智慧移動實驗室設計

徐 磊

(江西科技師范大學 江西 南昌 330100)

智慧移動實驗室設計

徐 磊

(江西科技師范大學 江西 南昌 330100)

隨著科技的快速發展，電子產品日新月異，智能，便利，綠色，環保等早已成為當今初會的焦點，對于智能化產品的研究也一直向前。于是，我們緊跟時代腳步，設計了本次產品智慧移動實驗室系統，本系統由硬件和軟件組成，主要用于學校教學微型移動實驗室，也適用于需要測量的工程師和普通人，本產品使用簡單，便利攜帶，性能好，智慧移動實驗室就像一個移動的小型實驗室，可以進行各種教學實驗測量，不再需要再跑去實驗室用特定的產品，你可以使用本產品，隨時隨地的進行實驗，再也不會因為想到一個好思路而沒有好的工具而煩惱了。本次產品主要可作小型示波器和信號發生器使用。

互聯網+；示波器；信號發生器；STM32；采樣；便攜

一、引言

在目前的實驗教學儀器中，大部分一起往往過于笨重，不方便攜帶。而且大多只能存放于實驗室等固定場所。這就給學生調試電路帶來很多局限性，現在的一些測試儀器雖然具備上位機軟件調試功能，但不具備聯網功能，還是采用傳統的單機操作模式，而現行的測試波形拷貝功能也不能完成實時性的要求。綜合上面兩種不足，我們可以知道現在的一些測試儀器不能滿足現在的時代發展需要。所以設計并研發出一款具有網絡互連功能和數據實時上傳功能的便攜性一起具有十分重要的意義。這樣即可既能實現所測數據的實時上傳，方便指導老師遠程指導外，還可以讓此測試儀器走進學生宿舍，讓學生在寢室即可完成實驗數據的測試。這在一定程度上解決了學生宿舍無儀器的現狀，從而提高學生的學習積極性。

二、示波器的基本原理(你自己加點這個原理，說他是怎么實現信號發生器和示波器的流程)

智慧移動實驗室是由STM32F407ZGT6核心，3.5寸TFT觸摸屏以及外圍電路(穩壓電路，采集電路)等輔助部件組成，具備7M的采樣率和可調節的信號發生器功能?？梢詫嶒炇依锎笮偷膬x器，并且多合一。

首先又輸入電路把輸入電壓轉換成0-3.3V的AD采樣范圍內，經過高速AD，示波器的最大采樣速度由單位時間內AD轉換的最高次數決定，簡稱Fmax,最大采樣率越高，儀器捕捉信號的能力越強，數字式示波器在某測量時刻的實際取樣速率可根據示波器當時設定的掃描因素(t/div)推算，根據采樣定理，如果取樣速率大于或者等于信號最高頻率分量的的兩倍，便可以重現原信號波形。實際上，為了保證信號分辨率，往往要求增加更多的采樣點，一般一個周期取4-10個點。

智慧移動實驗室是由外圍電路將待測信號，轉成單片機AD采集能采集的0-3.3V信號，然后由單片機采集顯示，軟件部分包括ucosiii實時內核，STemwin嵌入式GUI界面，外圍電路將待測信號轉成0-3.3V的電壓之后，由單片機中的定時器定時觸發ADC采集并由DMA(直接內存存取)采集到內存中，實時內核定時刷新內存中的值轉換之后顯示到TFT彩屏上。信號發生器功能由DMA加ADC加外圍轉換電路完成，單片機自帶的DAC可以實現0-3.3V的電壓輸出。然后經過外圍電路轉換成相應波形。

三、示波器的基本參數

(一)最大采樣速率Fmax

單位時間內完成的完整AD轉換的次數，最大采樣率主要由AD轉換器的最高速率決定，最高速率越高，儀器的捕獲信號的能力越強。

(二)儲存帶寬

儲存貸款與采樣速率密切兩相關，根據采樣定理，如果取樣速率大于或者等于最高信號頻率分量的兩倍，便可重現原信號的波形，實際上，在數字存儲示波器的設計中，為了保證波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點，一般一個周期4-10點。

(三)分辨率

分辨率用于反映儲存信號波形的細節的綜合特性。

分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率與AD轉換的分辨率相對應，常以屏幕每格的分級數(級/div)表示。水平分辨率由存儲器的容量決定，常以屏幕每格含有多少個取樣點來表示，示波器的屏幕坐標刻度一般為8*10 div。若示波器采用8位AD轉換器(256級)，則其垂直分辨率為32級/div，用哪個百分比表示為1/256≈0.39%。若采用容量為1k的存儲器，則水平分辨率為1024/10點/div，或者用百分數表示為1/1024≈0.1%。

(四)儲存容量

儲存容量又稱記錄長度，用記錄一幀波形數據占有的存儲容量來表示，常以字(word)為單位。存儲容量與水平分辨率在數值上互為倒數關系。

數字存儲器的儲存容量通常采用256B，512B，1K，4K等。存儲容量越大，水平分辨率就越高，但是存儲容量并不是越大越好，由于一起最高采樣速率的限制，若存儲容量選取不恰當，往往會因為時間窗口縮短而失去信號的重要成分，或者因時間窗口增大而水平分辨率降低。

(五)讀出速度

讀出速度是指將儲存的數據從儲存器中讀出的速度，常用(時間)/div表示。

其中，時間等于屏幕中每格內對應的儲存容量*讀脈沖周期。

使用時，示波器應該根據顯示器，記錄裝置等對速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。

四、手持示波器的硬件實現

單片機采用STM32F407ZET6，主頻168M，帶FPU計算器，體積小巧，1M FLASH 200K RAM和1M的外部擴展RAM(SRAM)。屏幕采用ILI9328驅動的TFT。使用單片機的FSMC總線驅動屏幕顯示，FPS最高可以達到120HZ，使得波形快速的展現在屏幕上，而不至于丟失。

觸摸屏部分采用的是電阻式觸摸，使用了電阻觸摸屏專用芯片XPT2046。

外部輸入電路采用運放等實現衰減，放大等功能。

硬件框圖:

合衰減電路：

圖1.0 衰減和耦合網絡

AC/DC耦合通過C1電容來實現,衰減方式使用純電阻網絡。

圖1.1 阻抗匹配

五、手持示波器的軟件實現

總體框架：為TFT初始化，觸摸初始化，eeprom初始化用于保存設置，

示波器的軟件部分：初始化兩個定時器Timer6，Timer7，Timer6給GUI系統提供時基和定時監測觸摸屏情況，Timer7用于觸發ADC，調節Timer7的頻率可以調節示波器的時間間隔。波形發生器的軟件部分，使用預先設定好的基本波形數組通過Timer7不同頻率觸發輸出到DAC端口。

MainDLG.c //示波器主窗口的創建

/****************************

*

*功能:使用STemwin創建一個圖表控件，并為控件添加數據集。

*/

WM_HWIN CreateMain(void);

WM_HWIN CreateMain(void){

WM_HWIN hWin;

GUI_HWIN hItem,hScaleH;

GRAPH_SCALE_Handle hScaleV;

hWin = GUI_CreateDialogBox(_aDialogCreate,GUI_COUNTOF(_aDialogCreate),_cbDialog,WM_HBKWIN,0,0);

hItem =WM_GetDialogItem(hWin,ID_GRAPH_0);

GRAPH_SetBorder(hItem,20,10,10,15);

GRAPH_SetGridVis(hItem,1);

GRAPH_SetGridFixedX(hItem,1);

GRAPH_SetGridDistY(hItem,10);

hScaleV =GRAPH_SCALE_Create(20,GUI_TA_RIGHT,GRAPH_SCALE_CF_VERTICAL,50);//創建和增加垂直范圍尺度標簽

GRAPH_SCALE_SetTextColor(hScaleV,GUI_RED); //設置標簽字體顏色

GRAPH_AttachScale(hItem,hScaleV); //將標簽添加到垂直方向

hScaleH =GRAPH_SCALE_Create(180,GUI_TA_HCENTER,GRAPH_SCALE_CF_HORIZONTAL,50);//創建和增加水平范圍尺度標簽

GRAPH_SCALE_SetTextColor(hScaleH,GUI_DARKGREEN); //設置字體顏色

GRAPH_AttachScale(hItem,hScaleH); //添加到水平方向

pdataGRP =GRAPH_DATA_YT_Create(GUI_RED,500/*最大數據個數*/,0,0);//創建一個數據曲線,可創建多個曲線

GRAPH_AttachData(hItem,pdataGRP); //為繪圖控件添加數據對象

其中n=0,1,2,…,N-1，N為子脈沖個數；Na為脈組數，na=1,2,…,Na；fn=f0+nΔf為第n個子脈沖的載頻；tm為方位向慢時間；K為散射點個數；假設xk、yk分別為第k個散射點在目標參考系中的坐標，則σk=σ(xk,yk)為第k個散射點強度；Rk為第k個散射點與雷達之間的距離.在成像的時間內，Rk可近似表示為：

return hWin;

}

數據采集以及轉換：

/* USER CODE BEGIN 1 */

extern volatile GUI_TIMER_TIME OS_TimeMS;

extern uint32_t ADC_ConvertedValue;

extern uint8_t j;

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)

{

float v=0;

if(htim->Instance == htim7.Instance && j == 1)

{

v=0.4*(ADC_ConvertedValue&0xFFF)*3.3/40.96;

GRAPH_DATA_YT_AddValue(pdataGRP,(I16)v);

}

}

//定時器數據采集轉換后，把數據給到圖表控件的數據集。GUI刷新時會把數據更新到屏幕上。

六、智慧移動實驗室的測試與結論

測試：測試采用1HZ,10HZ,100HZ,1KHZ,10K,100K,1M,Vp-p=1V的信號。

進行測試：

測試結果如下：

頻率1HZ10HZ100HZ1K10K100K1MVp-p1V1V1V1V1V1V1V測量Vp-p0.998V1.001V1V1.001V0.999V0.95V0.90V測量頻率1H10HZ100HZ1KH10K100K1M

結論：測量結果完全可以滿足學生日常需求。

七、總結和拓展

本次設計，我們收益良多，也遇到了很多困難。比如說，如何去架構整個系統，如何讓整個系統即能獨立實觀又能雙重實現。對于整個系統如何去更好的兼容等，我們做了大量的工作，從設計之初的方案無到有，一路更改，從簡單到難，沒日沒夜的都在思考如何才能使本次設計更加趨于人性化，更加的能讓系統更加穩定。在設計中，我們查閱了大量資料，其中在設計中我們發現自己所學不足，而且有很多知識是我們沒有接觸過的，但這并沒有打擊我們的自信心，更加的讓我們更加努力，從中我們學會如何更好的去接受新知識，如何的從發現問題到解決問題，如何去發散性的去思考，這都是學校不會教的，唯有在我們真正遇到問題到解決問題這一過程中中，我們能發現自己的不足并去彌補，并從中提升自己。在此我也要感謝我的隊友，不持余力的鼓勵我，當然還要特別感謝那些幫助過我的老師和同學，正因為有他的幫助和鼓勵，我才能更加的有自信的去完成這次的設計。通過努力，本次產品實現所有功能，但本人能力有限，可能產品并不是很完善，歡迎各位的指點，我將繼續努力！

徐磊(1995.07-)，男，漢族，江西南昌人，大學本科，江西科技師范大學。