嵌入式數字示波器是近些年發展形成的一種集顯示、測量、運算、分析以及記錄等各種功能為一身的具有智能化特征的測量終端設備。其具有較為顯著的性能優勢, 現階段逐步的替代了傳統的模擬示波器?；赟TM32和μC/OS-II的嵌入式數字示波器設計分析, 可以提升整體性能指標, 降低轉換時間, 具有節能低耗的特征, 相對于傳統類型來說其在性能處理上更為良好。
一、基于STM32和μC/OS-II的嵌入式數字示波器系統設計方案
(一) 系統工作原理
數字示波器的主要原理具體如圖1.而在輸入被測信號通過無源探頭進入到數字示波器中, 經由示波器的信號調理?？? 再通過后續的A/D轉換器的測量電壓規范具體的量程范圍, 因此, 示波器信號調理模塊的主要功能就是對輸入信號進行預處理, 再利用放大器進行放大或者通過衰減網絡衰減到特定合適的幅度范圍中, 再將其輸入到A/D轉換器中。用戶可以通過微控制器設置輸入信號的放大和衰減倍數, 以及調整信號的幅度以及具體位置范圍。而基于A/D采樣模塊階段, 應用信號進行實時的離散點采樣處理, 將采樣位置信號中的電壓轉換為數字值, 這些數字值作為采樣點。在處理過程中就是信號數字化的過程。A/D采樣過程中, 采樣時鐘直接決定了ADC采樣的速率。此種速率也稱之為采樣速率, 主要就是通過樣值每秒 (Sa/s) 的方式進行表示, 而A/D轉換器會將輸入信號轉換為二進制數據, 傳送到捕獲存儲區。被測的模擬信號在顯示中要利用微處理器進行處理, 微處理器處理信號主要就是對獲取信號的電壓峰峰值、周期、頻率、有效值、上升時間、延遲、等信息內容再適當地分析, 使輸入信號可視化, 并顯示在TFT液晶屏上。
(二) 系統設計框圖
微處理器通過意法半導體的32位處理器進行處理, 主要內核是Cortex-M3內核, 最高主頻為72MHz。通過移植開源的操作系統, 保障系統整體的穩定性與實時性。通過處理器內部的靈活的靜態存儲控制器進行數據讀寫, 則可以實現高頻率信號波形刷新以及顯示。同時, 通過處理器高級定時器可以輸出12MHz的時鐘, 將其作為高速A/D轉換器中的采樣時鐘以及FIFO存儲器中應用的控制時鐘, 這樣就可以避免通過有源晶振以及數字芯片構成的一種時鐘電路。其系統框圖具體如圖2。
(三) 程控放大電路設計
在設計過程的衰減之后的信號利用高性能以及低噪聲的電壓反饋性放大器構成的電壓跟隨器, 通過有限流電阻進入到壓控增益放大器中, 其具有精密校準的特征, 不會隨著溫度以及電源電壓而出現變化。增益通過高抗阻以及低偏置的差分輸入控制處理。
(四) 數字采集電路設計
基于程控放大電路輸入的信號基于進入A/D前進入到就是截止頻率的低通濾波器, 而因為應用的A/D轉換器中最大采樣頻率則是60MHz, 為了避免一些更高頻率的噪聲對其產生影響, 要通過低通濾波器進行處理。而A/D轉換器的) 樣頻率的范圍就是10KSa/s~60KSa/s。其主要的參考電壓源就是可以選擇為內部參考以及外部參考, 為了簡化設計可以應用內部參考電壓源。
因為轉換器的主頻高達72MHz, 而在程序中A/D轉換器采集的數據處理速度卻相對較低, 為了增強緩沖高速數據信息, 在中間中可以加入高速緩存器, 此種緩存器可以通過不依靠地址線的方式工作, 會隨著寫入或者讀取信號的方式遞加或者遞減數據指針, 進而實現對數據信息的尋址。高速緩沖器的存儲深度為4K字節, 有三個存儲標志, 在此次研究中主要應用的就是“數據滿標志FF”, 在微處理器中讀取到FF標志的時候, 如果為低電平, 證明FIFO存儲器已經讀取了4096個ADS830的數據, 則暫停對A/D轉換器的讀取。微處理器可以對當前存儲區的數據進行處理, 在完畢之后, 再通過高速緩沖器讀取數據信息, 通過這種循環的方式就會獲得當前示波器輸入信號的完整波形數據信息。A/D轉換器的采樣時鐘就是利用內部定時獲得的, 在頻率過高的時候缺乏穩定性, 其輸出的高電平3.3v, 而要求的時鐘高平則是5V, 因此在中間要加入與門電路的方式穩定時鐘信號。
(五) 液晶顯示電路設計
在設計中應用的就是TFT彩屏液晶顯示屏。內置了SSD1289控制器, 可以顯示262k中顏色。通過STM32處理器進行顯示, 內部含有可變靜態存儲控制器, 在外部存儲器擴展中具有較為顯著的優勢特征, 可以快速刷新。因此, 微處理器與液晶的連接方式可以接成FSMC模式, 通過16個并行的數據據端口進行連接, 應用5個控制端口進行驅動液晶, 進而快速的的刷新要顯示的波形以及顯示的數據信息。
二、基于STM32和μC/OS-II的嵌入式數字示波器系統軟件件設計
(一) μC/OS-II的嵌入式數字示波器操作系統移植
μC/OS-II的嵌入式數字示波器的實施操作系統具有執行效效率高、占用空間小以及實時性性能優良、可擴展性較強的特征征, 在微處理器以及控制器中應用效果顯著。在移植過程中, 要要修改相關文件, 通過修改os_cpu.h, os_cpu_a.asm以及os_cpu.c三個文件。定義與編譯器相關的數據類型以及其原函數型, 編寫用戶的函數信息, 編寫與處理器相關的任務切換函數信息等等。
(二) 圖形界面程序設計
μC/GUI屬于源代碼開放的圖形用戶接口, 其主要就是通過Config配置文件以及LIB庫函數文件構成, 在配置目錄中包括了:GUIConf.h、LCDConf.h、GUITouchConf.h三種配置文件, 主要就是對圖形接口系統、驅動程度以及觸摸屏驅動程序進行控制處理。
三、實驗測試結果分析
對設計成品進行測試實驗, 因為STM32處理數據還是稍有不足, 在實踐中波形存儲以及頻率分析沒有太大的用處, 對此, 系統并沒有實現兩個部分的功能。雖然系統中應用的最高采樣頻率為60MHz, 但是時鐘信號是定時器產生的, 最高可以輸出12MHz, 在程序中添加了內插算法, 其最高輸入信號頻率可以滿足一般的應用需求。
四、結束語
通過對基于STM32和μC/OS-II的嵌入式數字示波器設計探究分析, 利用人機交互界面可以提升操作系統的便捷性, 而通過uC/GUI圖形用戶界面則可以增強系統的移植性, 便于擴展。此系統具有高控制精度、集成度較高以及功能全面的特征, 在實踐中應用效果顯著。
摘要：通過對基于STM32和μC/OS-II的嵌入式數字示波器設計探究分析, 提出了基于嵌入式及時的嵌入式數字示波器設計方式, 在硬件設計過程中基于STM32為主控核心, 通過高性能低噪聲電壓反饋性放大器以及壓控增益放大器以及雙路轉換器組成程控放大電路, 再利用高速寬帶的A/D轉換器以及高速緩存器構成數字采集電路, 將TFT彩屏作為輸出的信號, 通過μC/OS-II系統進行移植處理, 可以提升系統整體的穩定性。
關鍵詞：基于STM32,μC/OS-Ⅱ,嵌入式數字示波器
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