簡(jiǎn)介基于STM32的信號(hào)參數(shù)測(cè)量與波形顯示系統(tǒng)源自2014年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽D題面向電子工程與嵌入式開發(fā)初學(xué)者適合作為畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)或綜合實(shí)踐的基礎(chǔ)方案。方案以STM32微控制器為核心完成模擬信號(hào)高精度采樣、電壓電流實(shí)時(shí)測(cè)量并在液晶屏上呈現(xiàn)時(shí)域波形結(jié)合快速傅里葉算法生成頻域譜線設(shè)計(jì)聲反饋振蕩檢測(cè)與數(shù)字陷波濾波實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抑制完整覆蓋硬件架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集與頻譜分析流程。資源包共308個(gè)文件以C語言源碼和頭文件為主輔以啟動(dòng)文件、工程配置與備份以及編譯好的HEX固件壓縮后僅1.01MB。文件結(jié)構(gòu)清晰便于直接導(dǎo)入Keil工程進(jìn)行學(xué)習(xí)與二次開發(fā)。當(dāng)前已有73人學(xué)習(xí)使用內(nèi)容包含完整項(xiàng)目源碼、工程配置及算法實(shí)現(xiàn)可幫助讀者快速理解STM32的ADC采集、LCD驅(qū)動(dòng)、FFT頻譜分析和數(shù)字濾波等關(guān)鍵技能是電子設(shè)計(jì)與競(jìng)賽準(zhǔn)備中一份值得參考的實(shí)踐資料。 做電壓電流采集加波形顯示聽起來像是個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題或者實(shí)驗(yàn)室的小項(xiàng)目實(shí)際做下來你會(huì)發(fā)現(xiàn)真正花時(shí)間的不是接線和調(diào)庫而是把采樣鏈路里的精度問題、屏幕刷新邏輯和調(diào)試環(huán)境理順。這套基于STM32的系統(tǒng)核心就干兩件事用ADC把電壓電流變成數(shù)字量再在LCD上把這些數(shù)字量畫成波形。適合正在做課程設(shè)計(jì)的學(xué)生、剛?cè)腴T嵌入式想做個(gè)完整小項(xiàng)目的開發(fā)者也適合工廠里想做簡(jiǎn)易功率監(jiān)測(cè)但預(yù)算有限的一線工程師參考。先說結(jié)論這個(gè)項(xiàng)目的技術(shù)門檻其實(shí)不高STM32的ADC加上一塊SPI接口的LCD屏就能跑起來但要做到波形不閃爍、數(shù)據(jù)不跳變、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定里面的細(xì)節(jié)非常多。我把我實(shí)際調(diào)試過程中的完整方案、參數(shù)計(jì)算和踩過的坑都整理在下面照著做能省你至少兩三天時(shí)間。1. 項(xiàng)目整體思路與硬件選型1.1 標(biāo)題里的“采集”到底在測(cè)什么電壓電流采集通俗說就是用STM32內(nèi)部自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC去讀取外部模擬電壓信號(hào)。電壓采集相對(duì)直接用電阻分壓把被測(cè)電壓降到STM32能承受的0到3.3V范圍就行電流采集則繞一道彎多數(shù)方案是先把電流轉(zhuǎn)成電壓再送進(jìn)ADC。常見的做法有兩種一是串聯(lián)一個(gè)毫歐級(jí)采樣電阻用運(yùn)放把電阻兩端的微小壓差放大二是直接用霍爾電流傳感器模塊比如ACS712系列輸出已經(jīng)是一個(gè)與電流成正比的電壓值。波形顯示則是把連續(xù)采樣到的數(shù)據(jù)點(diǎn)映射到LCD屏幕的坐標(biāo)軸上讓原本枯燥的數(shù)字變成肉眼可見的曲線。這要求采樣率要夠、屏幕刷新要快否則波形要么糊成一片要么像幻燈片一樣卡頓。整個(gè)系統(tǒng)的核心鏈路就是信號(hào)輸入 - 信號(hào)調(diào)理 - STM32 ADC采樣 - 數(shù)據(jù)處理 - LCD繪制波形。1.2 電壓采集分壓電阻的數(shù)學(xué)賬分壓電路是電壓采集的基礎(chǔ)但很多初學(xué)者容易在這里犯迷糊。假設(shè)你要測(cè)0到24V的直流電壓STM32的ADC輸入范圍是0到3.3V那就需要把24V按比例縮小到3.3V以內(nèi)。這里有個(gè)經(jīng)驗(yàn)值我習(xí)慣把最大測(cè)量電壓對(duì)應(yīng)的ADC輸入電壓控制在3.0V左右留出10%的余量防止過壓燒引腳。計(jì)算過程并不復(fù)雜。已知最大輸入電壓Vin_max24V期望ADC引腳最大電壓Vadc_max3.0V則分壓比KVadc_max/Vin_max3.0/240.125。選擇上分壓電阻R1100kΩ下分壓電阻R2R1×K/(1-K)100k×0.125/0.875≈14.3kΩ可以取標(biāo)稱值15kΩ。這時(shí)候?qū)嶋H分壓比是15/(10015)0.1304最大輸入電壓對(duì)應(yīng)ADC引腳電壓是24×0.13043.13V仍在3.3V安全范圍內(nèi)。另一個(gè)容易忽略的問題是電阻阻值本身不能太大。STM32的ADC內(nèi)部有采樣電容外部信號(hào)源阻抗過高會(huì)導(dǎo)致采樣電容充不滿從而產(chǎn)生采樣誤差。100kΩ級(jí)別的分壓電阻雖然功耗低但對(duì)ADC的驅(qū)動(dòng)能力是個(gè)考驗(yàn)。我的做法是在分壓網(wǎng)絡(luò)和ADC引腳之間加一級(jí)電壓跟隨器用LM358或TL072這類通用運(yùn)放做緩沖阻抗問題就徹底解決了。1.3 電流采集采樣電阻加運(yùn)放與ACS712模塊的取舍電流采集的方案選擇直接決定成本和精度。采樣電阻加運(yùn)放的方式成本低且?guī)捀哌m合做高頻電流波形觀察。比如測(cè)0到5A電流選用10mΩ的精密采樣電阻滿量程壓降為5A×0.01Ω50mV這個(gè)信號(hào)太小必須放大。用軌到軌運(yùn)放比如LMV358設(shè)置放大倍數(shù)為50倍輸出就是0到2.5V剛好匹配ADC范圍。ACS712模塊則省去了放大電路的設(shè)計(jì)它的典型靈敏度是66mV/A以ACS712-05B為例5A滿量程輸出是0.33V實(shí)際上模塊內(nèi)部已經(jīng)把靜態(tài)輸出電壓偏置在VCC/2≈1.65V。它的優(yōu)點(diǎn)是即插即用缺點(diǎn)是帶寬只有80kHz測(cè)50Hz工頻電流完全沒有問題但如果你想觀察更高速的電流變化它就不太夠用了。我在這個(gè)項(xiàng)目里最終選了采樣電阻加運(yùn)放的方案原因很簡(jiǎn)單一是精度可以自己通過校準(zhǔn)電阻調(diào)整二是這個(gè)方案對(duì)理解模擬信號(hào)鏈路更有幫助。如果你手頭有ACS712模塊直接用也是可以的后續(xù)代碼里只需要調(diào)整換算系數(shù)。2. STM32 ADC采樣核心細(xì)節(jié)2.1 ADC通道配置與多通道切換STM32系列芯片的ADC資源差異較大以常見的STM32F103C8T6為例它有兩個(gè)12位ADC共16個(gè)外部通道。對(duì)于電壓和電流兩路信號(hào)可以分別使用ADC1的通道0和通道1這樣硬件上天然隔離互不干擾。配置時(shí)我用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫代碼如下ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 使能時(shí)鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // 72MHz / 6 12MHz ADC時(shí)鐘 // 配置PA0和PA1為模擬輸入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); // ADC1配置 ADC_InitStructure.ADC_Mode ADC_Mode_Independent; ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode ENABLE; // 掃描模式多通道必須開啟 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel 2; ADC_Init(ADC1, ADC_InitStructure); // 通道順序和采樣時(shí)間 ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);采樣時(shí)間這里選用55.5個(gè)周期對(duì)應(yīng)12MHz的ADC時(shí)鐘大約是4.6微秒。如果只測(cè)低頻信號(hào)其實(shí)20個(gè)周期左右就夠了但采樣時(shí)間長(zhǎng)一些能有效降低噪聲剛做出來的板子不建議一上來就用最快采樣速度。2.2 采樣時(shí)間與等效輸入阻抗的“隱形坑”前面提到外部信號(hào)源阻抗的問題這里展開說。STM32的ADC核心是一個(gè)逐次逼近型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個(gè)約4pF的采樣電容。每次轉(zhuǎn)換前采樣開關(guān)會(huì)閉合一段時(shí)間讓電容充電到輸入電壓。如果外部源阻抗過高充電時(shí)間常數(shù)就大采樣電容上的電壓可能還沒充到實(shí)際值就被斷開了結(jié)果就是轉(zhuǎn)換結(jié)果偏小。計(jì)算一下假設(shè)外部源阻抗R_source10kΩ采樣電容C_sample4pF時(shí)間常數(shù)τ10k×4pF40ns。55.5個(gè)采樣周期在12MHz下是4.625μs約等于115個(gè)時(shí)間常數(shù)電容基本能充滿。但如果你直接把100kΩ分壓電阻接到ADC引腳τ就變成400ns仍能充滿可如果采樣時(shí)間只設(shè)1.5個(gè)周期125ns就明顯不夠了。我的經(jīng)驗(yàn)是分壓電阻總阻值控制在20kΩ以內(nèi)或者加一級(jí)運(yùn)放跟隨器配合至少20個(gè)周期的采樣時(shí)間測(cè)出來的電壓基本不會(huì)飄。此外在ADC引腳對(duì)地并聯(lián)一個(gè)0.1μF的濾波電容能明顯降低高頻噪聲對(duì)采樣值的影響代價(jià)是信號(hào)響應(yīng)變慢但對(duì)應(yīng)50Hz工頻信號(hào)完全無感。2.3 DMA與數(shù)據(jù)搬移為什么不直接讀數(shù)據(jù)寄存器很多人圖省事循環(huán)里直接調(diào)用ADC_GetConversionValue()讀數(shù)據(jù)這在單通道低頻采集時(shí)問題不大。但當(dāng)采樣率提高到每秒幾千次CPU就被困在等待轉(zhuǎn)換和搬數(shù)據(jù)上了根本騰不出手去刷新LCD。正確的做法是開啟DMA讓ADC轉(zhuǎn)換完成后自動(dòng)把結(jié)果搬進(jìn)內(nèi)存數(shù)組全程不需要CPU干預(yù)。DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure; uint16_t adc_buf[2]; RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr (uint32_t)ADC1-DR; DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr (uint32_t)adc_buf; DMA_InitStructure.DMA_DIR DMA_DIR_PeripheralSRC; DMA_InitStructure.DMA_BufferSize 2; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc DMA_PeripheralInc_Disable; DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc DMA_MemoryInc_Enable; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize DMA_MemoryDataSize_HalfWord; DMA_InitStructure.DMA_Mode DMA_Mode_Circular; DMA_InitStructure.DMA_Priority DMA_Priority_High; DMA_InitStructure.DMA_M2M DMA_M2M_Disable; DMA_Init(DMA1_Channel1, DMA_InitStructure); DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);這里的DMA_Mode_Circular循環(huán)模式非常關(guān)鍵它會(huì)讓DMA自動(dòng)回繞持續(xù)不斷地把最新采樣值更新到adc_buf數(shù)組里。主循環(huán)里只需要定期讀取adc_buf[0]和adc_buf[1]就能拿到最新的電壓和電流數(shù)據(jù)CPU大部分時(shí)間都用在LCD繪制上。3. LCD波形顯示的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)3.1 屏幕選型SPI屏還是并口屏LCD屏的選型直接影響刷新速度和接線復(fù)雜度。市面上常見的小尺寸屏有兩種接口SPI串口屏和8080并口屏。SPI屏引腳少只需四根線SCL、SDA、CS、DC但刷新速度受限于SPI時(shí)鐘通常2.4寸的SPI屏全屏刷新一幀要50毫秒以上。并口屏數(shù)據(jù)線16根加上控制線占用的IO很多但刷屏速度能快到20毫秒以內(nèi)。對(duì)波形顯示這種需要頻繁局部刷新的場(chǎng)景SPI屏完全夠用因?yàn)槲也⒉恍枰林乩L只需要擦掉舊波形、畫上新波形每次操作量很小。我用的是一塊1.8寸的ST7735驅(qū)動(dòng)屏幕SPI時(shí)鐘設(shè)到36MHz實(shí)測(cè)局部刷新一塊160×80區(qū)域的波形肉眼感知不到閃爍。3.2 波形圖不是“畫圖”而是坐標(biāo)變換把ADC采樣值顯示成波形本質(zhì)上是一個(gè)坐標(biāo)換算的過程。屏幕的Y軸對(duì)應(yīng)電壓值X軸對(duì)應(yīng)時(shí)間或采樣點(diǎn)序號(hào)。ADC是12位的取值范圍0到4095換算成電壓的公式是float voltage (float)adc_buf[0] * 3.3f / 4095.0f;但屏幕顯示不能直接用這個(gè)電壓值得把它映射到屏幕的Y坐標(biāo)。比如LCD顯示區(qū)域?qū)挾仁?28像素高度是160像素我計(jì)劃把波形區(qū)域設(shè)為高度120像素頂部留20像素顯示文字信息。那么Y坐標(biāo)就是uint16_t y WAVE_TOP (uint16_t)(voltage / VREF_MAX * WAVE_HEIGHT);這里VREF_MAX是你要顯示的最大電壓如果設(shè)定為24V那么24V對(duì)應(yīng)Y軸的底部0V對(duì)應(yīng)頂部。注意LCD左上角是原點(diǎn)Y軸向下增長(zhǎng)所以電壓越大Y坐標(biāo)反而越大這一點(diǎn)容易搞反。我一開始就沒加這個(gè)補(bǔ)償波形是鏡像的后來用軟件取反才解決。3.3 波形滾動(dòng)與刷新率優(yōu)化波形滾動(dòng)顯示有幾種策略整屏平移、環(huán)形緩沖區(qū)寫點(diǎn)、或者只顯示最新的一段采樣數(shù)據(jù)。整屏平移在SPI屏上開銷很大因?yàn)橐l繁讀取和重寫顯存。我用的是環(huán)形緩沖區(qū)加局部刷新思路是這樣的ADC連續(xù)采樣每采到一個(gè)點(diǎn)就存進(jìn)一個(gè)長(zhǎng)度為128的數(shù)組數(shù)組滿后從頭覆蓋。在顯示循環(huán)里每次只擦除上一幀波形所在的點(diǎn)再繪制當(dāng)前幀的新點(diǎn)。// 偽代碼簡(jiǎn)化顯示邏輯 for (int x 0; x 128; x) { uint16_t y_old y_values[x]; // 舊坐標(biāo) uint16_t y_new get_adc_scaled(x); // 新坐標(biāo) draw_pixel(x, y_old, BG_COLOR); // 擦除舊點(diǎn) draw_pixel(x, y_new, WAVE_COLOR); // 繪制新點(diǎn) y_values[x] y_new; }這段邏輯在主循環(huán)里跑得非?？煲?yàn)镾PI屏支持單點(diǎn)寫入每次操作不過是寫兩個(gè)字節(jié)的命令加兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。再加上把采樣率控制在每秒500點(diǎn)到1000點(diǎn)波形既平滑又不至于讓CPU吃不消。這里有個(gè)優(yōu)化技巧不要每采一個(gè)點(diǎn)就刷新一次屏幕而是攢夠128個(gè)點(diǎn)、湊滿一屏再刷。這樣刷新率等于采樣率除以128大約是4到8幀每秒肉眼看起來是流暢的實(shí)時(shí)波形。如果覺得卡就把采樣點(diǎn)數(shù)降到64或者只顯示波形區(qū)域的一半寬度。4. 開發(fā)環(huán)境與調(diào)試坑實(shí)錄4.1 環(huán)境搭建從0到1的完整路徑這套系統(tǒng)我用的是Keil MDK加STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫開發(fā)雖然現(xiàn)在HAL庫是主流但標(biāo)準(zhǔn)庫資料多、代碼直觀用來學(xué)習(xí)ADC和DMA的工作流程更友好。新建工程時(shí)有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)必須在Device選項(xiàng)里選擇正確的芯片型號(hào)然后從標(biāo)準(zhǔn)庫的庫函數(shù)文件夾里把對(duì)應(yīng)外設(shè)的源文件加進(jìn)工程。很多人第一次建工程時(shí)報(bào)錯(cuò)找不到頭文件多半是沒在C/C選項(xiàng)卡的Include Paths里添加庫頭文件路徑。還有一個(gè)平臺(tái)通吃的坑Keil MDK 5默認(rèn)是不兼容C51工程的如果你之前學(xué)過51單片機(jī)電腦上可能裝了C51版本的Keil直接打開STM32工程會(huì)報(bào)一堆莫名其妙的錯(cuò)誤。解決辦法是安裝Keil MDK后再裝一個(gè)C51支持包或者在電腦上共存兩個(gè)版本、分別建立快捷方式。4.2 ST-Link連接報(bào)錯(cuò)no stm32 target found這個(gè)問題大概能排進(jìn)STM32初學(xué)者十大噩夢(mèng)之首報(bào)錯(cuò)信息為Error: No STM32 target found如果你用ST-Link下載程序時(shí)遇到它先冷靜排查確認(rèn)ST-Link的SWDIO、SWCLK、GND三根線是否連對(duì)目標(biāo)板是否供電正常。多數(shù)情況下是杜邦線接觸不良或者目標(biāo)板沒上電。如果硬件沒問題再看看Keil的Debug選項(xiàng)卡里是否選擇了ST-Link Debugger以及Utilities選項(xiàng)卡的Flash Download設(shè)置是否正確。更隱蔽的情況是目標(biāo)芯片的SWD引腳被代碼復(fù)用成了普通GPIO。比如GPIOA的PA13和PA14默認(rèn)是SWDIO和SWCLK如果初始化代碼把它們重新配置為推挽輸出芯片就沒法和調(diào)試器通信了。解決辦法是用ST-Link Utility的Connect Under Reset模式按住目標(biāo)板復(fù)位鍵再連接通常能救回來。建議在項(xiàng)目早期就禁用JTAG只保留SWDGPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);4.3 虛擬串口嘆號(hào)與延時(shí)函數(shù)卡死如果你打算用STM32的USB虛擬串口把采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到電腦大概率會(huì)遇到設(shè)備管理器里出現(xiàn)黃嘆號(hào)的問題。這不是硬件壞了而是驅(qū)動(dòng)沒安裝或者固件里的USB描述符不匹配。下載ST官方STM32 Virtual COM Port驅(qū)動(dòng)重新安裝即可。要注意的是如果固件里定義的USB PID和驅(qū)動(dòng)程序不匹配同樣的驅(qū)動(dòng)也裝不上。還有那個(gè)經(jīng)典問題延時(shí)函數(shù)delay卡死。用標(biāo)準(zhǔn)庫的朋友如果直接復(fù)制網(wǎng)上的延時(shí)函數(shù)而不配置SysTick定時(shí)器程序就會(huì)死在Delay內(nèi)部。我的習(xí)慣是優(yōu)先使用DWTData Watchpoint and Trace模塊做微秒級(jí)延時(shí)它不需要占用定時(shí)器外設(shè)。如果你的代碼卡在某一行while循環(huán)先查中斷優(yōu)先級(jí)是否配置正確再查時(shí)鐘初始化是否完整這兩個(gè)原因占了九成。5. 常見問題與排查技巧速查現(xiàn)象可能原因排查思路ADC讀數(shù)始終為0通道未使能或引腳配置錯(cuò)誤檢查GPIO模式是否為模擬輸入ADC通道號(hào)是否對(duì)應(yīng)采樣值跳變嚴(yán)重電源紋波大或采樣時(shí)間過短增加濾波電容增大ADC采樣周期LCD白屏SPI引腳初始化錯(cuò)誤或復(fù)位時(shí)序不對(duì)檢查CS、DC、RST引腳電平狀態(tài)確認(rèn)屏幕供電電壓波形顯示方向反了坐標(biāo)變換未取反檢查Y軸計(jì)算電壓越大Y值應(yīng)越大下載程序時(shí)提示找不到目標(biāo)SWD引腳被復(fù)用或接線不良嘗試Connect Under Reset檢查杜邦線再補(bǔ)一個(gè)我做這個(gè)項(xiàng)目時(shí)踩過的坑LCD極化和視角問題。屏幕的偏光方向決定了最佳可視角度如果畫出來的波形顏色淡或者閃爍不一定是代碼問題也有可能是屏幕的對(duì)比度寄存器配置不對(duì)。ST7735這類屏上電后需要發(fā)送一組初始化命令來設(shè)置偏壓和顯示方向直接用廠家給的參考代碼最穩(wěn)妥不要自己折騰顯示方向的旋轉(zhuǎn)參數(shù)。另外電源設(shè)計(jì)很重要。STM32和LCD共用一個(gè)USB供電時(shí)如果電流采集的是電機(jī)這種感性負(fù)載啟動(dòng)瞬間的電流尖峰會(huì)導(dǎo)致屏幕閃屏。我的做法是用一個(gè)獨(dú)立的AMS1117-3.3穩(wěn)壓給STM32和LCD供電采樣電路的參考地單獨(dú)走線回電源地信號(hào)地和功率地單點(diǎn)連接波形瞬間干凈了很多。想把這個(gè)項(xiàng)目繼續(xù)擴(kuò)展的話有兩個(gè)方向可以考慮一是加一個(gè)ESP8266模塊把采樣數(shù)據(jù)通過MQTT上傳到手機(jī)端做遠(yuǎn)程監(jiān)控二是把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間記錄后再離線分析。核心的ADC采集和LCD顯示框架都可以復(fù)用改動(dòng)的工程量不大。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取