代码收藏家 STM32示波器设计项目—-细节讲解
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前言
本文主要讲解如何从0开始完成示波器的设计，如需源码，请在评论区留言邮箱，看到后会发送。
一、实验介绍
（1）实验目的
能够在2.8寸TFT彩屏上正确显示波形 支持通过按键实现波形的放大与缩小 支持测量引脚输入电压 支持输出1KHz~10KHz方波信号 支持通过按键调整占空比和频率 支持测量自身频率和占空比
（2）STM32硬件资源
以下是本次实验主要用到的芯片功能
定时器的输出比较和输入捕获 ADC模数转换 DMA数据搬运
（3）硬件环境
正点原子STM32F103ZET6开发板 面包板 2.8寸TFTLCD 杜邦线若干
二、硬件介绍
1.实物图
2.引脚连接
PA0 ADC模数转换采样引脚
PA1 PWM方波输出比较引脚
PA6 定时器输入捕获引脚
PA0 —- PA1
PA6 —- PA1
因为PA1只有一个引脚，故使用了面包板进行外接
三、软件介绍
1.软件框图
2.PWM输出比较代码
以下函数为PWM输出初始化函数
/*
* 函 数：PWM初始化函数
* 参 数：PSC；预分频系数
* 返 回 值：无
* 注意事项：PSC和ARR共同决定频率，此函数仅设置PSC的值，并不直接是频率
* 频率Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
*/
void PWM_Init(uint16_t PSC)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
TIM_InternalClockConfig(TIM2); //定时器2为时钟源
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1; //ARR固定设置为100 - 1，方便更直观地观察占空比
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = PSC - 1; //PSC
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重复计数模式，只有高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //高电平为有效电平，用于对占空比的计算
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //CCR
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}以下代码为CCR赋值和预分频系数赋值函数
/*
* 函 数：CCR赋值函数
* 参 数：CCR
* 返 回 值：无
* 注意事项：CCR和ARR共同决定占空比
* 占空比 = CCR/(ARR + 1)
*/
void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare2(TIM2, Compare);
}
/**
* 函 数：PWM设置PSC
* 参 数：PSC
* 返 回 值：无
* 注意事项：无
*
*/
void PWM_SetPrescaler(uint16_t Prescaler)
{
TIM_PrescalerConfig(TIM2, Prescaler, TIM_PSCReloadMode_Immediate); //设置PSC的值
}3.ADC采样 + DMA搬运代码
以下为ADC配置代码。详细讲解可看前文手把手教你如何使用DMA转运ADC多通道数据，文本不再赘述。
/**
* 函 数：ADC和DMA配置初始化函数
* 参 数：无
* 返 回 值：无
* 注意事项：无
*
*/
void AD_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
ADC_DeInit(ADC1);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//等待复位校准
ADC_StartCalibration(ADC1);
while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1->DR; //起点地址为ADC1的DR寄存器
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //传输的数据宽度为半字
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //因为起点地址固定，所以失能地址自增模式
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)ADValue; //因为地址是32位的 所以强转为32位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;//传输的数据宽度为半字
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Disable;//因为终点地址固定，所以失能地址自增模式
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; //设置DMA通道优先级为中等
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1;//传输计数器的值设为1
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;//从ADC外设传输到SRAM存储器，所以ADC寄存器地址为源地址
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //是否开启软件触发：否 因为ADC属于硬件触发源
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //开启DMA循环转运模式
DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);
DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);
ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);4.定时器输入捕获代码
以下为输入捕获初始化代码
/**
* 函 数：输入捕获初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
* 注意事项：无
*/
void IC_Init(void)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //开启TIM3的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA6引脚初始化为上拉输入
TIM_InternalClockConfig(TIM3); //选择TIM3为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; //定义结构体变量
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1; //计数周期，即ARR的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; //预分频器，即PSC的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重复计数器，高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure); //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM3的时基单元
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; //定义结构体变量
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //选择配置定时器通道1
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF; //输入滤波器参数，可以过滤信号抖动
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //极性，选择为上升沿触发捕获
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //捕获预分频，选择不分频，每次信号都触发捕获
TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //输入信号交叉，选择直通，不交叉
TIM_PWMIConfig(TIM3, &TIM_ICInitStructure); //将结构体变量交给TIM_PWMIConfig，配置TIM3的输入捕获通道
//此函数同时会把另一个通道配置为相反的配置，实现PWMI模式
TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1); //触发源选择TI1FP1
TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset); //从模式选择复位
//即TI1产生上升沿时，会触发CNT归零
/*TIM使能*/
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIM3，定时器开始运行
}以下为捕获占空比和频率的函数，执行 +1的操作只是为了减少误差。
/**
* 函 数：获取输入捕获的频率
* 参 数：无
* 返 回 值：捕获得到的频率
* 注意事项：无
*/
uint32_t IC_GetFreq(void)
{
return 1000000 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1); //测周法得到频率fx = fc / N，这里不执行+1的操作也可
}
/**
* 函 数：获取输入捕获的占空比
* 参 数：无
* 返 回 值：捕获得到的占空比
* 注意事项：无
*/
uint32_t IC_GetDuty(void)
{
return (TIM_GetCapture2(TIM3) + 1) * 100 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1); //占空比Duty = CCR2 / CCR1 * 100，这里不执行+1的操作也可
}5.波形画线函数
此函数是为了将AD值转换为波形，波形的本质是折线，折线又是由点组成的，所以可以通过画点来形成波形
/*
* 函数内容：画折线
* 函数参数：yValue----Y轴参数值
* 返回值： 无
* 说明： 波形x轴起点：20；波形y轴起点：50
*/
void DrawCurve(uint16_t yValue)
{
uint16_t i=0;
uint16_t x=20;
if(firstPoint == 1)//如果是第一次画点，则无需连线，直接描点即可
{
LCD_Fast_DrawPoint(20,yValue,BLACK); //画第一个点（20，yValue）
lastX=20; //第一个点变为上一个点，x = 0 =lastX，yValue = lastY
lastY=yValue;
firstPoint=0; //firstPoint为0，方便画下一个点
}
else
{
x=lastX+1; //第二个点为 横坐标x 右移一个
if(x<220) //不超过屏幕宽度
{
LCD_DrawLine(lastX,lastY,x,yValue); //将上一个点（lastX,lastY）与这一个点（x,yValue）连在一起
for(i=0;i<155;i++)
{
LCD_Fast_DrawPoint(x+1,i,WHITE);//提前将下一列清楚
}
lastX=x; //将此次点的x变为lastX
lastY=yValue;
}
else //超出屏幕宽度，清屏，从第一个点开始绘制，实现动态更新效果
{
LCD_Fast_DrawPoint(20,yValue,BLACK);
lastX=20;
lastY=yValue;
}
}
}通过函数内容可知，X轴的范围为20~220，Y轴的范围为50~150。
firstPoint为是否为第一次画点的标志位，若不是第一次画点，则下一个画点的 X 为本次 X +1，直到 X 循环到220，则重新开始，从（20，yValue）开始画线
需要注意的是，在画 X 处的线时，需要提前将 X+1处的那一列清楚，也就是将其颜色与背景色配置为相同，防止本次循环画线与前次循环画线重合。
若想将AD值转换成波形，只需要将计算后的AD值作为参数即可，如下
/*
* 函数内容：画波形
* 函数参数：无
* 返回值： 无
*/
void DrawWave(void)
{
uint16_t i;
for(i = 0;i < 300;i++) //将转换后的300个AD值放入数组
{
ADValue[i] = AD_GetValue();
}
for(i=0;i<200;i++)
{
DrawCurve( 50+ (uint16_t)(ADValue[i]/4095*100));//将波形下移50个纵坐标
}
}6.按键修改输出频率和占空比
（1）修改频率
首先我们应先知晓 Freq（频率）= CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
现在 ARR+1 固定为100
CK_PSC 为 72MHz
那么我们只需要修改预分频系数 PSC 即可改变频率，代码内容如下
KeyNum = Key_GetNum();
if (KeyNum == 1) //Key0
{
PSC_Num++;
if(PSC_Num>=6)PSC_Num=1;
}
switch(PSC_Num)
{
case 1: PSC=72;
break; //10KHz
case 2: PSC=144;
break;//5KHz
case 3: PSC=288;
break;//2.5KHz
case 4: PSC=576;
break;//1.25KHz
case 5: PSC=720;
break;//1KHz
}（3）修改占空比
占空比 = CCR / (ARR + 1)
此时 ARR+1 为100，那么只需要修改CCR即可 代码如下
if (KeyNum == 2) //Key1
{
ARR += 20;
if(ARR>100)
{
ARR = 0;
}
LCD_ShowNum(240, 165, ARR, 3, 24);
}
PWM_SetCompare2(ARR); //设置PWM占空比7.主函数
以下为主函数内容，希望对各位有帮助
uint8_t KeyNum; //键值
uint8_t PSC_Num; //预分频系数编号
uint16_t PSC; //预分频系数
uint16_t CCR;
uint32_t Freq;
uint32_t Duty; //占空比
int main(void)
{
IC_Init(); //输入捕获初始化
Key_Init(); //按键初始化
delay_init(); //延时函数初始化
LCD_Init();
AD_Init();
PWM_Init(100,72-1); //PWM初始化
PWM_SetPrescaler(720-1);
PWM_SetCompare2(50); //PWM占空比Duty = CCR / 100
while (1)
{
Page(); //静态页面初始化
DrawWave(); //绘画ADC波形
KeyNum = Key_GetNum(); //获取键值
if (KeyNum == 1) //Key0
{
PSC_Num++;
if(PSC_Num>=6)PSC_Num=1;
}
if (KeyNum == 2) //Key1
{
CCR += 20;
if(CCR>100)
{
CCR = 0;
}
LCD_ShowNum(240, 165, CCR, 3, 24); //显示输出占空比
}
PWM_SetCompare2(CCR); //设置PWM占空比
switch(PSC_Num)
{
case 1: PSC=72;
break; //10KHz
case 2: PSC=144;
break;//5KHz
case 3: PSC=288;
break;//2.5KHz
case 4: PSC=576;
break;//1.25KHz
case 5: PSC=720;
break;//1KHz
}
LCD_ShowNum(90, 170, (72000000/PSC)/100, 5, 24); //显示输出频率
TIM_PrescalerConfig(TIM2,PSC-1,TIM_PSCReloadMode_Immediate); //修改输出频率
LCD_ShowNum(240, 50, IC_GetFreq(), 5, 24); //显示输入频率
LCD_ShowNum(260, 120, IC_GetDuty(), 3, 24); //显示输入占空比
}
}
四、实验结果
实验目的均已完成，如需工程源码可在评论区留下邮箱，看到会发送。
欢迎各位读者在本工程之上增加各种功能，谢谢！
作者：专打逆风橘
