引言

寒假练有一款白色的、非常美观的、双通道输入的基于STM32G031的板卡，它可以实现哪些功能呢？示波器、DDS信号发生器、频谱分析仪、失真度测量仪等等。 今天我们来看一位来自南京大学的【电子卷卷怪】同学所做的双通道简易示波器项目，这位同学还帮助多个参加寒假练的同学亲自解决了他们的问题。

项目成果概述

本项目使用硬禾课堂STM32G031开发板卡以及STM32CubeIDE开发工具，实现了一个简易的示波器。示波器的各项参数或功能概述如下：

1. 外观

（1）有主界面、副界面两个界面，并可以相互切换；

（2）主界面包含波形模式和FFT模式，分别显示被测信号的波形和频谱；

（3）波形模式包含：垂直尺度调整、水平时基调整、屏幕中心电平调整、模拟触发电平调整、负时间调整、平均值显示、频率测量显示、峰峰值显示；FFT模式包含：垂直尺度显示、采样率显示、屏幕中心电平显示、模拟触发电平显示、频谱最大分量（归一化值）显示、频标调整、频标对应分量显示。

（4）副界面包含5个其他功能：通道选择、波形/FFT模式切换、开启AUTO、模拟触发电平极性、开启单次（Single）模式。

2. 操作

（1）位于主界面的任意模式时，单击左右键可以使光标在该模式下可调整的功能间移动，转动旋钮调整被光标选中的参数；

（2）位于副界面时，单击左右键可以使光标在5个其他功能间移动，转动旋钮可以调整被选中的功能；

（3）按住旋钮的情况下：单击左键进入主界面、单击右键进入副界面。

（4）开启AUTO后，自适应调整只会在切回主界面后被执行一次；对新波形的自适应调整需要切到副界面——开启AUTO——切回主界面。

（5）开启Single后，无触发时，正常显示波形；触发一次后，波形与频谱均固定，并不会更新，但可以调整负时间和频标；在触发后，调整垂直尺度、水平时基、屏幕中心电平、模拟触发电平、采样率中的任意一者，都会导致下一次触发的捕捉。

项目需求分析

总的来说，本项目可以分为两个大的模块：GUI模块、采样处理模块。其中，相对于程序的主循环而言，采样处理模块是高速的、“同步”的，GUI模块是慢速的、“异步”的。两个模块间既需要并行不悖，又需要互相交换数据。 对于采样处理模块，主要考虑以下4个需求问题：1. ADC可控采样率与切换通道的实现；2. 触发电平的实现，以及负时间显示的实现；3. 如何对频率进行较高精度的测定；4. 如何计算信号频谱； 对于GUI模块，主要考虑以下3个需求问题：1. 如何以尽可能低的误判率获取按键与旋钮的信息；2. 中断服务函数所应干涉的范围；3. 如何以尽可能简洁的方式实现按键对GUI的改变 对于两个模块而言，最核心的问题是：如何在两者之间进行高效的数据传输的同时，避免数据的误判或漏判。

核心技术路线

针对“二”中提出的需求，以下同样分两个模块，对项目的技术路线进行完备的论述。鉴于HAL库过于庞大，且本人对项目的理解更偏重于硬件底层，除了HAL_Init，SystemClock_Config，以及与NVIC有关的3个最底层的函数（Priority, Enable, ClearPending）外，其他所有的外设配置代码，均为本人阅读器件手册后编写的寄存器代码。

1. ADC可控采样率与通道切换

在ADC连续模式下，虽然可以通过调整采样时间来调整采样率，但这样做显然并不好。一方面，这样得到的转换周期（Tsamp + 12.5ADC_Cycle）的倒数，即频率，往往是不规律的非整数，这样做不利于功能调整的层次化与统一化；另一方面，即使采用16MHz主频，在12位分辨率下，ADC最小转化频率也有16MHz / (160.5 + 12.5) ≈92.5kHz，有效测量范围太小。 定时器触发的方式是最好的选择。一方面，只需控制转换时间不大于采样率的倒数，就能获得完全可控的转换率；另一方面，这样有利于定时器触发DMA传输的引入。由于在32MHz主频下，即使是最简单的中断服务函数，频率也只能到150kHz左右，因此，DMA传输既可以提供较高的采样率，又可以使“采样——处理”分离的结构更加清晰。配置的方法： 对ADC端：

void ADC_init(void)

{

  uint32_t temp;

  RCC->IOPENR |= 0X1UL;//打开PortA时钟

  temp=RCC->IOPENR;//时钟使能需等2个周期

  UNUSED(temp);//避免Warning

  //由于GPIOA->MODER对应位默认为0X3，即模拟输入

  //因此不需要再额外配置PortA

  RCC->APBENR2 |= (0X1UL<<20UL);//打开ADC1时钟

  temp=RCC->APBENR2;

  UNUSED(temp);

  ADC1->CR |= (0X1UL<<28UL);//使能内部参考电压

  //自己写的延时，用TIM17的OPM模式

  TIM17_Delay(1000-1,32-1);//等待参考电压有效

  ADC1->CR |= (0X1UL<<31UL);

  do

  {

    temp=ADC1->CR;//开始校正指令

  }while(temp & (0X1UL<<31));//等待校正结束

  ADC1->CFGR1 |= (0X1UL<<16 | 0X1UL<<12 | 0X2UL<<10 | 0X2UL<<6 | 0X0UL);

  //(discontinuous,overwritten,ext rising edge,TRG2,DMA disabled);

  ADC1->TR1 &= ~(0X0FFF0000);

  ADC1->TR1 |=  (0X0FFF0800);

  //模拟看门狗的高低阈值

  ADC1->CFGR1 |= (0X1<<26 | 0X1<<22 | 0X1UL<<23);

  //AWD1 configuration

  ADC1->CFGR2 |= (0X3UL<<30); //PCLK as ADC_CLK

  ADC1->CHSELR |= (0X1UL << 1 | 0X0UL<<7);//选择通道一

  do

  {

    temp=ADC1->ISR;

  }while(!(temp & (0X1UL<<13)));//等待通道配置有效

  ADC1->CR |= 0X1UL;//enabling ADC1

  do

  {

    temp = ADC1->ISR;

  }while(!(temp & 0X1UL));//ADC Ready

  ADC1->CR |= 0X1UL<<2;//ADC Start

  return;

}

模拟看门狗的配置将在后面说明。这里最关键的，一是必须配置为非连续模式、外部上升沿触发，选择TIM2的TRGO为触发源，并且不能选择ADC为DMA触发源，否则ADC的overwritten特性会迫使软件屡屡清除标志位，以保证DMA Request的持续产生；二是在外部触发时，必须先start。对DMA端：

void ADC_DMA_init(void)

{

  uint32_t temp;

  RCC->AHBENR |= 0X1UL;

  temp=RCC->AHBENR;//时钟使能需2个周期

  UNUSED(temp);//避免Warning

  DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)(ADC1_BASE+0X40);

  DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)(&dat_buf);

  DMA1_Channel1->CNDTR = ADC_MAX * 2;

  DMA1_Channel1->CCR |= (0X2UL<<12 | 0X1UL<<10 | 0X2UL<<8 | 0X1UL<<7 | 

      0X0UL<<3 | 0X1UL<<1 | 0X1 << 5);

      //v-high priority, m-size=16,p-size=16,m-increase,

      //error and complete interrupt, circular mode;

  DMAMUX1_Channel0->CCR &= ~(0X7FUL);

  DMAMUX1_Channel0->CCR |= (0X1FUL);//tim2 as request source

  __NVIC_SetPriority(DMA1_Channel1_IRQn,0);

  __NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);

  DMA1_Channel1->CCR |= 0X1UL;//enable DMA channel

  return;

}

传输数据使用的是通道一。相比于F407等系列，G031引入了DMAMUX的概念，使得几乎所有的外设和一些事件都可以在任意一个DMA通道上产生请求。由于DMAMUX的0~4对应DMA的1~5，查阅用户指南后，得知设置DMAMUX的CCR的低7位为31（0X1F）表示TIM2的Update。 对TIM端：

void TIM2_Init(unsigned int priority)

{

  uint32_t temp;

  RCC->APBENR1 |= 0X1UL;//使能TIM2时钟

  temp=RCC->APBENR1;

  UNUSED(temp);

  //TIM2->DIER |= 0X1UL;//允许更新中断

  TIM2->CR1 |= 0X1UL<<2UL;//手动更新不触发中断

  TIM2->CR2 |= 0X2<<4;//update as TRGO

  TIM2->SMCR |= 0X1UL<<7;

  TIM2->DIER |= 0X1UL<<8;

  TIM2->ARR = 16-1;

  TIM2->PSC = 0;

  temp=TIM2->ARR;

  TIM2->EGR |= 0X1UL;//手动更新寄存器值

  temp=TIM2->PSC;

  UNUSED(temp);

}

通过CR2的主模式位MMS[6：4]配置TIM2的Update为TRGO，否则无法正确触发ADC；使能更新事件的DMA请求。 在上述框架下，DMA只要开启单次模式，等待全传输中断函数置标志位就可以了。需要注意的是，在清除中断标志的时候，需要同时清除NVIC端和外设端的标志位，否则会陷入无限的中断循环。 若开启了上述外设配置，则上述架构在DMA One shot模式下就能完成采样率可调的循环数据传输。而我们最终开启的是DMA Circular模式，这将在后面说明。

2. 触发电平的实现，以及负时间的实现

触发电平，即以被测信号越过某个阈值电压为起算点，采集后面的若干个数据。该方法可以使波形稳定地显示在屏幕上。 负时间，即可以显示触发电平前一定时间内的波形。当触发电平用于异常信号的单次捕捉（Single模式）时，负时间可以显示异常信号前的波形。 有同学在无条件采样后计算一组数据的均值（中值），并显示从中值样点开始的数据，从而通过软件实现触发电平。这种方案在实现AUTO时不失为一个好的启发，但在此面临两个问题：第一，单纯的中值判断无法控制触发的极性，即无法选择上升沿还是下降沿触发。若增加前后值判断，则将增加软件运算量；第二，这种算法下不可能出现“无触发”的、波形乱晃的现象，与真实的数字示波器存在差异。从本质上讲，这种方法没有充分利用硬件底层。 G031的ADC自带一个模拟看门狗，即Analog Window Watchdog的特性。即当采样值超出规定范围（窗口）时，输出AWD_OUT将持续拉高，直至电压落回窗口内，延迟为一个转换周期。并且，这个信号是硬件连接（hardwired）至TIM1的外部触发MUX的。它可以通过TIM1的AF1寄存器被选择为TIM1的从模式外部触发信号。

配置TIM1从模式为Trigger Mode（上升沿触发启动）、选择触发源为外部触发ETR，再连接AWD1至ETR，就可以在DMA One Shot模式下，实现基于硬件的、真正的触发电平功能。通过ADC的TR1设置阈值，假设TIM1为上升沿启动，则当窗口为（x , 0x0FFF）时，为下降沿触发；当窗口为(0x0000 , x)时，为上升沿触发。


然而在这样的结构下，是无法实现负时间功能的。由于AWD_OUT的上升沿是不可预知的随机事件，因此应该对程序结构进行微调：改用DMA Circular模式，AWD_OUT作为采样停止——而不是开始——的信号。 假如我们希望采集触发后的256个数据（为方便FFT运算），又希望显示负时间的128个数据，则应该配置TIM2为ADC触发源，令TIM1的溢出周期为TIM2的256倍。在TIM1的中断服务函数中关掉（Disable）TIM2，就能实现上述功能。与此同时，DMA1_Channel1的CNDTR中将保存一个循环中剩余待传输的数据个数，据此可以定位连同负时间在内的整段有效数据在DMA目标数组内的起止位置。



若目标数组大小为512，当TIM2停止时，CNDTR的值为CH1_CNDTR，则触发点下标应为(512 - CH1_CNDTR - 256) % 512= (512 - CH1_CNDTR + 256) % 512= (768 - CH1_CNDTR) % 512 然而这样的设计存在一个问题：模拟触发事件具有随机性，如果它在重新开启TIM2后的几个周期内就发生，那么当新一段数据被存储完成后，负时间位置的数据还是上次采样的数据，这就会导致负时间显示错误。




为了避免上述情况，在新一轮开启后，必须先等待一次全传输中断再开启TIM1。事实上，只要一次全传输中断后，无论TIM1隔多久开启，数组中的时间轴都是连续的。用dat_buf_ready的bit0表示全传输中断、bit7表示TIM1中断。

if((!(cursor_buf & (0X1 << 7))) || ((cursor_buf & (0X1 << 7)) && (single_flag == 0)))

    {

      TIM1->ARR = TIM2->ARR;

      TIM1->PSC = (TIM2->PSC + 1) * 256 - 1;

      TIM1->EGR |= 0X1;

      {

        DMA1_Channel1->CNDTR = ADC_MAX * 2;

        DMA1_Channel1->CCR |= 0X1UL;

        TIM1->SR &= ~(0X1UL);

        TIM2->CR1 |= 0X1UL;

      }

      while(!(dat_buf_ready & 0X01))

      {

      }

      TIM1->DIER |= (0X1UL);

      TIM1->SMCR |= (0X0UL<<16 | 0X6UL);

      dat_buf_ready &= ~(0X1);

    }

void TIM1_BRK_UP_TRG_COM_IRQHandler(void)

{

  CH1_CNDTR = DMA1_Channel1->CNDTR;//赋值了不一定用，但这样最准确

  if(TIM1->SR & 0X1UL)

  {

    {

      TIM2->CR1 &= ~(0X1UL);

      TIM1->CR1 &= ~(0X1UL);

      //Stop tim2 and consequently stop DMA

      TIM2->CNT = 0;//resetting TIM2

      dat_buf_ready |= 0X1 << 7;//setting complement flag

    }

    TIM1->SR &= ~(0X1UL);

    __NVIC_ClearPendingIRQ(TIM1_BRK_UP_TRG_COM_IRQn);

  }

}

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)//中断服务函数

{

  DMA1->IFCR |=0X1UL;

  dat_buf_ready |= 0X1;

  __NVIC_ClearPendingIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);

}3. 信号频率的测定


数字测定频率的方法，一般是先整形再测量。即通过施密特触发器（比如TLV3501）先把信号整形成脉冲，再对脉冲进行测定。对脉冲的测定也有两种思路：一是直接同步采样后计算脉冲个数，适用于较高频率；二是计算脉冲高低电平的周期个数，适用于较低频率。两种方法均受限于系统最高主频。这也是本项目至今为止两个尚为得出最优解的难点之一。 本项目从脉冲整形到计数均采用硬件特性为主、软件程序为辅的思路。根据前面的讨论可知，ADC的AWD在一定频率以下等效于一个极其理想的脉冲整形器。相较于模拟施密特触发器，其最大的特点在于脉冲整形的响应特性与信号峰峰值的绝对值无关，而仅受到信道噪声和量化噪声的干扰。因此，测量频率最基本的方法，也是本项目采用的方法，就是对AWD的输出信号AWD_OUT在一定时间内进行计数。此方法实现起来最为简单，但面临两个很大的问题：第一，相比于FPGA广泛采用的双闸门法，此方法会把闸门时间的前后沿漏掉，引入一定的误差，但这并非主要矛盾。

第二，实测表明，在测定较低频率的正弦波或三角波时，频率将出现较大误差，只有对方波的测定最为准确。这种误差只有在200Hz以上才可以忽略不计。究其本质，是因为信号的噪声抖动所致。AWD_OUT的灵敏度带来了一个致命的缺点：没有任何的滞回特性，这就导致在过触发点附近的任何噪声都可能被极大地放大，只有边沿极抖的方波才能“幸免”。反观模拟脉冲整形电路，由于人为设计滞回电路以及电路本身输入输出电容的存在，对输入信号总有一定的消抖能力。当然，用于传输测试信号的信道本身也存在问题。一方面，用于输出测试信号的手持信号源输出的信号可能质量欠佳；另一方面，相比于“BNC——同轴线——SMA”信道，“鳄鱼夹——杜邦线——排针”信道的明显劣势也是不言而喻的。 一定程度上减弱抖动影响的措施，唯有通过定时器自带的数字滤波器，对AWD输出信号进行数字滤波。但实验证明，若用2Msps的速率采集峰峰值3.0V的正弦波，即使采用最大滤波长度，依然会将10Hz误测成100Hz左右，而在滤波前，误测值高达2kHz左右。由于后续AUTO功能的需要，测量频率和数据采集是分开的。也即频率测量与时基无关。

if((!(cursor_buf & (0X1 << 7))) || ((cursor_buf & (0X1 << 7)) && (single_flag == 0)))

//测量频率

        {

       //配置参数

        //保存TIM2原参数，并设为2MHz采样率

        arr = TIM2->ARR;

        TIM2->ARR = 16 - 1;

        smp = (ADC1->SMPR) & 0X7;

        ADC1->SMPR &= ~(0X7);

        ADC1->SMPR |= 0X1;

        psc = TIM2->PSC;

        TIM2->PSC = 0;

        //将TIM1的从模式更改为External Clock 1

        //并打开数字滤波

        TIM1->SMCR &= ~((0X1 << 16) | 0X7);

        TIM1->SMCR |= 0X7;

        TIM1->SMCR |= 0XF << 8;

        TIM1->PSC = 0;

        TIM1->ARR = 65535;

        TIM1->CNT = 0;

        TIM1->EGR |= 0X1;