基于STM32的车辆工程专业实验用示波器设计

基于32的车辆工程专业实验用示波器设计Design of Oscilloscope for Vehicle Engineering Experiments based on STM32

曹景胜

STM

1

石晶

1

王冬愛

2

徐段敫

1

(1.辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州121001; 2.辽宁工业大学电子与信息工程学院，辽宁锦州121001)

[摘要]针对汽车类专业学生做单片机原理及应用实验时遇到的信号测量问题，在“三性实 验”教学指导下，设计了一个基于STM32的便携式数字示波器实验系统。该实验系统的硬件 平台以STM32微控制器为核心，设计了信号采集、模数转换、程控放大、电平抬升、频率测 量电路等具体功能电路；软件方面基于Keil开发环境设计了同步触发、频率计算、信号峰峰 值计算等嵌入式软件，并通过低功耗蓝牙（BLE)技术，将计算处理后的波形、频率等数据发 送到手机APP上进行显示。测试表明，该实验系统能可靠、便捷地完成学生在做单片机实验 时遇到的信号测量，达到了实验教学的目标。

[关键词]汽车类专业；实验教学；示波器；安卓；信号监测 [中图分类号]TP23; G482

[文献标识码]

A

导下，设计了一个基于STM32的便携式数字示

引言

随着“无人驾驶”

“人工智能”等高科技

实 验 系 统 。 实 验 系 统 能

到 的

完 成，

学 生 做 单 片 机 实 验 到实验教学目标。

在汽车产业的广泛应用，培养车辆工程专业的学 生掌握智能汽车电子系统设计能力成为当务之 急，为此汽车与交通工程学院开设了《模拟电 子技术基础》《数字电子技术基础》《单片机 原理及应用》等课程⑴，学完这些课程理论后 接着做实验加强和巩固所学知识。数字示波器 是一种用途广泛的电子测量仪器[2—46，它强大 的信号分析能力在汽车电子类实验室中得到了 广泛使用。实验过程中，由于实验室数字示波 器数量有限，无法满足每个学生做实验时的信 号测量需求，基于此，在“三性实验”教学指

1系统总体结构

该实验系统以STM32微控制器为主控芯片，

实验过程中的待测信号经探头采集后被分成两路，

程

大电

， 用 实

调节；另一路送至触发电路，用于测量待测信号 的频率，然后通过低功耗蓝牙（BLE)技术把计

理后

数

无 和 设

如图1所示。

到 智 能 机 APP。 系 统

基金项目：辽宁工业大学教学改革项目（201812);辽宁工业大学大学生创新创业训练项目（201801024)。

-27

-

《仪器仪表与分析监测》2019年第2期

2.2 程控放大电路

由于模数转换芯片的转换量程限制，需对采 集的模拟信号进行处理，使之处于模数转换芯片 的输入电压范围之内，该功能采用软硬件设计都 可以实现，考虑到该示波器系统在实验室应用的 实际工况，采用亚德诺（ADI)半导体公司生产的 可变增益放大器芯片AD603设计程控放大电路。 当采用分贝数来表示增益时，该芯片增益与控制 电压成线性关系，通过引脚可实现控制增益范围[7]， 在90MHz带宽时增益范围在lldB〜31dB之间。 该程控放大电路原理图如图3所示。

2系统硬件设计

2.1 模数转换电路

实验系统前端探头采集的是模拟信号，但是 STM32微控制器无法处理模拟信号，因此本文 设计了模数（A/D)转换电路，将模拟信号转 换为数字信号。采用的是德州仪器（TI)公司 生产的8位高速A/D转换器&ADS830E芯片[5]， 它的采样频率为10KSa/s〜60MSa/s，本设计的最 低米样频率为60KSa/s。由于'波器是实时米 集、运算处理、显示信号波形，因此便于保存和 回看信号，设计中采用了缓存器芯片IDT7203实 现该功能-6/。A/D转换和存储电路原理图如图2 所示。

2.3 电平抬升电路

由于A/D转换电路中ADS830E芯片的输入端 模拟电压范围是1.5V〜3.5V，输入中点电压为 2.5V，所以基线电压应为2.5V。因此需要设计一个电平抬升电路，将经过程控放大的模拟信

图2

A/D转换及FIFO缓存电路原理图

基于STM32的车辆工程专业实验用示波器设计曹景胜，等

号抬升2.5V，以适应ADS830E芯片的输入端电压量 程范围。电平抬升电路的电路原理图如图4所示。

图中，IN为前级调理后的输入信号，ADC端 接到A/D转换器的输入端，Level为单片机的 PWM输出端。单片机输出的PWM经过8C低通 滤波器之后，变成一个和占空比相对应的电压值， 从而实现了通过改变PWM的占空比来改变信号 波形的基线。

2.4频率测量电路

基于STM32微控制器中断处理机制，设计了 外部中断进行频率测量的硬件电路，对频率测量 电路产生的脉冲进行计数，为防止外部干扰引起 的脉冲误翻转，设计了滞回比较硬件电路。将信 号由反向端输入，电路的正向阈值电压满足公 式（1)

，

3系统软件设计

3.1 嵌入式软件设计

采用C语言在Keil集成开发环境中编写嵌入 式软件

，

然后编译成二进制机器码，运行于

STM32微控制器上。主要实现同步触发、频率计 算、信号峰峰值计算等功能，并通过低功耗蓝牙

(BLE)

技术，将计算处理后的波形、频率等数据

发送到手机APP上进行显示。其总体流程图如 图6所示。

对应于输出信号的下降边缘；同时输出

信号的上升边缘映射负向阈值电压0V。其滞回比 较电路原理图如图5所示。

!\"<5 V XR 1(/ ($ 14>$ 18?

( 1 $

图6系统嵌入式软件流程图

3.2手机APP设计

机 APP

(

件 通 过 低

BLE)技术接收STM32硬件平台采集、计算、 理 、

线

输

的

测 信 号 频 率 、 波

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《仪器仪表与分析监测》2019年第2期

形数据等信息，并显示到主界面上!8#。首先使用 BluetoothAdapter 的 startDiscovery()方法来搜索 STM32硬件平台进行匹配连接，连接成功后，通 过 BluetoothSocket 的 getInputStream()

和

getOutputStream()两种方法获取 InputStream 和 OutputStream，并使用 read(bytes [])和 write(bytes [])方法分别进行数据的读写操作，完成待测信号 的波形数据、频率等信息的接收与解包。

4系统实验和应用

本系统的STM32硬件平台和APP软件已经研

制完毕，实物如图7所示。在汽车电子实验室环 境下进行测试和应用，通过信号发生器产生正弦 波形连接到STM32硬件平台的探头上采集波形，经过程控放大、模数转换、电平抬升、频率测量 后无线发送到手机APP上。测试结果表明，系统 工作正常，达到了设计的目标。该示波器实验系 统在汽车与交通工程学院单片机驱动技术实验室 进行了小规模的试点应用，学生在自己手机上安 装APP软件，就能完成单片机原理及应用实验中

的信号测 ，

实验

的

。

图7系统实物图

5结束语

车

生

机

应用

实验时遇到的信号测量问题，基于Android和低功耗蓝牙（BLE)技术，以STM32微控制器为核 ， 通过信号

、

数

、

、 电平、 频率测 等电 ， 发、 频率、 信号

等

软件 ，

功耗蓝牙匹配、波形显示等APP软件设计，实现了一个示波器实验系统。实验教学及应用表明，该实验系统可靠、便捷，能完成学生做单片机实验时遇到的信号测量，达到了实验教学的目标，

生方

汽车 等实

应用

的

和实 。

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