便携式低功耗多功能数字示波器设计

周学礼，田玉珂，赵 娜，程 飞，陈一啸，蔡 龙

（常熟理工学院 电子信息工程学院，江苏 常熟 215500）

近年来，集成电路技术及数字信号处理技术持续快速发展，平台化、集成化逐渐成为示波器发展的趋势．嵌入式数字示波器凭借其高性能优势，逐步取代传统的模拟示波器迅速发展成为一种集测量、运算、分析、显示、记录等功能于一体的智能测量设备，应用十分广泛[1]．

随着技术的进步，国内示波器生产商在近几年取得了很大的成就，主要优势是在价格方面．入门级的示波器已经走向国际市场，越来越受欢迎[2]，而高端示波器的市场主要还是被国外公司垄断．目前市场上对数字示波器的需求越来越大，功能也越来越丰富，但价格偏高、不方便携带，因此，便宜、小巧、便于携带的小型示波器更加受到工程师的青睐．本设计利用独立设计的信号调理模块以及电源模块，通过主控芯片强大的数据处理功能，加上操作系统以及图形界面系统，能够实现常规的测量功能．

1 系统整体设计方案

图1为系统设计框图，主要由系统主控模块、信号调理模块、LCD显示模块、触摸屏模块、LED显示模块以及为各个模块供电的电源模块组成．系统的主控模块采用的是STM32F407ZGT6单片机．

图1 系统设计框图

如图1所示，当待测信号进入系统后，首先经过信号调理电路模块进行调整，使得被测信号能够满足ADC采样检测条件；然后把调理后的待测信号通过主控模块进行模数转换并进行处理；最后将处理结果以波形的形式通过LCD屏显示[3]．与主控模块相连的触摸屏模块是用来检测触摸屏上的事件从而判断所要执行的任务，如显示通道1的数据或者显示通道2的数据．LED模块则用于显示数字示波器运行的正常与否．

图2 基准电源

2 系统硬件设计

硬件部分包含了信号调理电路模块、TFT-LCD显示屏模块、触摸屏模块、LED显示模块．主控模块是以ARM Cortex-M4内核为基础设计的STM32F407ZGT6，芯片自带12位逐次逼近型模数转换器[4]．

2.1 信号调理模块

受到信号源内阻、ADC测量电压的范围和精度等的影响，输入的被测量信号不能直接加到ADC的输入端，需要经过调理后，才能用于ADC的采集．信号的调理主要经过三个步骤：第一步，进行阻抗变换；第二步，进行程控增益放大；第三步，将输入信号调理至ADC可检测的范围[5]．

目前市场上示波器的阻抗主要有两种，1 MΩ和50 Ω．50 Ω是一种公认的阻抗标准，适用于高速信号．而本设计中并未采用高速信号，所以采用的示波器阻抗为1 MΩ．同时，对于本设计的1 MΩ的输入阻抗，需要配置一个输入偏置电流比较低的运放，本文选择AD8066作为输入级阻抗变换电路芯片．

第二个需要考虑的是程控增益．在信号采集时，在ADC精度的影响下，幅度很小的输入信号会产生较大的误差，此时，需要程控增益放大电路来对输入信号进行调理[6]．图2为基准电源部分，图3则是信号调理电路部分．本设计选择的是AD603程控增益放大器，如图3所示．

图3 信号调理电路

图3中，P2用于信号的输入，AD8066作为缓冲级，能使信号实现衰减，再将信号输入AD603中，最后再经过AD8066进行变换，就可以将电压调整到可供AD模块采样的范围之内．而主控模块的DAC模块可以产生所需的0～1 V电压．

第三个需要考虑的是输入信号的电压．由于ADC采样的信号范围为0～2.5 V．为了方便ADC采样，需要对信号的基准电平进行调整．本设计选择的是通过LM431产生稳定的1.25 V电压来作为放大后信号的基准电压．电路设计参考图2．

2.2 电源设计模块

电源模块设计成两个部分，分别为信号调理电路供电电源和主控模块供电电源．

信号调理电路供电电源电路中选择芯片MC34063来实现升降压变换[7]，具体连接电路如图4所示．当然只用开关稳压器是不够的，因为开关稳压器的功率管会一直处于工作状态，从而产生噪声，噪声则又会影响到电压的稳定性．因此可以在MC34063输出端接线性稳压，在产生电源电压的同时，还能保证电源电压的质量．

图4 信号调理电路电源模块

与信号调理电路不同的是，主控模块芯片的电压只需3.3 V．本设计中选择的是线性稳压器AMS1117—3.3．将经过调整后稳定的5 V电源电压输入到稳压器上，就可以得到所需的3.3 V稳定电压．图5为主控模块供电电源电路．二极管D5连接3.3 V电压，可以显示电压转换是否正常，起到监测的作用．

图5 主控模块电源电路

2.3 触摸屏模块

为了方便用户使用和节约空间、成本，本设计选用触摸屏，没有物理按键，界面更简洁且容易操作，同时也避免了物理按键可能出现问题导致设备无法工作的情况[8]．本设计中使用的芯片为XPT2046的电阻触摸屏．芯片通过SPI进行数据通信，芯片XPT2046的T_PEN、T_CS、T_CLK、T_MISO、T_MOSI引脚分别对应主控芯片的PB11、PB12、PB13、PB14和PB15引脚．

2.4 LCD显示屏与LED模块

本设计采用TFT-LCD显示屏显示波形，分辨率为320*480，驱动芯片为NT35310．系统接口可以采用8080-I/8080-II系列MCU的8/9/16/18位接口，图形控制的6/16/18位RGB接口[9]能够满足设计所需．本设计采用16位接口，TFT-LCD屏与主控芯片的连接方式为：引脚D0—D15依次连接主控芯片PD14、PD15、PD0、PD1、PE7～PE15、PD8～PD10．TFT-LCD 屏底座的引脚 MISO、MOSI、T_PEN、T_CS、T_CLK 分别连接至主控芯片的PB14、PB15、PB11、PB12、PB13，引脚MO则与触摸屏模块的BUSY引脚相连．

本设计中，LED模块主要包括一个电源指示灯及两个用户指示灯．电源指示灯表明当前系统供电正常与否；用户指示灯则主要指示一些运行状态及报警信息等．

3 系统软件总体设计

3.1 软件部分总体流程

软件部分移植嵌入式实时操作系统UCOS-II[10]及图形用户接口UCGUI组成一个完整的嵌入式实时系统．系统开机后，首先对UCOS进行初始化，然后创建一个启动任务TaskStart，接着启动多任务调度．在启动任务TaskStart中，首先对外设进行初始化，包括中断分组的设置、ADC模块、DAC模块、触摸屏模块、LCD显示模块等的初始化；第二步则初始化UCGUI；第三步对示波器参数进行初始化；最后创建系统中的两个重要任务GUITask及SampleTask[11]．软件部分流程图如图6所示．

图6 软件部分的总流程图

3.2 示波器参数定义

对于示波器来说，需要的参数很多，合理的参数结构设计对于示波器软件的开发、维护及功能扩展都有至关重要的作用．

通用参数：通用参数的结构体类型定义为OSC_COMMON_TYPE，通用参数中主要定义了示波器各通道的共用参数，如当前状态（CurrentState）、时基（TimeBase）、波形显示背景颜色（BackColor）、格点颜色（GridColor）、当前实际采样率（SampleRate）、当前主通道（CurrentChannel）等．

触发参数：触发参数的结构体类型定义为OSC_TRIG_TYPE，触发参数主要定义了示波器中与触发功能有关的参数，如触发模式（TrigMode）、触发类型（TrigType）、触发源（TrigSource）、触发电平（TrigV）等．

波形参数：波形参数的结构体类型定义为OSC_WAVE_TYPE，波形参数主要定义了示波器各通道独立的参数，如该通道的外部固定增益（ExternVGain）、程控增益（ActualVGain）、采样的参考电压（RefV）、电压档位（VBase）、波形颜色（WaveColor）等等[12]．

3.3 桌面窗体设计

本设计单独创建一个任务来运行桌面窗体，主要用来处理示波器参数输入及显示．如图7所示为桌面窗体设计．图7（a）为开机主界面显示效果，中间区域显示示波器波形，上方、下方及右侧主要用于示波器状态、参数显示及调整．下方一排按钮主要用于通道使能允许、主通道选择、运行暂停控制、主通道电压档位调整、时基调整．由于示波器界面空间有限，而参数调整又多，因此右侧按钮设计有复用功能，连续点击“CH1”按钮可以切换显示各通道参数、耦合方式，还可以切换到触发参数调整界面．图7（b）为示波器功能时触发参数显示界面，图7（c）为信号发生器功能时界面实物图形．

图7 桌面窗体设计

3.4 线性内插

根据奈奎斯特采样定理，采样率必须大于等于被采样信号频率的2倍，才能将被采样信号恢复出来[13]．当被采样信号的频率较高时，示波器的采样率不足，只能采集到被采样信号的少量点数．为了更好地恢复和重建采样信号，就需要对采样信号进行插值运算．数字示波器中常用的插值算法有线性内插和正弦内插算法．线性内插是一种最简单的插值方法，计算量比正弦插值小．虽然本次选用的微处理器的处理速度很快，但在正弦插值时运算还是比较吃力的[14]，本设计选择使用线性内插法．

3.5 信号发生器功能

信号发生器功能比较简单，我们选用的是STM32自带两路独立的DAC模块[15]．当前如果在示波器模式下，两路DAC分别控制两个通道的增益；当前如果是在信号发生器模式下，则会将通道2的DAC切换到信号发生器的输出．

4 实验结果与分析

实物展示如图8所示，图8（a）为便携式低功耗多功能数字示波器实物图，图8（b）为示波器功能时双通道显示正弦波效果图，图8（c）为信号发生器功能时产生正弦波波形．本设计的主要功能是对待测信号进行测量．为了验证该示波器测得数据的准确度，我们将其与专业的示波器测量数据进行对比．

图8 实物展示图

4.1 平均值测量与分析

平均值的计算比较简单，程序中对缓冲区中采样到的值进行累加求和，然后取平均值，再根据采样参考电压、采样分辨率、外部增益值及程控增益值等将该采样平均值转化为实际的电压值．此值即为被采样信号的平均值．表1为平均值的测量值与实际值的结果对比．

表1 平均值的测量值与实际值比较

4.2 峰峰值测量与分析

找出采样缓冲区中的最大值和最小值并转化成实际电压值，将最大电压值和最小电压值做差，此值即为该波形的峰峰值．表2为峰峰值的测量值与实际值的结果对比．

表2 峰峰值的测量值与实际值比较

4.3 频率测量与分析

本设计没有选用硬件测量方式进行频率测量，而是采用软件计算的方式．频率的计算方式为：首先根据采样缓冲区中的最大采样值和最小采样值计算出一个平均值作为基准，然后通过采样缓冲区采样值的大小来检测出波形的上升沿，再通过对波形的上升沿进行计数，并根据采样时间，最后可以求出当前被采样波形的频率．通过测试发现该方法计算出的波形频率比较准确，频率的测量值与实际值的结果对比如表3所示．

表3 频率的测量值与实际值比较

5 结束语

本文设计并实现了一种便携式低功耗多功能数字示波器．经实验验证，该便携式示波器具有功耗低、性能稳定、成本低、功能丰富等优点，具有较高的实用和推广价值．后续在本设计的基础上，还可以进行功能升级，如将主控芯片更换为性能更加强大的ARM芯片，也可使用外围ADC采样电路来提高示波器对信号的采样率和采样深度，以便得到更加精确的波形数据．