嵌入式数字示波器的设计与实现

摘要

随着集成电路技术和现代数字信号处理技术的发展，数字示波器已经成为集显示、测量、运算、分析、记录等多种功能于一体的智能化测量仪器，并已逐渐取代传统模拟示波器。针对数字示波器系统设计的关键技术问题，国内外许多著名示波器厂商及研究专家提出了各种解决方案，并取得了许多成果。
　　专用数字信号处理器DSP强大的运算能力以及FPGA可并行、流水线的工作机制，成为现代数字示波器的核心。但DSP、FPGA在数字示波器中，专注于对离散信号的算法处理，而输入模拟信号的采集与系统任务的调度则成为其短板，使得外围电路设计与软件编程的复杂性增加。ARM技术的发展，使微处理器整合了DSP指令与浮点运算单元，使其在数字信号处理领域优势凸显，灵活的性能和丰富的外设资源也是DSP、FPGA所不可比拟的。
　　本文为降低数字示波器的成本和技术难度，提高其实时频谱分析性能以及人机交互能力，利用STM32微处理器为控制核心，结合外部信号处理单元，进行了嵌入式数字示波器系统的设计，提出了A/D采样的定时器控制法，采用系统定时器的PWM输出模式作为自身A/D采样的触发源，并运用DMA技术进行采样值输送，形成了集定时器控制A/D采样、DMA数据输送、窗口函数处理、FFT算法分析、波形信息显示为一体的嵌入式数字示波器系统。本文还在嵌入式数字示波器系统设计中移植了μC/OS-II操作系统进行多任务调度，提高了系统运行稳定性，移植嵌入式图形界面μC/GUI进行人机交互界面设计，人机界面良好。

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摘 要

Abstract

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 课题的研究现状及趋势

1.3 本文的主要研究内容与章节安排

第2章 系统的硬件设计

2.1 系统硬件设计框图

2.2 主控制器模块

2.2.1 STM32F103概述

2.2.2 STM32F103电路

2.3 信号处理模块

2.3.1 耦合选择电路设计

2.3.2 阻容衰减电路设计

2.3.3 程控放大电路设计

2.3.4 电平移位电路设计

2.4 触发电路

2.4.1 触发功能概述

2.4.2 触发电路设计

2.5 电源管理模块

2.5.1 电源电路概述

2.5.2 电源管理电路设计

2.6 TFT屏显示模块

2.6.1 TFT屏概述

2.6.2 TFT屏显示电路设计

2.7 本章小结

第3章 系统的软件设计

3.1 系统软件设计框图

3.2信号参数值测量

3.2.1 测量方案

3.2.2 信号参数测量的软件实现

3.3 采样频率的定时器控制法

3.3.1 实时采样频率

3.3.2 采样频率的定时器控制法的STM32实现

3.4 A/D采样值的DMA输送

3.4.1 DMA技术概述

3.4.2 A/D采样值的DMA输送的STM32实现

3.5 加窗处理与窗长调节

3.5.1 窗函数介绍

3.5.2 窗函数处理与窗长调节的实现

3.6 库利-图基算法的STM32实现

3.6.1 库利-图基算法

3.6.2 库利-图基算法的软件设计

3.7 系统分辨率与波形储存

3.7.1 水平扫描速度

3.7.2水平扫描速度和采样频率

3.7.3 垂直分辨率

3.7.4 垂直分辨率的调节

3.7.5 波形存储

3.8 μC/OS-II在STM32上的移植

3.8.1 μC/OS-II实时操作系统简介

3.8.2 μC/OS-II2.86源码包分析及工程建立

3.8.3 OS_CPU.H文件的移植

3.8.4 OS_CPU_C.C文件的移植

3.8.5 OS_CPU_A.ASM文件的移植

3.9 μC/GUI在STM32上的移植

3.9.1 μC/GUI嵌入式图形界面简介

3.9.2 μC/GUI3.98源码包分析及工程建立

3.9.3 LCDDummy.c文件的移植

3.9.4 GUIConf.h文件的移植

3.9.5 μC/GUI触摸屏相关文件的配置

3.9.6 stm32f10x_it.c文件的配置：

3.10 本章小结

第4章 系统测试

4.1 实验平台

4.2 系统性能测试

4.2.1 垂直灵敏度测试

4.2.2 水平扫描速度测试

4.2.3 波形显示

4.2.4 频谱分析实际测试与软件仿真分析

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致 谢