC進行采樣，這樣不僅大大減小了成本，還減小了體積，同時簡化了電路。除此之外，全觸控的操作省去了傳統(tǒng)示波器上數(shù)量眾多的按鈕和旋鈕，又進一步的減小了體積。這樣，該作品可以吧體積做得非常小，不僅便攜，成本還異常低廉，達到超高性價比，可以滿足一般的需求。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0020]圖1信號衰減電路
[0021]圖2電壓跟隨器
[0022]圖3加法器
[0023]圖4電壓比較器(用于產(chǎn)生觸發(fā)脈沖)
[0024]圖5 STM32F4的DMA2中各通道請求
[0025]圖6流程圖
【具體實施方式】
[0026]1:系統(tǒng)總覽:
[0027]系統(tǒng)主要包括信號輸入和衰減電路，觸發(fā)電路，MCU模塊和液晶模塊。對于輸入模塊，采用電阻和電容分壓的方式對輸入信號進行衰減，然后通過一個電壓跟隨器和加法器最終輸出0—3V的信號到MCU的AD輸入端。[0028]2:系統(tǒng)硬件設(shè)計:
[0029]2.1信號輸入
[0030]2.1.1:信號衰減:
[0031]衰減部分電路如圖1所示:
[0032]可以看到，輸入電路由電阻和電容組成，電阻在低頻信號中對電壓具有很好的衰減作用，同時衰減的比例為330/(50+470+470+330) = 1/4，即輸入電路把輸入信號電壓幅度降到了原來的1/4，也就是-1.5V-1.5V。另外，電容在高頻信號中具有良好的衰減作用，因為在衰減電路之后的電路中會存在分布電容，如果不采用電容在前級分壓的方式的話，會導致高頻信號失真。所以，在電阻分壓的電路上同樣并聯(lián)上兩個電容，目的是為了減小下級分布電容的影響，防止波形失真。同時電容的容值比例應(yīng)和電阻阻值比例成反比，所以在此選擇IOpf和30pf的電容分別并聯(lián)在電阻兩端。因為MCU的AD輸入電壓范圍是0—3V，所以輸入信號的幅度可以為_6V—6V。
[0033]2.1.2:阻抗變換和加法器
[0034]圖2是電壓跟隨器，其作用是對衰減之后的信號進行阻抗轉(zhuǎn)換，因為加法器的信號輸入端和1.5V之間存在400K的電阻，如果把圖1衰減之后的信號直接送入加法器的話，那么相當于在圖1的輸出端和1.5V之間并聯(lián)了一個400K的電阻,這樣一來，電阻和電容對源信號的分壓的線性關(guān)系就不再是之前計算的1/4。然而本作品的輸入電壓范圍需要達到-6V-6V，所以分壓比例必須嚴格保持1/4，這樣就有必要對衰減電路進行阻抗轉(zhuǎn)換，即利用電壓跟隨器輸入電阻大和輸出電阻小的特性，讓衰減器滿足1/4的比例同時輸送到加法器。
[0035]圖3是加法器，因為MCU的AD采樣電壓范圍為0—3V，所以通過加法器把信號加上
1.5V，這樣能把-1.5V—1.5V的信號源范圍轉(zhuǎn)換到0—3V，供MCU進行采樣。
[0036]如圖4所示的電壓比較器，當運放工作在開環(huán)模式時，如果同相輸入端(圖中的INl+和IN2+)的電壓高于反相輸入端(圖中的INl-和IN2-)的電壓，運放輸出端(圖中的OUTl和0UT2)會輸入高電平，否則會輸出低電平，這樣能通過電位器(圖中的RES_AJ)來調(diào)節(jié)反相端電壓來產(chǎn)生合適的觸發(fā)脈沖，構(gòu)成觸發(fā)電路。
[0037]2.2觸發(fā)電路:
[0038]觸發(fā)電路的作用為了給MCU —個觸發(fā)脈沖以此來穩(wěn)定波形的顯示。如圖4:利用LM339作為電壓比較器，以此來吧輸入信號轉(zhuǎn)化為周期性的方波，用戶可以選擇是關(guān)閉觸發(fā)或者采用上升沿觸發(fā)和采用下降沿觸發(fā)3種觸發(fā)方式。程序會根據(jù)用戶的選擇，在觸發(fā)信號到來時進行相應(yīng)的操作。
[0039]2.3信號采集和處理:
[0040]該系統(tǒng)通過MCU的ADCl和ADC2兩個通道來進行采樣。為了達到最大的速度，信號采集時采用了 DMA傳輸?shù)姆绞?。直接存儲器存?DMA)用來提供在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無須CPU干預，數(shù)據(jù)可以通過DMA快速地移動，這就節(jié)省了 CPU的資源來做其他操作。
[0041]圖5是STM32F4數(shù)據(jù)手冊中的DMA2每通道對應(yīng)的外設(shè)，可以看到，ADCl對應(yīng)了StreamO 的 ChannelO 和 Stream4 的 ChannelO, ADC2 對應(yīng)了 Stream2 的 Channell 和 Stream3的 Channel I。在本系統(tǒng)中，ADCl 采用了 DMA2 的 StreamO 的 ChannelO，ADC2 采用了 DMA2 的Stream2 的 Channell。
[0042]內(nèi)存中有三個1024*2byte的buffer，其中兩個是用來存儲ADCl和ADC2采樣值的，另外一個是用來存儲采樣完成后對波形進行數(shù)學運算的虛擬波形的AD值的。當用戶選擇的時間步進小于20us時，DMA會把采集到的數(shù)據(jù)放入buffer里。大于或等于50us時，MCU就會通過時間步進計算延時時間，每隔一個延時采一次數(shù)據(jù)，以此來實現(xiàn)時間檔位可調(diào)節(jié)的功能。
[0043]數(shù)據(jù)采集完成之后，剩下的部分就是繪圖，通過用戶選擇，還會對波形進行相應(yīng)處理，比如繪制李薩如圖形或者進行快速傅里葉變換(FFT)。其中FFT采用了 ST官方提供的DSP庫來實現(xiàn)的，1024點FFT只需要幾毫秒，轉(zhuǎn)換速度非?？臁?br> [0044]2.4液晶顯示:
[0045]顯示部分采用了 400x240分辨率的TFT屏。STM32則用FSMC來驅(qū)動液晶。靈活的靜態(tài)存儲器控制器(FSMC)能夠與同步或異步存儲器和16位PC存儲器卡接口。只要進行適當?shù)呐渲茫材軐崿F(xiàn)液晶的8086時序。使用的FSMC之后，對液晶寫數(shù)據(jù)就像寫內(nèi)存一樣方便且快速，刷新一次屏幕只需要不到5ms，可以輕松的顯示波形。
[0046]3:系統(tǒng)軟件設(shè)計:
[0047]軟件通過圖形用戶界面(⑶I)實現(xiàn)人機交互，⑶I控制按鈕和菜單的顯示，AD每轉(zhuǎn)換一次之后會檢測觸摸屏是否被按下，如果被按下會執(zhí)行相應(yīng)的操作。大致流程如下:
[0048]程序里有一個最主要的全局變量:State，這是一個結(jié)構(gòu)體變量，結(jié)構(gòu)體如下:
[0049]
【權(quán)利要求】
1.一種多功能便攜示波器，由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，其特征在于，系統(tǒng)硬件包括信號輸入和衰減電路，觸發(fā)電路，信息采集和處理模塊(MCU模塊)和液晶模塊，衰減電路內(nèi)設(shè)有信號輸入模塊，衰減電路與單片機的ADC輸入引腳相連接，與FSMC (可變靜態(tài)存儲器)與TFT液晶屏相連接，單片機還通過SPI總線與TFT屏幕上的觸摸屏相連接，在單片機內(nèi)設(shè)有MCU模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能便攜示波器，其特征在于:信號輸入包括信號衰減電路的輸入電路，由電阻和電容組成，在電阻分壓的電路上并聯(lián)兩個電容，電容的容值比例和電阻阻值比例成反比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能便攜示波器，其特征在于，對衰減電路進行阻抗轉(zhuǎn)換，即利用電壓跟隨器輸入電阻大和輸出電阻小的特性，讓衰減器滿足1/4的比例同時輸送到加法器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能便攜示波器，其特征在于，在MCU的ADC采樣電壓前加上一個加法器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能便攜示波器，其特征在于，觸發(fā)電路構(gòu)成為利用電壓比較器，當運放工作在開環(huán)模式時，如果同相輸入端即INl+和IN2+的電壓高于反相輸入端即INl-和IN2-的電壓，運放輸出端即OUTl和0UT2會輸入高電平，否則會輸出低電平，這樣能通過電位器即RES_AJ來調(diào)節(jié)反相端電壓來產(chǎn)生合適的觸發(fā)脈沖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能便攜示波器，其特征在于，信號采集和處理通過MCU的ADCl和ADC2兩個通道來進行采樣，信號采集采用DMA傳輸方式，ADCl采用了 DMA2的StreamO 的 ChannelO, ADC2 米用了 DMA2 的 Stream2 的 Channel I。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能便攜示波器，其特征在于，系統(tǒng)軟件執(zhí)行程序如下: 程序里有一個最主要的全局變量:State，這是一個結(jié)構(gòu)體變量，結(jié)構(gòu)體如下:
typedef struct NowState {
enum TimeEnum Time;//每個AD值釆樣延時的時間
enum VoltageEnum VoltageCHl; //輸入通道 I 的電壓檔位
enum VoltageEnura \oLtageCH2; //輸入通道 2 的電壓檔位unsigned char Math;//使用的數(shù)學計算，有加減乘除4種基本運算
unsigned char FFT;/7是否使用快速傅里葉變換(FFT)
【文檔編號】G01R13/02GK104020332SQ201410199741
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】李永濤, 王秦君, 張緒德, 劉輝, 葛志勇, 董成林 申請人:南京郵電大學