基于Arduino平臺的簡易示波器設計與實現

貴州民族大學機械電子工程學院 普天堯

1.Arduino平臺簡介

Arduino是一個基于一系列單片機電路板的開源電子設計平臺，它同時提供了免費的開發環境（Arduino IDE）。相較其他單片機平臺，Arduino具有多種優勢，使其越來越廣泛地被應用于高校教學、課程設計之中。

1.1 易用性

Arduino使用C/C++語言編寫程序，并且其核心庫文件提供了大量的基于AVR-GCC庫二次封裝形成的API（Application Programming Interface）[1]。因此，使用者無需熟悉單片機寄存器的功能和設置方法，稍懂一些C語言即可開始項目設計，適合在高校低年級學生的實踐課程、競賽培訓等中應用、推廣。

1.2 開放性

Arduino的硬件電路、IDE軟件及核心庫文件均是開源的，在不用于商業用途的前提下，允許使用者在其基礎上擴展開發。

1.3 交流性

Arduino在世界各地擁有眾多開發者和用戶，因此可以在網絡上搜索到豐富的案例教程，以及一些I/O設備在Arduino下的類庫，從而有效地降低開發難度、縮短開發周期。

1.4 低成本

Arduino開發板價格相對便宜，例如本文設計使用的Arduino UNO R3控制器，價格在15到20元。此外，不需要編輯器，直接使用USB數據線即可完成程序下載，開發成本低，適合學生學習、創作。

2.系統硬件設計

數字示波器其工作原理是將輸入的模擬信號經ADC（Analog to Digital Converter）采樣后得到數字信號，并對其進行存儲、運算后將信號波形及所需參數輸出到顯示屏。

Arduino UNO是Arduino的主流產品，它包含14個數字輸入/輸出端口，6個模擬輸入端口，一個16MHz的晶體振蕩器[2]。其微控制器是ATmega328，它內部提供一個10位精度的逐次逼近型ADC。本文采用該系列最新版本UNO R3來實現信號的采樣、存儲及處理。波形及參數顯示使用LCD12864，以串行方式將其與Arduino的硬件SPI口連接[3]。開關S1、S2用于采樣率大小的增減，開關S3用于波形的鎖定。示波器的電路圖如圖1所示：

圖1 示波器硬件電路圖

3.系統軟件設計

Arduino程序主要由函數setup()和loop()構成。setup()函數中的代碼只被執行一次，通常用于完成I/O口狀態的配置等初始化工作。loop()函數是一個死循環，其中程序將反復運行。

本文設計的數字示波器的軟件部分主要包括：信號采樣模塊、鍵盤掃描模塊、信號參數計算模塊及波形顯示模塊。其中，信號采樣需要使用定時器中斷，其余模塊均放入loop()中實現。

3.1 信號采樣模塊

采樣率，即單位時間內的采樣次數，單位Sa/s，是數字示波器的重要指標，其大小影響波形質量。數字示波器的采樣主要有實時采樣和等效采樣兩種模式。綜合考慮控制器的性能指標，本設計中采用實時采樣，即固定時間間隔采樣，該模式下如果波形使用矢量顯示，采樣率應不低于數字實時帶寬的10倍[4]。

Arduino核心庫提供了函數analogRead()用于模數轉換，它讀入一個模擬輸入信號耗時100μs，即使用該函數能夠獲得的最大采樣率為10000Sa/s，此時數字示波器的測量頻率小于1kHz。為了實現更高的采樣率，需要對ATmega328內置ADC進行設置。ADC的工作模式使用ADC自動觸發連續采樣，在該模式下，完成一次轉換的時間是13.5個ADC周期。該ADC模塊包含一個預分頻器，通過對系統時鐘分頻可以獲得一個適合的ADC時鐘頻率。在經過多次性能測試后，本設計的預分頻系數設置為8，即 fADC=2MHz，對應的采樣周期為：

因此該系統的最高采樣頻率：

完成一次模數轉換后其結果存放在ADC數據寄存器中，故需等時間間隔讀取ADC結果，并以數組形式存入控制器內存，這個過程本文采用定時器中斷實現。ATmega328的定時器在CTC(Clear Timer On Compare)模式下，計數值與寄存器OCRnA的數值進行比較，若匹配則進入中斷，之后計數值清零。這里不對定時器時鐘分頻，則當OCRnA取107時，定時器中斷發生的頻率與ADC采樣頻率一致。

3.2 鍵盤掃描模塊

該示波器配置三個按鈕，其中一個用于鎖定波形，另外兩個按鈕分別用于采樣率大小的增減。每次進入鍵盤掃描函數后，會檢測指定引腳的電平變化，滿足條件時則對相關參數進行修改。波形鎖定是通過改變標志變量的值，從而控制LCD繪圖程序是否運行；而對定時器中OCRnA寄存器的值進行修改則可以調整定時器中斷周期，從而調整采樣率大小。

3.3 信號參數計算模塊

為了使得每次掃描的數據同步，顯示的波形穩定，需要查找到信號的同步觸發點，并將該點作為信號顯示的起點并丟棄前面的數據。因此，盡管波形顯示區域設置為96╳64，但這里采樣深度取192點。

除了波形顯示外，本設計將對采樣數據進行處理，獲得輸入信號的峰峰值Vpp和頻率f。Vpp的計算是通過查找采樣數據中的最大值和最小值來實現。頻率可以使用周期法測量，已知采樣率，通過對采樣數據處理得到輸入信號每個周期的平均采樣次數，進而確定其周期T，頻率f=1/T。具體實現代碼如下：

3.4 波形顯示模塊

通常情況下，為了實現LCD12864的正常顯示功能，使用者需要嚴格地按要求寫入驅動程序。然而利用Arduino平臺進行系統設計時，可以跳過這個繁冗的步驟，本設計中直接調用U8glib庫函數來實現液晶屏的設置及圖形繪制功能。U8glib是目前Arduino上使用最廣泛的圖形顯示類庫，支持多種型號的液晶顯示屏。Arduino控制器和LCD采用硬件SPI通信，引腳連接如圖1所示。程序中需包含U8glib.h頭文件，并建立一個LCD對象，代碼如下：

上述代碼中的draw()函數，其中應包含實現圖形顯示的代碼。

4.測試分析及結論

為了驗證示波器的波形顯示功能和頻率測量性能，本文使用信號發生器提供等幅值不同頻率的正弦輸入信號。示波器輸出波形及信號參數如圖2所示：

圖2 不同頻率的信號波形顯示

表1給出輸入信號頻率不同時頻率測量的相對誤差。

表1 頻率測量結果

經測試數據顯示，利用Arduino平臺提供的開源硬軟件可以實現一個誤差較小的簡易數字示波器。

基于Arduino的系統設計具有軟件結構簡單、實現成本低、開發周期短等優勢，適合引入到高校工科專業實驗課程的教學活動中，有助于提高學生的學習興趣，培養學生的創新思維和實際操作能力。

[1]陳呂洲.Arduino程序設計基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社,2015.

[2]范欽武.基于arduino和enc28j60的溫濕度監控系統設計[J].科技視界,2014(23)：108-109.

[3]吳漢清.玩轉Arduino電子制作[M].北京：機械工業出版社,2016.

[4]康玲竹.數字示波器特性及應用[J].船電技術,2009(06)：59-60.