基于stm32mini开发板的简易函数发生器和简易示波器

基于stm32 mini开发板的简易函数发生器和简易示波器

前言：用正点原子的mini开发板，设计制作简易示波器和简易函数发生器，需要运用的知识是 ADC+DAC+DMA+通用定时器+外部中断。

一、项目整体思路和实现的功能
这个项目是基于正点原子stm32 mini开发板设计的，使用芯片为STM32F103RCT6，相关配置步骤和基础知识，可以在正点原子论坛找到。
（一）、简易示波器思路和功能
利用stm32的ADC功能，在一定时间内采集IO口电压，将采集到的数值保存在数组中，经过数据处理后，显示在LCD上。
能实现正电压下，0~3.3v电压的显示，以及最高10KHZ的频率显示（10K以上显示将不清晰）。能通过两个按键实现对ADC采样周期的转换，分为us级和ms级。
（二）、简易函数发生器思路和功能
利用stm32强大的DAC和DMA功能，以定时器2触发DAC转换，以DMA传送需要转换的数值，以达到目标波形的输出。
能实现正弦波，三角波，方波，锯齿波，甚至模拟噪声波等多种波形的输出，可以调节输出波形的幅值和频率。

二、程序设计和部分原理解释
（一）、外围按键设计
这部分主要涉及改变ADC采样周期，由于整个程序有延时，必须采用中断的方式读取键值并改变采样周期标志位，这样才能达到按一次改变一次的效果。但是任然存在延时，按了按键以后需要等到下一个循环周期才能改变LCD显示。
这部分包括按键初始化，键值读取，外部中断配置。主要展示外部中断配置。

void EXTIX_Init(void)
{EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure；NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//打开AFIO时钟KEY_INT();                        //初始化按键//配置外部中断GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC,GPIO_PinSource5);//key0 PC5引脚EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line5;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;   EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);  GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA,GPIO_PinSource15);//key1 PA15引脚EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line15;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA,GPIO_PinSource0);//wk_up PA0引脚EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line0;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;//抢占优先级2NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;     //子优先级1NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;       NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI9_5_IRQn;   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;        NVIC_Init( &NVIC_InitStructure);NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;   NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;       NVIC_Init( &NVIC_InitStructure);
}

对于在按键的中断函数中如何实现让采样周期变长或缩短，我这里是通过改变标志位，在主函数中判断标志位的值来改变的。一是可以改变时间单位，即ms或者us，二是可以改变数值，我设置了六个数值，分别为20，40，60，80，100，120。大家也可以根据自己的需要更改。

（二）、ADC初始化和数值获取
初始化ADC1的PC0口作为ADC的输入端口。采用6分频，即12M时钟作为ADC的时钟，选取ADC最小采用时间是71.5个时钟周期，外加12.5个固定的转换时钟周期，如此计算可得ADC最小采样周期为1/72M*90=7.5us，为达到比较好的效果，人为设置成最小20us。

void adc_init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;//开启ADC1和相应IO口时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);  //ADC时钟由主时钟六分频RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);      //PC0初始化GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);     ADC_DeInit(ADC1);//ADC1初始化ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE;ADC_InitStruct.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;ADC_InitStruct.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel=1;    ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode=DISABLE;ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStruct);        //使能ADC1ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);             //使能复位校准ADC_ResetCalibration(ADC1);       //等待复位校准结束while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1))；//使能ADC校准ADC_StartCalibration(ADC1);//等待校准完成               while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

接下来是ADC值获取，换取之后将其转换成电压值，需要强调的是，转换时间遵循以下，T转换=采样时间（可以设置的ADC时钟周期）+12.5个ADC时钟周期，为了方便主函数处理，电压值转换成以3300为峰值的四位数。

u16 adc_get(void)
{u16 value=0;//转换周期为7us ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_10,1,ADC_SampleTime_71Cycles5);ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC )); value=ADC_GetConversionValue(ADC1);   value=(int)value*3.3*1000/4096; return value;
}

（三）、ADC数据处理部分
这一步是将ADC采集的值转换成便于LCD显示的值后存储

while(i<160){value[i]=adc_get();//由于返回的ADC的值是四位整数，且显示电压部分像素点共120个，对应每个点//0.0275v，故将采集到的电压值除以27以便求出每个电压对应的像素点个数value[i]=(int)value[i]/27;   if(us_ms==1) delay_ms(time_get);else delay_us(time_get-16);i++;}i=0;

（四）、LCD显示设置
LCD使用的是正点原子的2.4*2.8的屏幕，所以直接采用正点原子提供的库函数。对于LCD的初始化和相关函数使用，可以参考正点原子相关文档。这里展示如何在LCD上描绘波形。我采用的是采集160个ADC值，由于是横屏显示，有320个像素点，所以每隔一个点描绘一个ADC值，把描绘的点连线后就是波形。LCD描点和连线的函数可以采用正点原子官方函数，例如连线的函数是LCD_DrawLine(X1,Y1,X2,Y2)函数中的参数为：X1为X轴起点，X2为X轴终点，Y1为Y轴起点，Y2为Y轴终点。

while(i<159){POINT_COLOR=RED;LCD_DrawLine(i*2,120-value[i],(i+1)*2,120-value[i+1]);delay_ms(5);i++;}i=0;

（五）、DAC初始化
使用的Mini开发板的RCT6芯片有两个DAC，即DAC通道1，对应PA4口， DAC通道2，对应PA5口。需要注意的是DAC自带的输出缓存功能，如果使能该功能，虽然带负载能力更强，但是输出无法到0。同时DAC需要用到定时器触发，并且开启DMA使能。

void dac_init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;DAC_InitTypeDef DAC_InitStruct;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC,ENABLE);//GPIO_Mode也可以设置成模拟输入GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);//结构体成员初始化一定要有，不然会出错。DAC_StructInit(&DAC_InitStruct);DAC_InitStruct.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable;DAC_InitStruct.DAC_Trigger=DAC_Trigger_T2_TRGO;//定时器2触发DAC_InitStruct.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStruct);DAC_Cmd(DAC_Channel_1,ENABLE);//开启DMADAC_DMACmd(DAC_Channel_1,ENABLE);
}

（六）、定时器初始化
此函数需要传入波形输出频率，由于在定时器初始化函数中赋值给TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period成员的实际上是定时器重装载值，所以需要将传入的参数进行转换再赋给这个成员。具体转换见程序：

void timer_init(u32 f)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;//将传入的参数转换成定时器重装载值f=(u16)(72000000*2/sizeof(dac_out)/f);            RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitStruct);   TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//不预分频  72MTIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period=f;             TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler=0x00; //不时钟分割TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStruct);//更新事件触发TIM_SelectOutputTrigger(TIM2,TIM_TRGOSource_Update);
}

（七）、DMA初始化
DMA主要功能是将存储在内存或外设的数据，不经过CPU直接传送给目标寄存器或者外设，能节省CPU分配，也能加快程序运行效率。这里是将计算好的DAC值直接传送给DAC寄存器。DMA采取内存递增，循环模式。当TIM2产生更新事件时，DAC将最近存放在寄存器DAC_DHRX中的数据传送至寄存器DAC_DORX中，从而产生电压，同时DAC使能了DMA，当产生一个电压后就会触发DMA，从而得到下一个电压值。对于DMA循环功能，如果下一个内存超出指定最大位置时就会回到开始位置。关于外设地址，可以在stm32f10x.h文件中查找。内存地址就是存放电压值的数组名。

void dma_init(void)
{DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;//开启时钟RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA2,ENABLE);//初始化结构体成员DMA_StructInit( &DMA_InitStruct);     DMA_InitStruct.DMA_BufferSize=much;   //much在主函数中定义 是数组成员个数DMA_InitStruct.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralDST;  //由内存到外设DMA_InitStruct.DMA_M2M=DMA_M2M_Disable;       //内存到内存关闭DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize=DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc=DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址递增DMA_InitStruct.DMA_Mode=DMA_Mode_Circular;//循环模式DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize=DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc=DMA_PeripheralInc_Disable;//外设地址不递增DMA_InitStruct.DMA_Priority=DMA_Priority_VeryHigh;//等级非常高DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr=(uint32_t)dac_out;//内存地址DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr=DAC_DHR12R2; //DAC地址  在主函数中定义DMA_Init(DMA2_Channel3, &DMA_InitStruct);DMA_Cmd(DMA2_Channel3,ENABLE);
}

（八）、波形表数值的产生
本来是将波形产生的函数设计在MDK程序中的，可是在实际运行中波形输出不好，估计是受限于32对浮点数的计算能力，所以我在VC6.0中设计了一个程序，以计算输出不同波形下不同样点个数的波形数值表。由于简易示波器无法显示负电压，所以需要有个基础电压，这里我设置成1.6v，当然如果想要修改对应峰值，改1.6就行。这点很容易理解。各个波形的32——256位的波形表我在文件中都有分享，下面是程序：

#include<stdio.h>
#include<math.h>
#define much 32  //波形数组里的成员个数
#define much_float 32.0000 //便于计算，分母必须是浮点型  输出才准确
int value[much]；
int i;for(i=0;i<much;i++){  //锯齿波产生函数if(i<=(much/4-1))  value[i]=(1.6+1.6/(much_float/4)*i)*4095/3.3;if(i>(much/4-1)&&i<=(much/4-1+much/2))   value[i]=(3.2/(much_float/2)*(i-(much/4)))*4095/3.3;if(i>(much/4-1+much/2)&&i<much)  value[i]=(0+1.6/(much_float/4)*(i-(much/4-1+much/2)))*4095/3.3;//三角波函数/*if(i<=(much/4-1))  value[i]=(1.6+1.6/(much_float/4)*i)*4095/3.3;if(i>(much/4-1)&&i<=(much/4-1+much/2))   value[i]=(3.2-3.2/(much_float/2)*(i-(much/4)))*4095/3.3;if(i>(much/4-1+much/2)&&i<much)   value[i]=(0+1.6/(much_float/4)*(i-(much/4-1+much/2)))*4095/3.3;*/正弦波函数//value[i]=((1.6*sin(i/32.00*2*3.14)+1.6)*4095/3.3);   for(i=0;i<much;i++){printf("%d,",value[i]);}
}

三、注意事项
（一）、关于示波器部分
1、LCD显示的总时间是：160*Tadc转换时间，所以波形周期可以根据查看显示的波形周期数和LCD显示的时间得到。如果想要改采集的点数，修改相应的数组大小和LCD显示程序即可。
2、对转换时间误差的个人理解：由于单片机执行程序时会耗时，ADC转换时间又是us级别，以20us为实际转换周期，除去初始化时设置的7.5us的转换时间，本来需要延时12.5us，由于程序执行时间的消耗，实际延时不能是12.5us，这样会使转换周期与设计有较大偏差，经过测试，延时时间应是（20-16）us，如果需要设置其他转换周期，将20改掉即可。
3、由于ADC最大读取值是3.3v，当采集的峰值大于该值时，为了方便，我直接采用分压电路，将信号分压后再采入。
4、配置DAC功能时，GPIO引脚需要设置为模拟输入，为了避免寄生的干扰和额外的功耗。
5、在配置DMA功能时，需要极其注意外设地址是否正确。查找外设的基地址在头文件stm32f10x.h内，例如需要查找DAC的外设基地址，找到DAC，进入DAC的结构体，就可以查找到了：

（二）、关于函数发生器部分
1、注意函数发生器的频率不能超过20k。
2、当波形表数组大小越大时所能展现的波形越细致。

四、效果展示

PWM波形
正弦波形（1K）

五、代码链接
链接：https://pan.baidu.com/s/1uj0lsuUQDT52blApl6ZZkQ
提取码：19a1

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