基于STM32G031的双通道示波器（带频谱分析功能）

采样率1MSa/s的双通道示波器、频谱仪。示波器分析带宽为200kHz，支持时间、电压轴缩放，触发电平设置，触发边沿选择，触发通道选择。频谱仪分析带宽为1MHz，支持频率、电压轴缩放。

1. 复现项目

首先需要硬禾学堂推出的STM32G031板卡，详情：https://www.eetree.cn/project/detail/662

方法一：烧录bin文件

下载最新版的bin文件：https://github.com/xzqiaochu/scope/releases
使用STM32CubeProgrammer烧录（建议使用2.8.0；不要使用2.9.0，该版本部分字节存在烧写错误；更高版本暂不知晓是否可用）。

方法二：本地编译

环境配置

项目采用STM32CubeMX + CLion开发，请参考这篇文章配置环境：https://zhewana.cn/?p=264

也可参考：https://www.bilibili.com/read/cv6308000 | https://zhuanlan.zhihu.com/p/160183640
编译

使用STM32CubeMX打开 scope.ioc，点击 GENGERATE CODE；

使用CLion打开工程，第一次打开会弹出CMake配置选项卡，新建一个Release配置；

稍后会弹出面板配置文件选项卡，点击取消；

打开编辑/调试配置，更改面板配置文件为当前项目根目录下的st_nucleo_g0.cfg；

使用ST-Link连接板卡，编译下载程序。

2. 项目需求

设计一个带频谱分析功能的双通道示波器

通过STM32G031的ADC采集外部模拟信号，信号幅度范围2mVpp到30Vpp，频率为DC - 50KHz
将采集到的波形显示在128*128的OLED上，并支持电平触发的功能
通过FFT进行频谱分析，并将频谱显示在OLED上
测试信号可以通过芯片的PWM+板上LPF的方式产生，比如1KHz、幅度为3V的正弦波
能够自动测量波形的参数 - 峰峰值、平均值、频率/周期
能够通过按键和旋转编码器来对波形进行幅度和时间轴缩放查看

3. 完成的功能及达到的性能

示波器部分

双通道波形显示

可同时显示两个通道的波形，每个通道的最大采样率为1MSa/s，最大分析带宽约为100kHz。
时间轴、电压轴缩放

可使用旋转编码器调整时间轴、电压轴刻度；程序会根据选择的时间轴刻度，自动计算合适的采样率。

时间轴刻度(/div)有：
```
"100ms",
"50ms", "20ms", "10ms",
"5ms", "2ms", "1ms",
"500us", "200us", "100us",
"50us", "20us", "10us",
"5us", "2us", "1us"
```
电压轴刻度(/div)有：
```
"5V", "2V", "1V",
"500mV", "200mV", "100mV"
```
触发电平设置

可使用旋转编码器调整触发电平，触发电平以0.5div步进。时间轴缩放可能导致触发电平不能以0.5div对齐，但程序会保证：每次用户调整电平时，将就近以0.5div对齐。

触发电平有上下限保护，当用户试图将触发电平调离屏幕显示区域时，程序会阻止并发出提示音。

时间轴的缩放同样可能导致触发电平偏离屏幕区域，当出现这种情况时，程序将采取以下逻辑：
- 若用户没有调整触发电平，触发电平的值将保持，绘图程序不会绘制触发电平
- 若用户尝试调整触发电平，程序会将触发电平首先调整为临近上限/下限的值（就近选择）
触发边沿选择

可选择上升沿/下降沿触发。
触发通道选择

可选择通道1/通道2作为触发通道。
波形保持

按下hold按键，波形将停止刷新，并保持最后一个波形。

但采样程序、波形参数计算程序会持续运行，当用户解除hold时，将立刻绘制出最后一次采样的波形、信息。（此功能对于诸如100ms/div的大时间刻度十分凑效，可避免长时间采样所带来的等待时间）

频谱仪部分

双通道频谱显示

可同时显示两个通道的频谱，每个通道的频率范围最大为DC - 1MHz，最大分析带宽约为100kHz。
频率轴、电压轴缩放

可使用旋转编码器调整频率轴最大值、电压轴刻度；程序会根据选择的频率轴，自动计算合适的采样率。

频率轴最大值有：
```
"100Hz", "200Hz", "500Hz",
"1kHz", "2kHz", "5kHz",
"10kHz", "20kHz", "50kHz",
"100kHz", "200kHz", "500kHz",
"1MHz"
```
电压轴刻度(/div)有：
```
"5V", "2V", "1V",
"500mV", "200mV", "100mV"
```
波形保持

按下hold按键，波形将停止刷新，并保持最后一个波形。

但采样程序、FFT程序会持续运行，当用户解除hold时，将立刻绘制出最后一次采样的频率、信息。

4. 实现过程

程序结构

程序采用APP编写，示波器(Scope)、频谱仪(Spectrum) 为两个APP；每个APP均有 Init()、DeInit()、Loop() 函数。os.c为用户主程序，用来控制APP的运行，并连接Drivers层和APP层。

Drivers层：更关注硬件上的实现，为APP层提供函数接口；

APP层：更关注算法，尽可能避免硬件相关操作，增强移植性。

graph TB
A(main.c)==>I(os.c)
I ==> B & C
C(Spectrum/app.c)

subgraph APP
B(Scope/app.c)--采样程序-->D
B--绘图程序-->E
B--用户操作解析程序-->F
D(sample.c)-.->E
F(operate.c)-.->E
E(UI.c)

G[(global.c)]-.全局变量.->B
H[(settings.c)]-.宏定义.->B
end

J[信号输入]-..->D
K[用户输入]-..->F

subgraph Drivers
L(buzzer.c)
M(key.c)
N(oled.c)
O[(DSP Lib)]
end

频谱仪(Spectrum)的结构与示波器(Scope)的结构一致，上图省略未画出。

值得一提的是，对于占用大量内存的全局变量（尤其是数组），APP采用动态申请内存的方式：Init()中函数使用malloc()申请内存，DeInit()中使用free()释放内存。这样大量节省了RAM空间。

核心算法

主要思路：使用STM32G031内置的ADC进行采样，并使用DMA完成数据搬运；主程序专注于处理采样数据和绘图。

ADC+DMA采样

使用STM32CubeMX配置ADC的触发源为TIM的TRGO事件，并开启DMA。详细步骤如下：

首先选择一个TIM作为触发源，在TIM里配置TRGO为Update Event（更新事件）。

然后在ADC中选择触发源为刚才TIM的TRGO事件。

开启ADC的DMA模式。

程序中使用以下两个函数开启ADC+DMA采样：
```
HAL_ADC_Start_DMA();
HAL_TIM_Base_Start();
```
程序对采样数据进行乒乓缓存，每个样本缓冲区有3种状态：未采样(Not)，正在采样(Doing)，完成采样(Finished)。

DMA会在有未采样(Not)缓冲区的情况下启动，尽快缓存更多的样本。

采样数据处理

示波器数据处理：遍历样本缓冲区，计算最大值、最小值、平均值；找到所有的边沿，计算周期/频率；把最靠中间的上升沿（下降沿）作为0时刻。

查找触发边沿的相关代码：（位置：APP/Scope/sample.c Scope_Sample_Process_Sub()）

float tri_data = toData(scope_tri_voltage);
uint16_t edges[2][SCOPE_MAX_EDGE];
uint16_t edges_cnt[2] = {0};
for (uint16_t i = SCOPE_TRI_CHECK_NUM; i < (uint16_t) (SCOPE_SAMPLE_NUM - SCOPE_TRI_CHECK_NUM); i++) {
    // 检测数据上升沿
    uint8_t cnt = 0;
    for (uint8_t j = 1; j <= SCOPE_TRI_CHECK_NUM; j++) {
        if ((float) sample->data[i - j][k] < tri_data && (float) sample->data[i + j][k] > tri_data)
            cnt++;
        else
            break;
    }
    if (cnt == SCOPE_TRI_CHECK_NUM && (float) sample->data[i][k] < tri_data) {
        edges[Scope_Edge_Rise][edges_cnt[Scope_Edge_Rise]++] = i;
    }

    // 检查数据下降沿
    cnt = 0;
    for (uint8_t j = 1; j <= SCOPE_TRI_CHECK_NUM; j++) {
        if ((float) sample->data[i - j][k] > tri_data && (float) sample->data[i + j][k] < tri_data)
            cnt++;
        else
            break;
    }
    if (cnt == SCOPE_TRI_CHECK_NUM && (float) sample->data[i][k] > tri_data) {
        edges[Scope_Edge_Fall][edges_cnt[Scope_Edge_Fall]++] = i;
    }
}

频谱仪数据处理：是用DSP库进行FFT。为了节省空间，采样数组和FFT数组共用同一个，但需要位对齐、转置。

在不开辟额外数组的前提下，进行转置：（位置：APP/Spectrum/sample.c Spectrum_Sample_Handle_Sub()）

// 行列转置
#define REAL(x) (*((float *) &p64[x]))
#define IMAGE(x) (*((float *) &p64[x] + 1))
#define NEXT(x) ((p % SPECTRUM_CHANNEL_NUM) * SPECTRUM_SAMPLE_NUM + (p / SPECTRUM_CHANNEL_NUM))

for (uint16_t i = 0; i < (uint16_t) (SPECTRUM_SAMPLE_NUM * SPECTRUM_CHANNEL_NUM); i++) {
    if (IMAGE(i) == 0) // 标记位为零，表示该数据已经被转置
        continue;
    uint16_t first_p = i;
    uint16_t p = i;
    float val = REAL(i);
    IMAGE(i) = 0;
    while (1) {
        p = NEXT(p);
        if (p == first_p) {
            REAL(p) = val;
            break;
        }
        // 交换 REAL(p) 和 val
        float tmp = REAL(p);
        REAL(p) = val;
        val = tmp;
        
        IMAGE(p) = 0; // 标记位清零
    }
}

使用DSP库进行FFT：（位置：APP/Spectrum/sample.c Spectrum_Sample_Handle_Sub()）

#include "arm_math.h" // arm_cfft_f32、arm_cmplx_mag_f32
#include "arm_const_structs.h" // arm_cfft_sR_f32_len128

arm_cfft_f32(&arm_cfft_sR_f32_len128, fft, 0, 1);
arm_cmplx_mag_f32(fft, fft, SPECTRUM_SAMPLE_NUM);

5. 尚未实现的功能

目前输入信号的电压范围为 -3.3V~3.3V，可以通过改变反馈电阻，增大电压范围；
Auto功能，自动调整波形适应屏幕显示，大致实现方法如下：
- 通过FFT找到最大峰，计算合适的时间刻度、电压刻度
- 根据波形最大峰、次大峰，计算合适的触发电平

xzqiaochu / scope Goto Github PK

scope's Introduction

基于STM32G031的双通道示波器（带频谱分析功能）

1. 复现项目

方法一：烧录bin文件

方法二： 本地编译

2. 项目需求

设计一个带频谱分析功能的双通道示波器

3. 完成的功能及达到的性能

示波器部分

频谱仪部分

4. 实现过程

程序结构

核心算法

5. 尚未实现的功能

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