寫在前面

今年寒假我完成了硬禾學堂的STM32G0簡易示波器與信號發生器項目（網址：https://www.eetree.cn/project/detail/167），暑假這次活動的開發板是上次活動的升級版，屏幕換成了彩屏，功能更多，也有了更好看的外殼，于是果斷白嫖下單。

本項目中示波器與頻譜儀部分代碼框架與前述項目基本一致，信號發生器部分改動較大，另外添加了PWM波形發生器和直流電源的功能，作為“口袋儀器”的功能更加完善。

工程中共有7個文件夾：

Core：工程核心代碼，如main函數，外設初始化函數等；

Drivers：stm32的HAL庫和LL庫驅動；

common：不同功能的公用部分，包括按鍵讀取和LCD驅動；

dc_source：直流電壓源功能的實現代碼；

pwm：PWM發生器功能的實現代碼；

scope_spectrum：示波器和頻譜儀功能的實現代碼；

signal_source：波形發生器功能的實現代碼。

每個口袋儀器的功能都有自己的主函數（如示波器部分的主函數為scope_main，定義在scope.c中），實現某一項功能時程序只在自己的主函數中循環運行，直到切換至另一功能。

1 項目需求

綜合性項目 - 實現一個完整的口袋儀器的功能

雙通道示波器：采集最大10Vpp、最高100KHz的模擬信號，FFT并頻譜顯示

波形發生器：正弦波、三角波、方波，頻率可調，最高為100KHz，可調輸出幅度，最大8Vpp，可調直流偏移，從-4V到+4V

PWM發生器，可調頻率和占空比

雙路可編程直流電壓源，-4V到+4V可調，可以設置為獨立模式和跟蹤模式

2個按鍵、一個撥輪開關控制菜單的所有操作

240 * 240的LCD顯示波形、參數、菜單

2 完成的功能及達到的性能

2.1 功能切換

我設計的口袋儀器一共有5個功能/頁面，分別為：示波器、頻譜儀、波形發生器、PWM發生器、直流電源，長按撥輪可以在這幾個頁面之間切換。

2.2 示波器頁面

波形顯示頁面如上圖所示，頁面包含以下信息：

時間分度值：5ms、2ms、1ms、500us、200us、100us、50us，分別對應采樣率3.2kHz、8kHz、16 kHz、32 kHz、80 kHz、160 kHz、320 kHz；

自動（A）或手動（M）Y軸縮放；

電壓分度值：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軸自動縮放和觸發功能的基準通道；

觸發邊沿：上升沿或者下降沿；

觸發狀態及模式：字母代表觸發模式（C：連續觸發，S：單次觸發，X：關閉觸發），顏色代表觸發狀態（紅色：觸發失敗，青綠色：觸發成功，棕色：觸發關閉）；

波形顯示區：顯示兩個輸入通道的波形（CH1：黃色，CH2：綠色）；

Y軸電壓指示：坐標區頂部、中間和底部的電壓值；

通道開關：CH1開啟：黃色，CH2開啟：綠色，通道關閉：棕色；

通道信息：通道直流電壓值、電壓峰峰值、頻率。

除②、⑦、⑧、⑩項以外，其余均可手動調節，按下設備左上方的兩個按鍵可以切換當前選中的項，選中項背景變為灰色，再通過左右調節撥輪可以改變該項的內容，調節完畢后長按左上方兩個按鍵可以取消選中。第②項（Y軸縮放）由手動縮放改為自動縮放的方式為將電壓分度值調至1V，再往上調節一檔，此時即為自動縮放；由自動縮放改為手動縮放方式為向任意方向調節電壓分度值。⑦、⑧、⑩項僅為信息顯示，無法手動更改。

按下撥輪可以暫停/繼續波形刷新。

2.3 頻譜儀頁面

頻譜顯示頁面如上圖所示，頁面包含以下信息：

信號頻譜（CH1：黃色，CH2：綠色）；

頻率軸刻度，單位為kHz；

當前采樣率（同示波器）；

通道開關：CH1開啟：黃色，CH2開啟：綠色，通道關閉：棕色。

其中③、④項可以手動調節，調節方式與示波器的相同，②跟隨采樣率自動調節。

由于采樣率最高為320kHz，根據奈奎斯特采樣定理，頻譜最高可以顯示160kHz的頻率分量。

2.4 波形發生器頁面

波形發生器頁面如上圖所示，頁面包含以下信息（均可手動調節）：

輸出開關；

波形類型：正弦波、方波、三角波；

頻率：調節范圍為0.1kHz至100kHz；

電壓幅值（峰峰值一半）：調節范圍為0V~4V；

直流偏移：調節范圍為-4V至4V。

2.5 PWM發生器頁面

PWM發生器頁面如上圖所示，頁面包含以下信息（均可手動調節）：

輸出開關；

頻率：調節范圍為1kHz至100kHz；

占空比：0%至100%。

2.6 直流電源頁面

直流電源頁面如上圖所示，頁面包含以下信息（均可手動調節）：

跟蹤開關：若開啟跟蹤，則只能手動調節通道1的參數，通道2跟隨通道1自動調整，電壓為通道1電壓的相反數；

通道1/2輸出開關；

通道1/2輸出電壓：范圍為-4V至4V。

3 實現思路

3.1 示波器與頻譜儀

ADC對模擬輸入進行采樣，采樣由定時器觸發，采樣結果由DMA搬運；

將采樣得到的ADC量化值映射到屏幕坐標點上，實現波形顯示；

對采樣序列進行FFT變換，繪制頻譜；

按下按鍵調整采樣頻率，實現波形在時間軸上的擴展與壓縮；

信號參數的顯示，如峰峰值、直流分量、信號頻率等。

3.2 波形發生器

根據預設的輸出信號波形信息生成查找表；

DMA將查找表數據逐項搬運至DAC進行輸出，搬運由定時器觸發；

按鍵調整輸出使能、信號參數等。

3.3 PWM發生器

使用STM32定時器自帶的PWM功能輸出PWM信號；

按鍵調整輸出使能、頻率與占空比，并進行定時器參數的更新。

3.4 直流電源

使用STM32定時器自帶的PWM功能生成PWM信號，經低通濾波器后輸出直流信號；

改變PWM的占空比即可改變直流電壓值。

4 示波器與頻譜儀實現過程

4.1 ADC對信號進行采樣

為了方便進行FFT計算，ADC在每個通道共采集256個采樣點。每次ADC轉換由定時器1觸發，觸發頻率最高為320kHz，即ADC采樣率最高為320ksps。ADC的轉換結果直接由DMA搬運至內存。

ADC轉換開始函數（定義位置：sample.c，調用位置：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次轉換結束后進入中斷，置位結束標志位，進入后續的數據處理程序。

ADC轉換結束中斷回調函數（定義位置：stm32f0xx_it.c）：

void HAL_ADC_ConvCpltCallback（ADC_HandleTypeDef *hadc）

{

finish_sample（）;

}

4.2 采樣結果的處理

由于ADC一次觸發對兩個通道進行采樣，在采樣后的數組里兩個通道的采樣信息是交替的，需要對其分開，即將采樣后的原始數組轉化為二維數組，二維數組每一行代表一個通道的ADC量化值。

ADC數據轉換部分代碼（定義位置：sample.c，調用位置：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］;

}

}

得到每個通道256個ADC量化值后，根據觸發電平（0V）選擇波形起始點，返回起始點在數組中的下標，顯示從起始點開始的192個點。

波形觸發部分代碼（定義位置：wave.c，調用位置：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;

}

為顯示上述192個點，需要將ADC量化值與LCD屏幕上的坐標進行線性映射，線性映射需考慮：ADC量化值向ADC輸入電壓值的映射，ADC輸入電壓值向運放輸入電壓值的映射，ADC量化值向LCD屏幕縱坐標的映射。

在自動模式（自動縮放y軸）中，程序以主通道為基準，自動找出量化值中的最大最小值，并使最大最小值也能不超出繪制范圍以外，這樣屏幕就可以顯示主通道完整的波形。在手動縮放模式中，可以手動調節y軸的縮放范圍，但此時波形不一定會完整顯示。

得到采樣點坐標后，使用st7789庫的繪制直線函數，連接屏幕上各個離散的點，就可以得到信號的波形。此外，若在繪制波形之前刷新屏幕或者一次性刪除掉上次的波形，會有非常明顯的閃屏現象。所以繪制波形的過程中需要邊刪除邊繪制，即刪除一小段上次的波形，再繪制一小段新的波形，重復以上操作，直至整個波形繪制完畢。

自動縮放y軸代碼（定義位置：wave.c，調用位置：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］;

}

坐標映射代碼（定義位置：wave.c，調用位置：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;

}

}

}

波形顯示代碼（定義位置：scope_display.c，調用位置：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 頻譜顯示

在頻譜顯示頁面，需要對各通道的ADC的量化值分別進行256點FFT變換。去掉低頻、直流和無效部分，保留FFT序號為8~127的結果，進行線性映射后顯示在屏幕上。

FFT的代碼定義在fftutil.c中，對變換結果的處理及顯示分別定義在spectrum.c和spectrum_display.c中。

5 波形發生器實現過程

波形發生器部分主要參考https://www.emoe.xyz/archives/1469設計，設計思路在3.2節中已經介紹，這里對一些實現細節與修改部分進行分析。

5.1 查找表

由dds原理可知，輸出信號頻率的計算公式為

其中f_MCLK為dds主頻率（查找表步進頻率），為定時器溢出頻率的二倍（DMA Double Data Mode，見前文鏈接）；N_max為查找表表長，查找表儲存了待輸出信號一個周期內的幅度值。在stm32中，為保證輸出頻率f_out取在0.1kHz~100kHz范圍內且頻率誤差足夠小，且防止查找表占用過大空間，f_MCLK和N_max必須是可變的，即對于不同的f_out，需要規定一個合適的f_MCLK，并算出對應的N_max。

設置N_max和f_MCLK的代碼如下（DDS_setWaveParams函數，定義在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為查找表生成函數，前面算出的N_max（代碼中為dds.lutlen）即為查找表表長。我對原作者的getNewWaveLUT函數進行了修改，使其能直接生成信號幅度、直流偏移可變的查找表，代碼如下：（定義位置：dds.c，其中DAC_AMP=2046代表輸出為0V時DAC量化值為2046，DDS_MAX_AMP=40代表最大幅度為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

原作者提到關閉DAC Output Buffer可以提升DAC輸出速率，但是關閉DAC Output Buffer會使DAC端口的輸出電阻變大，在本項目中會導致輸出電壓有很大的誤差。為保證輸出電壓的準確性，本項目需要開啟DAC Output Buffer。

6 遇到的主要難題

在寒假我參與了“STM32G0簡易示波器與信號發生器”項目，遇到的一些主要困難可以在該項目的主頁中找到（網址：https://www.eetree.cn/project/detail/167）。雖然兩個項目都是基于STM32CUBEIDE開發，不過將程序從G0芯片移植到F0芯片，還是遇到了許多問題：

時鐘頻率的問題：G0芯片的時鐘頻率是64M，而F0芯片是48M，代碼中許多與時鐘相關的地方需要重新調整頻率值。

ADC轉換通道問題：寒假的項目中ADC每次只需要對一個通道進行采樣，通過按鍵切換到另一通道；而F0芯片需要對兩個ADC通道同時采樣，而且轉換結果也是放在一個數組里交替存儲的，需要將其分開，因此很多函數的輸入參數都需要從原來的一維數組改為二維數組，以同時處理兩個通道的數據。

屏幕驅動及顯示問題：寒假的項目使用的是OLED屏幕，本次項目使用的是LCD屏幕，且兩個屏幕的分辨率、驅動等均不同。本次項目LCD顯示部分我使用了Floyd-Fish的ST7789庫（鏈接：https://github.com/Floyd-Fish/ST7789-STM32），該庫底層使用HAL庫實現，但作為示波器顯示波形時波形刷新速度很慢，經常卡頓，我將其改為LL庫后刷新速度有了很大提升。HAL庫的SPI發送函數調用了很多子函數，非常繁瑣耗時，而LL庫的SPI發送函數只有幾步寄存器操作，極為高效。

7 未來的計劃建議

該項目已經成功實現了口袋儀器的基本功能，并達到了預期指標。然而還有一些可以提升與擴展的地方：

可以引出調試接口（UART或SWD）或增加LED指示燈，在這次活動中我主要使用LCD顯示調試內容，較為不便。

主控芯片STM32F072的資源有限。可以更換更好的主控芯片，來提高采樣率，采樣點數等從而實現更高的性能，也能實現更快的屏幕刷新速度。

示波器測得的電壓與波形發生器輸出的電壓值有一些誤差，誤差來源可能是算法中的誤差或者是運放電路中元件參數的誤差。雖然可以通過軟件進行線性矯正或利用反饋端口進行調節，但由于時間精力有限未能完成。

當前觸發電平被固定在0V，且無法（不修改代碼）調節，導致一些波形（如PWM波，電壓值恒≥0V）無法準確被觸發，以后可以添加調節觸發電平的功能。

這款基于STM32F072的口袋儀器是一款專用于嵌入式編程學習的平臺，硬禾學堂同時開發了一款基于STM32G491的商用版本，已經上線Kickstarter眾籌平臺：Kickstarter上眾籌的多功能袖珍儀器 - 隨時、隨地學習電路、調試電路的好幫手

責任編輯：haq