波形采集存储与回放系统设计报告2

1波形采集、存储与回放系统设计摘要本设计是基于数字示波器的原理，以STM32-cortex-m3作为控制芯片，把波形采集分为A、B两个通道，对A通道的输入信号进行衰减，对B通道的输入信号进行放大，然后采用内部集成的高速AD对信号进行实时采样，方式为上升沿内触发，可以实现波形的单次和多次触发存储和回放显示，以及频率、周期、峰-峰值的测量和显示，并具有掉电存储功能。由信号采集、数据处理、波形显示，控制面板等功能模块组成，整个系统分成A/D转换部分、D/A转换部分、波形存储部分、键盘输入控制四大部分，系统操作简便，输出波形可以在示波器输出显示，此存储示波器即具有一般示波器实时采样实时显示的功能，又可以对某段波形进行即时存储和连续回放显示，且界面友好，达到了较好的性能指标。具体设计原理以及过程在下面章节中详细说明。关键字：STM32、波形采集、波形存储、波形回放2AbstractThedesignisbasedontheprincipleofdigitaloscilloscope,withSTM32-cortex-m3asthecontrolchip,thewaveformacquisitionisdividedintoA,Btwochannel,theAchannelinputsignalattenuationonBchannel,theinputsignalisamplified,thenusingtheinternalintegrationofhigh-speedADonrealtimedatasampling,asrisingedgetrigger,canachievewaveformofsingleandmultipletriggersthestorageandplaybackanddisplay,frequency,cycle,peaktopeakvaluemeasurementanddisplay,andpowerfailurememoryfunction.Thesignalacquisition,dataprocessing,waveformdisplay,thecontrolpanelandotherfunctionalmodules,thesystemisdividedintoA/Dtransformation,D/Aconvertingpart,waveformstorage,keyboardinputcontrolsystemfourparts,simpleoperation,theoutputwaveformcanbeoutputintheoscilloscopedisplay,thisstorageoscilloscopenamelyhasthecommonoscilloscopereal-timesamplingrealtimedisplayfunction,canbeareal-timestorageandcontinuousplaybackwaveformdisplay,andfriendlyinterface,hasachievedgoodperformance.Thedesignprincipleandprocessaredescribedindetailinthefollowingsections.Keywords:STM32,waveformacquisition,storage,waveformwaveformplayback3模拟路灯控制系统设计目录一、总体方案思路及其设计...........................................................................................................41.1、采样方式..........................................................................................................................41.2、双踪示波器显示方式......................................................................................................51.3、控制部分方案的设计......................................................................................................51.4、显示方式..........................................................................................................................5二、系统理论分析与功能模块设计.............................................................................................52.1、最小系统及A/D，D/A电路..........................................................................................52.2、单元电路.......................................................................................................................6三、软件设计.................................................................................................................................103.1、软件流程................................................................................................................................103.2：软件子程序....................................................................................................................11四、测试方案与测试结果.............................................................................................................12五、结束语.....................................................................................................................................14附件1：系统程序..........................................................................................................................144一、总体方案思路及其设计1、根据题目要求进行相关指标分析根据题目要求A通道只是对单极性（高电平为4V，低电平为0V，频率为1KHZ）的信号进行采集、存储和连续回放；B通道需要对双极性（电压峰峰值为100mV、频率为10Hz~10kHz）的信号进行处理。对信号的采集要通过前置电路接到AD转换器，把方波、正弦波和三角波的大小和周期转化成数字量让STM32-cortex-m3单片机进行处理。对数据的存储和连续回放由单片机的内部程序来实现。2、方案比较与分析1.1、采样方式方案一：实时采样。实时采样是在信号存在期间对其采样。根据采样定理，采用速率必须高于信号最高频率分量的两倍。对于周期的正弦信号，一个周期内应该大于两个采样点。为了不失真的恢复原被测信号，通常一个周期内就需要采样八个点以上。由于实时采样对波形逐点进行采集，可以实时显示输入信号的波形因此适合任何形式的信号波形，重复或者不重复的，单次的或者连续的。由于所采集的信息是按时间顺序的，因而易于实现波形的显示功能。方案二：等效时间采样法。采用中高速模数转换器，对于频率较高的周期性信号采用等效时间采样的方法，即对每个周期仅采样一个点，经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍。而这些点可以借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置。其中步进延迟是每一次采样比上一次样点的位置延迟△t时间。只要精确控制从触发获得采样的时间延迟，就能够准确地恢复出原始信号。等效采样可以实现很高的数字化转换速率。其基本原理就是通过多次触发，多次采样而获得并重建信号波形。前提是信号必须是重复的。等效采样通过多次采样，把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重组，从而能够重建原始的信号波形。5等效时间采样虽然可以对很高频率的信号进行采样，可是步进延迟的采样技术与电路较为复杂。再者，它只限于处理周期信号，而且对单次触发采样无能为力。实时采样可以实现整个频段的全速采样，因此本设计采用方案一。1.2、双踪示波器显示方式方案一：每个通道都有一套独立的ADC和存储器，双踪显示时，只需轮流选择不同通道的波形数据，就可以实现两路波形的同时显示。方案二：只使用一片ADC，一片存储器和一片DAC，在采样的时候，用存储器地址的最低位控制模拟开关。通过切换两路模拟信号，将采集到的数据分别存储到存储器的奇地址和偶地址上，双踪显示时通过扫描存储器中的数据即可将两路波形同时显示出来。方案二使用的硬件电路较少，故我们选择方案二。1.3、控制部分方案的设计方案一、单片机STM32Cortex-M3完成对其他各部分控制。方案二、采用单片机STC90C51作为控制部分。方案论证：方案一STM32Cortex-M3是一种高速/低功耗/性价比高的单片机可完成对其他各部分的控制。内部具有强大的存储空间且能够实现各种复杂的控制功能。方案二STC90C51的功耗比较大，数据传输速率比较低，要实现比较复杂的控制功能较困难。故本设计采用STM32Cortex-M3单片机。1.4、显示方式方案一、采用传统数码管作为显示。方案二、采用液晶屏作显示。方案论证：方案一采用数码管显示虽然控制简单，亮度大，价格便宜。缺点是功耗较大，显示不清晰，操作不方便。方案二液晶显示器则具有耗电少、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长、美观等优点。同时可以显示菜单等复杂的界面，更易于操作。本设计系统采用LCD显示器。二、系统理论分析与功能模块设计2.1、最小系统及A/D，D/A电路6图12.2、单元电路1）数据存储电路7图32）按键电路图483）电压比较器电路9图53、12864显示10三、软件设计3.1、软件流程图8：主程序的流程图：系统整体设计框图如图1-1所示。模拟信号通过信号调理模块（阻抗变换、固定衰减/放大、触发电路）将模拟信号的幅值大小调理到高速AD的输入范围0——3.3V。同时，两路信号经比较器得到方波，送处理器STM32进行测频。处理器测得输入信号频率后控制内部AD以输入信号频率的80倍速率采样。在STM32内部增加波形存储控制模块，当满足触发条件时ARM对AD转换得到的数据进行存储。图9：系统显示调用流程图1）系统流程图：首先，“开始”部分是将程序内容进行初始化，设定需采集数据的存储首地址。11“采集存储”部分启动