峰值检测示波器的设计

徐正明，石晓晶

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京　210094)

0　引言

峰值信号在工业检测中的地位越来越重要，例如检测某器械受损的峰值压力、某仪器工作时产生的峰值磁场强度，确定某芯片正常工作的峰值温度等[1-2]。传统的峰值检测仪只显示检测到的峰值信号，这不便于观察和分析仪器电路的工作情况，或者使用传统的示波器观察，但它携带不方便，价格昂贵。为此介绍一种基于STM32F107微控制器的峰值检测示波器，它能够将峰值信号采集的全过程实时显示在3.2寸TFT液晶显示器上，并由SD卡大容量地存储波形。

1　峰值检测示波器总体结构设计

峰值检测示波器总体结构设计框图如图1所示，选用基于CORTEX M3核心的STM32F107作为仪器的微控制器，并使用了内部的A/D转换模块、SysTick定时器和DMA控制器。3．2寸的TFT液晶显示器加上3×2行列式键盘为仪器提供了良好的人机交互界面，SD卡为仪器提供了大容量存储。采集前，选择合适的采样时间，再将处理后的信号通过限压保护电路进入微控制器内部A/D转换电路，由触发按钮启动第一次A/D转换，转换得到的数据通过DMA方式传输，处理后实时显示在TFT显示器上。连续两次采集的时间间隔主要由SysTick精确延时，当采集到峰值后可按下暂停按钮，自动存储最近采集的300次波形数据，并可以通过上翻和下翻按钮回看波形。

图1　峰值检测示波器总体结构设计框图

2　A/D转换

STM32F107内部的ADC是一种逐次逼近式模拟数字转换器，它的分辨率为12位，最快转换速度为1 μs，可采集0～3.6 V的电压。由于该仪器采用3.3 V电压供电，故输入电压范围为0～3.3 V，若输入电压超过3.3 V，则发光二极管以闪烁方式报警提示，且显示器将在超限电压值处作红色标志。A/D转换的流程图如图2所示。

图2　A/D转换流程图

使用DMA方式传输数据，减轻了CPU的负担，提高了系统的工作效率，为快速、高性能的ADC提供了通道。DMA初始化主要包括选择DMA通道，定义DMA对应的外设基和存储基地址，确定传输数据的来源为和目的地，设定缓存大小，转换模式和优先级等等。ADC初始化主要包括设置ADC工作模式，设定A/D转换模式，定义触发模式，规定ADC数据对齐方式，配置规则转换的通道数目，复位校准寄存器等。

峰值检测示波器的采样时间主要由ADC总转换时间TC和SysTick延时时间TS决定，TC由ADC每个通道设定的采样时间TC1和A/D转换时间TC2决定。故采样时间T公式如下：

T=TC1+TC2+TS

(1)

TC1值越大，A/D转换的结果越稳定。该示波器外部晶振为8 MHz，9倍频，系统时钟为72 MHz，每个通道设定的采样时间为55.5个周期，A/D转换时间为12.5个周期。由于ADC驱动频率最高为14 MHz，因此时钟频率是14的整数倍时，才能得到最高的频率，故Tc值约为5.67 μs．采样时间通过采样时间选择按钮循环设定，分为100 μs、500 μs、1 ms、10 ms、100 ms和1 s 6个档次。SysTick延时初值由式(1)和峰值检测示波器的采样时间计算得出。连续转换开始后，ADC转换值通过DMA方式不断更新，由于DMA通道传输无须CPU干扰，由硬件自己完成，故每次延时时间到，程序只需要实时显示最新采集得到的电压值。

3　TFT液晶显示

TFT LCD选择ILI9320控制器，它是一款带有26万色的单芯片SoC驱动的晶体管显示器，320×240的分辨率，包括720路源极驱动以及320路的栅极驱动，自带有显存，容量为172 800字节。由于STM32F107芯片不支持FSMC，所以ILI9320控制模块与微处理器之间的接口为“i80-system”接口。为了提高工作效率，峰值检测示波器采用16位位宽的总线实现65K色，一次性完成颜色数据的传输任务[3]。

为了使波形连续显示，界面没有直接使用时间作为横坐标，而是用采集点间接换算出时间。将横坐标分成3个可见大格，共300个小格，每一个小格为一个采样点，若采样时间为10 ms，则每一大格时间为1 s．这种方法相对于传统的插值算法的优点是：运算简单，数据可靠，显示速度快，时间轴连续，适用于对时间要求不高的峰值检测中[4]。但它对采样时间的选择要求较高，所以采集前需要对输入信号有一定的了解，或者可以通过预设值采样时间获得波形，分析后再确定采样时间。纵坐标y确定公式如下：

y=236-V·236/4 095

(2)

式中：236是指将纵坐标分为236个小格，每一小格对应一个分辨率；V是ADC采集得到的数据，此处已将数据显示在坐标轴第一象限内。纵坐标相应的电压值Y公式如下：

Y=(236-y)·3.3/236

(3)

式中Y的单位为V．

由于屏幕分辨率的限制，该示波器若超过300次还未采集到峰值电压，界面将从屏幕左边继续显示当前采集值，之前的显示暂不覆盖，留作检测完成后分析，但查看波形时，只显示最近采集的300次波形数据。显示软件设计流程图如图3所示。

图3　显示软件设计流程图

ILI9320初始化主要包括配置管脚、开内部振荡器、设置GRAM的更新方向、行列地址及垂直和水平RAM地址位置等等。清屏是通过将屏幕所有点颜色设置成白色完成的。

4　SD卡存储

峰值检测示波器采用SD卡存储数据，数据块的长度设置为512字节，一个标准扇区大小，容量并不固定，可根据实际情况选择。软件初始化时，可根据卡的容量计算出最大存储波形的个数。考虑到SPI模式简单易用、兼容性好、便于和微控制器连接通信，该示波器使用SPI模式[5-6]。

由于单块写操作数据块的长度只能是512字节，故在读或写操作时，将512字节数据整体读出或写入。检测到峰值后，最近采集的300次数据以十六进制形式存储在SD卡的2个扇区内，第一个扇区的前8个字节固定为此次检测的采样时间和检测到峰值的实时时间。扇区0专门用来保存最近一个波形存储的首扇区号及当前存储波形个数，便于查看历史存储波形。

5　实验结果

该次实验的对象为某医疗器械，它正常工作时将产生脉冲磁场，传感器输出的信号经过调理且已限制在3.3 V内，采样时间选择10 ms．实验结果如图4，横坐标每一大格为1 s，纵坐标每一大格为1 V，采集到的峰值电压为2.15 V，将它与理论值作对比，两者十分接近，实现了峰值信号采集的实时显示，显示的波形有利于进一步分析该医疗器械的工作状态。

6　结束语

峰值检测示波器是基于STM32F107内部

图4　峰值检测示波器实验结果图

ADC单通道设计的，在此思想上，也可以设计通道更多、精度更高、功能更全的峰值检测示波器。由于它开发成本低廉，体积较小，非常适合工业现场峰值检测工作，例如冶金、冶铁时，测试脉冲磁场强度。除此以外，它还可以当作一般示波器采集波形，在下位机就可以实时、准确获取波形。

参考文献：

[1]赵建敏，李琦．工业通用A/D采集模块的设计与实现．仪表技术与传感器，2012 (12)：21-23．

[2]邵珠超，吴强，马梅，等．一种数字便携式示波器的软硬件设计．仪表技术，2012 (12)：51-54．

[3]周富相，陈德毅，刘培国，等．基于STM32的数字示波器设计与实现．山西电子技术，2011(2)：8-10．

[4]丁昊，宋杰，关键．基于TFT彩屏液晶的便携数字存储示波器．现代电子技术，2010(18)：166-169．

[5]孙国杰，吴长奇．基于大容量存储卡数据采集器开发研究．仪表技术与传感器，2010(10)：72-74．

[6]韩辉，丛培田，郭颖．基于SD卡的多通道数据采集系统．工业仪表与自动化装置，2010 (1)：65-67．