CN110609161A - 基于stm32的太阳能便携式示波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于STM32的太阳能便携式示波器。包括供电电路、衰减电路、程控增益电路、检波电路、信号搬移电路、STM32电路、信号发生器、用户界面电路和蓝牙通信模块：太阳能电池供电电路与各模块电路电源相连，所述的衰减电路与外部信号输入端口、程控增益电路相连，程控增益电路与衰减电路、检波电路、STM32电路、信号搬移电路相连，检波电路与衰减电路、程控增益电路相连，信号搬移与程控增益电路、STM32电路相连，STM32电路与信号搬移电路、信号发生器、用户界面电路、蓝牙模块电路相连，信号发生器与STM32电路、检波电路相连；本发明能够对特殊信号的幅度、频率、频谱和幅频特性等参数的精准测量。
Description
技术领域
本发明涉及的是对正弦波、方波、三角波和合成波等任意信号的基本波形、幅度和频率参数观测，还涉及对信号的频谱分析，外部器件的幅频特性曲线测试功能，以及手机端实时读取存储测量信号的参数。
背景技术
随着全球电子科学技术的飞速发展，电子电路设计日益成熟，信息传输方式更加快速、更加多样化，信号逐渐从高端技术人员的手里逐渐向普通学生、工人普及，由于信号处理方式不同，各种形状、频率和幅度的信号层出不穷，示波器作为观察信号的唯一工具诞生了，而传统示波器体积大，携带不便，有线供电的缺点限制了示波器的使用。因此，基于STM32的太阳能便携式示波器的需求日益上升。本发明以STM32F767为主核心处理器，TFT-LCD作为用户界面显示器，采用12位高精度模数转化AD模块在STM32的控制下扫描被测信号，配合STM32取点绘出信号曲线并进行快速傅里叶变换最终获得频谱特性图，利用程控增益实现信号源幅度可调，以满足不同被测信号的输入要求，使用DDS信号发生器实现扫频信号测量，得到幅频特性曲线。同时，利用蓝牙模块实现与手机端通信，在手机端实时查看被测信号所有参数。此外，本发明制作了一个用户界面，能够在本地端显示测量得到的所有参数及绘制对应信号图。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于STM32的太阳能便携式示波器，旨在解决示波器体积大、携带不便、有线供电、不同被测信号输入信号幅度要求不同、基本信号测量、频谱分析、幅频特性测试以及数据远程传输显示等问题。
本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种基于STM32的太阳能便携式示波器，包括太阳能电池供电电路、衰减电路、程控增益电路、检波电路、信号搬移电路、STM32电路、信号发生器、用户界面电路和蓝牙通信模块：所述的太阳能电池供电电路与各模块电路电源相连，所述的衰减电路与外部信号输入端口、程控增益电路相连，所述的程控增益电路与衰减电路、检波电路、STM32电路、信号搬移电路相连，所述的检波电路与衰减电路、程控增益电路相连，所述的信号搬移与程控增益电路、STM32电路相连，所述的STM32电路与信号搬移电路、信号发生器、用户界面电路、蓝牙通信模块相连，所述的信号发生器与STM32电路、检波电路相连；
外部输入信号输入后通过衰减电路，将输入信号峰峰值控制在预设幅度值内；再由检波电路得到幅值，由STM32电路判断区间控制程控增益电路增益放大；增益后信号输入信号搬移电路一端，另一端输入电源分压，实现信号中心点的搬移，将信号搬移，防止负电压烧坏STM32电路内部的ADC模块；最后由ADC模块进行信号离散点采集，进行快速傅里叶变换，得到该信号的信号测量数据及频谱信息；同时，系统控制信号发生器输出扫频信号，经由待测器件后再通过检波模块检波得到幅值，绘制待测器件的幅频特性曲线图；完成系统测量后，STM32电路通过串口将信息发送给蓝牙模块，由蓝牙发送至连接的手机端。
更进一步，所述的程控增益电路包括PGA202程控增益芯片和运放AD811，实现带宽为10MHz的增益控制，信号从Sig_IN口输入，通过STM32电路的2根I/O口控制线输入A0、A1控制口实现1,10,100,1000，4种增益变换，再由Sig输出得到增益后的信号，使输入信号幅值控制在330mV～3.3V。
更进一步，程控增益模块，当检测峰值在0-3.3mV是，控制程控增益为1000；当检测峰值在3.3-33mV时，控制程控增益为100；当检测峰值在33-330mV时，控制程控增益为10；当检测峰值在330～3300mV时，控制增益为1。
更进一步，所述的太阳能电池供电电路包括太阳能充电板、充电锂电池，采用太阳能充电板和锂电池循环供电方式，锂电池电量充足时，二极管左侧电压小于右侧电压，二极管截止，锂电池单独供电；当锂电池电量不足时，二极管左侧电压大于右侧电压，二极管导通，太阳能充电板给锂电池充电，最终实现循环用电。
更进一步，所述的ADC模块的输入有3路，1路与衰减电路检波输出相连，2路与信号搬移电路输出相连，3路与信号发生器检波输出相连；信号测量界面将输入信号进行离散点采集后，通过FFT函数对离散信号数组进行217点傅里叶变换，从而计算基波幅度与频率，并将FFT变换前数组绘制在X-Y坐标轴中；频谱分析界面同样采集信号进行FFT变换，可以得到个频点幅度，软件查询幅度最大的频点得到基波，再测量基波频率n倍的频率点得到谐波，最后将得到的基波与各次谐波数据绘制在X-Y坐标轴中得到频谱图；幅频特性测量界面系统DDS扫频输出接入外部测量器件，再通过AD637检波得到各频点幅值，存入数组，绘制对应幅频特性曲线；最后通过串口和蓝牙模块，将测量信息发送至手机端。
更进一步，所述的信号衰减电路包括2级AD811反相衰减。
更进一步，所述的检波电路包括AD637有效值检波电路，其输出为线性响应直流电压，输入信号幅度与输出直流电压关系为1:0.707，保证了3.3V信号输入后检波输出电压小于3.3V，能供ADC采集，此外该芯片内部集成运放，还可通过输出校准滑阻调节输出电压，可调节至峰值。
更进一步，所述的信号搬移电路包括运算放大器AD811构成的加法器电路和AD811构成的反相运放；信号搬移电路采用2块AD811运放芯片，第一级使用AD811运放负极输入多路信号实现信号的相加，将输入幅值为-1.65V～1.65V的信号加上1.65V的直流电压搬移至0～3.3V，但由于负极输入，因此使用第二级AD811进行反相输出，最终得到幅度为0～3.3V的输出信号。
更进一步，蓝牙通信模块，利用STM32F767的串口3将测量结果及信号波形数组通过蓝牙发送至手机安卓端。
更进一步，用户界面电路，使用测量结果数组，在TFT-LCD屏上绘制X-Y轴坐标图，再将数组中的数据逐点打印在显示屏上，得到最终的测量数据及波形图、频谱图和幅频特性曲线；手机端负责获取被测信号三种数据信息，当STM32电路处理完一组信号后，通过蓝牙模块连接至手机蓝牙，将数据信息逐位发送，手机端接收到数据组后存入存储端并开始解析数据，在设置好的坐标轴界面上显示对应信号图，在下方数据显示栏显示各功能对应的参数，最后将屏幕显示结果保存；上半部分区域为坐标轴，用来显示被测信号的各类波形图，当手机接收到数据后，进行数据解析，一个频率点对应一个幅度信息，通过在坐标区域描点连线，显示被测信号的波形图；下方为数据显示界面，用来显示测量精准数值。
本发明的有益效果
本发明能够对超高低频信号、微弱信号及任意波信号等特殊信号的幅度、频率、频谱和幅频特性等参数的精准测量，具有便于携带、使用便捷的优点。为解决任意信号的信号参数测量、不同被测器件输入信号幅度要求不同、高频低频信号难以测量等问题提供了解决方案。同时，利用蓝牙技术实现手机端实时获取信号频谱图及各个频谱参数，实现更加便捷的数据观察和保存。值得注意的是，本发明在本地端提供了一个用户界面，能够直接在用户界面上显示被测信号的波形、幅度和频率等基本测量结果，还能显示频谱分析结果和计算得到的截止频率。此外，本发明还增加了图像绘制功能，可以通过用户界面直接显示被测信号的波形图、频谱图，以及被测器件的幅频特性曲线，而不需要通过示波器显示，增加了便捷性。
附图说明
图1是STM32软件系统设计总体示意图。
图2是STM32软件系统设计流程图。
图3是STM32软件系统设计功能流程图。
图4是手机端APP程序流程图。
图5是手机端APP界面示意图。
图6是程控增益电路图。
图7是有效值检波电路图。
图8是信号搬移电路图。
图9是太阳能充电电路示意图。
图10是一种基于STM32的太阳能便携式示波器系统实现框图。
图11是系统模具设计图。
图12是系统连接管脚图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰、明确，以下参考附图并举例进一步详细说明。
针对信号的测量要求和分析方法，本发明采用STM32F767为核心控制器，PGA202以程控增益芯片为核心器件，并与幅度衰减电路组合，在STM32的控制下，调节输入信号的幅度直至移动至测量门限内，以满足不同被测信号的输入要求；利用AD637有效值检波器检波获取被测信号的幅度信息，从而控制程控增益模块控制输入信号增益倍数；利用加法器将输入信号和分压电路提供的1.65V电压相加，获得一个全部在x轴上方的输入信号；利用STM32的12位AD逐点采集出输入信号的各点数据，然后将这组波形数据进行快速傅里叶变换(FFT)，最终获得所需要的基波的幅度、频率以及其他频谱信息；在TFT-LCD显示频上通过按键切换显示信号基本参数与波形测量图、频谱图和幅频特性曲线图；利用蓝牙模块实现与手机端通信，在手机端获取被测信号的数据各项参数图。
图1是STM32软件系统设计总体示意图。在整个系统中，主控制器STM32F767起着关键作用，控制程控增益模块的增益值，采集信号信息、软件快速傅里叶变换、蓝牙传输、用户界面更新等功能均由它来完成。STM32F767软件系统的设计主要分为六个模块：第一个是有效值检波模块，通过检波器检测输入信号有效值，再利用ADC模块采集模拟量转换成数字量，判断输入电压范围，对不同电压范围进行程控增益；第二个是程控增益模块，通过ADC采集回来的输入信号幅值，使用2个I/O口进行1,10,100,1000种不同的增益，使输入信号幅值控制在330mV～3.3V，保证ADC采集精度；第三个是ADC模块，利用STM32F767片内集成的A/D转换器逐点读取输入信号的各点幅值，通过存储在数组中，在STM32电路内部绘制出一副输入信号的X-Y离散波形图；第四个是FFT模块，将输入信号逐点采集，获得离散的信号波形，通过快速傅里叶变换函数，得到各频点幅值数组，最后查询幅度最大的频点得到基波信息；第五个是蓝牙通信模块，利用STM32F767的串口3将测量结果及信号波形数组通过蓝牙发送至手机安卓端，用户可在手机端查询实时测量结果；第六个是显示界面模块，使用测量结果数组，在TFT-LCD屏上绘制X-Y轴坐标图，再将数组中的数据逐点打印在显示屏上，得到最终的测量数据及波形图、频谱图和幅频特性曲线。
图2是STM32软件系统设计流程图。STM32F767上电后完成对应外设模块及内部程序的初始化，再通过ADC模块采集输入信号幅值进行幅度范围判断：本仪器设有4个峰值区间，当检测峰值在0-3.3mV是，控制程控增益为1000；当检测峰值在3.3-33mV时，控制程控增益为100,；当检测峰值在33-330mV时，控制程控增益为10；当检测峰值在330～3300mV时，控制增益为1，使输入信号的幅值能够保持在ADC最佳测量范围内，从而保证测量精度；在通过搬移电路后，进行AD采集输入信号的离散信号点，最后通过按键选择测量功能，进入各功能的专属测量界面，实现信号的功能测量。
图3是STM32软件系统设计功能流程图。STM32F767除完成上述初始化进入功能界面后，根据不同功能进行不同操作：信号测量界面将输入信号进行离散点采集后，通过FFT函数对离散信号数组进行217点傅里叶变换，从而计算基波幅度与频率，并将FFT变换前数组绘制在X-Y坐标轴中；频谱分析界面同样采集信号进行FFT变换，可以得到个频点幅度，软件查询幅度最大的频点得到基波，再测量基波频率n倍的频率点得到谐波，最后将得到的基波与各次谐波数据绘制在X-Y坐标轴中得到频谱图；幅频特性测量界面系统DDS扫频输出接入外部测量器件，再通过AD637检波得到各频点幅值，存入数组，绘制对应幅频特性曲线；最后通过串口和蓝牙模块，将测量信息发送至安卓APP端。
图4是手机端APP程序流程图。手机端负责获取被测信号三种数据信息，当STM32电路处理完一组信号后，通过蓝牙模块连接至手机蓝牙，将数据信息逐位发送，手机端接收到数据组后存入存储端并开始解析数据，在设置好的坐标轴界面上显示对应信号图，在下方数据显示栏显示各功能对应的参数，最后将屏幕显示结果保存，方便后续查看。
图5是手机端APP界面示意图。上半部分区域为坐标轴，用来显示被测信号的各类波形图(波形、频谱、幅频特性)。当手机接收到一系列数据后，进行数据解析，一个频率点(时间点)对应一个幅度信息，通过在坐标区域描点连线，显示被测信号的波形图；下方为数据显示界面，用来显示测量精准数值。
图6是程控增益电路图。采用PGA202增益芯片，能够实现带宽为10MHz的增益控制，信号从Sig_IN口输入，通过STM32电路2根I/O口控制线输入A0、A1控制口实现4种增益变换，再由Sig输出得到增益后的信号。
图7是有效值检波电路图。有效值检波芯片选择AD637，其输出为线性响应直流电压，输入信号幅度与输出直流电压关系为1:0.707，保证了3.3V信号输入后检波输出电压小于3.3V，能供ADC采集，此外该芯片内部集成运放，还可通过输出校准滑阻调节输出电压，可调节至峰值。
图8是信号搬移电路示意图及电路图，采用2块AD811运放芯片，第一级使用AD811运放负极输入多路信号实现信号的相加，将输入幅值为-1.65V～1.65V的信号加上1.65V的直流电压搬移至0～3.3V，但由于负极输入，因此使用第二级AD811进行反相输出，最终得到幅度为0～3.3V的输出信号。
图9是系统太阳能充电电源示意图，采用太阳能充电板和锂电池循环供电方式，锂电池电量充足时，二极管左侧电压小于右侧电压，二极管截止，锂电池单独供电；当锂电池电量不足时，二极管左侧电压大于右侧电压，二极管导通，太阳能充电板给锂电池充电，最终实现循环用电。
图10是一种智能自动增益控制的频谱分析仪的系统实现框图。其主要工作原理如下：
外部输入信号输入后通过一个衰减指数为3.3的衰减器，将输入信号峰峰值控制在0～3.3V内，保证输入信号不会烧坏ADC采集模块；衰减输出再由AD637有效值检波得到大致幅值，由STM32电路判断区间控制程控增益放大；增益后信号输入信号搬移电路一端，另一端输入5V电源分压得到的1.65V电压，实现信号中心点的搬移，将信号搬移至0～3.3V，保证不让负电压烧坏ADC模块；最后由STM32电路内部ADC模块进行信号离散点采集，利用单片机资源进行软件快速傅里叶变换，得到该信号的信号测量数据及频谱信息等；同时，系统控制DDS信号发生器输出扫频信号，经由外部器件后再通过AD637模块检波得到幅值，由此可以绘制某外部器件的幅频特性曲线图；完成系统测量后，STM32电路通过串口将信息发送给蓝牙模块，由蓝牙发送至连接的手机端。
安卓用户端接受蓝牙传输的数据，通过一定数据解析，在坐标轴上绘制对应信号图，下方显示详细信息，并实时保存。
图11是系统模具设计图，为保证用户使用安全，设计专用外壳模具进行包装，隔离电路与人体。
图12是系统连接管脚图。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于，包括太阳能电池供电电路、衰减电路、程控增益电路、检波电路、信号搬移电路、STM32电路、信号发生器、用户界面电路和蓝牙通信模块：所述的太阳能电池供电电路与各模块电路电源相连，所述的衰减电路与外部信号输入端口、程控增益电路相连，所述的程控增益电路与衰减电路、检波电路、STM32电路、信号搬移电路相连，所述的检波电路与衰减电路、程控增益电路相连，所述的信号搬移与程控增益电路、STM32电路相连，所述的STM32电路与信号搬移电路、信号发生器、用户界面电路、蓝牙通信模块相连，所述的信号发生器与STM32电路、检波电路相连；
外部输入信号输入后通过衰减电路，将输入信号峰峰值控制在预设幅度值内；再由检波电路得到幅值，由STM32电路判断区间控制程控增益电路增益放大；增益后信号输入信号搬移电路一端，另一端输入电源分压，实现信号中心点的搬移，将信号搬移，防止负电压烧坏STM32电路内部的ADC模块；最后由ADC模块进行信号离散点采集，进行快速傅里叶变换，得到该信号的信号测量数据及频谱信息；同时，系统控制信号发生器输出扫频信号，经由待测器件后再通过检波模块检波得到幅值，绘制待测器件的幅频特性曲线图；完成系统测量后，STM32电路通过串口将信息发送给蓝牙模块，由蓝牙发送至连接的手机端。
2.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于：所述的程控增益电路包括PGA202程控增益芯片和运放AD811，实现带宽为10MHz的增益控制，信号从Sig_IN口输入，通过STM32电路的2根I/O口控制线输入A0、A1控制口实现1,10,100,1000，4种增益变换，再由Sig输出得到增益后的信号，使输入信号幅值控制在330mV～3.3V。
3.根据权利要求2所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于：程控增益模块，当检测峰值在0-3.3mV是，控制程控增益为1000；当检测峰值在3.3-33mV时，控制程控增益为100；当检测峰值在33-330mV时，控制程控增益为10；当检测峰值在330～3300mV时，控制增益为1。
4.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于：所述的太阳能电池供电电路包括太阳能充电板、充电锂电池，采用太阳能充电板和锂电池循环供电方式，锂电池电量充足时，二极管左侧电压小于右侧电压，二极管截止，锂电池单独供电；当锂电池电量不足时，二极管左侧电压大于右侧电压，二极管导通，太阳能充电板给锂电池充电，最终实现循环用电。
5.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于，所述的ADC模块的输入有3路，1路与衰减电路检波输出相连，2路与信号搬移电路输出相连，3路与信号发生器检波输出相连；信号测量界面将输入信号进行离散点采集后，通过FFT函数对离散信号数组进行217点傅里叶变换，从而计算基波幅度与频率，并将FFT变换前数组绘制在X-Y坐标轴中；频谱分析界面同样采集信号进行FFT变换，可以得到个频点幅度，软件查询幅度最大的频点得到基波，再测量基波频率n倍的频率点得到谐波，最后将得到的基波与各次谐波数据绘制在X-Y坐标轴中得到频谱图；幅频特性测量界面系统DDS扫频输出接入外部测量器件，再通过AD637检波得到各频点幅值，存入数组，绘制对应幅频特性曲线；最后通过串口和蓝牙模块，将测量信息发送至手机端。
6.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于，所述的信号衰减电路包括2级AD811反相衰减。
7.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于，所述的检波电路包括AD637有效值检波电路，其输出为线性响应直流电压，输入信号幅度与输出直流电压关系为1:0.707，保证了3.3V信号输入后检波输出电压小于3.3V，能供ADC采集，此外该芯片内部集成运放，还可通过输出校准滑阻调节输出电压，可调节至峰值。
8.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于，所述的信号搬移电路包括运算放大器AD811构成的加法器电路和AD811构成的反相运放；信号搬移电路采用2块AD811运放芯片，第一级使用AD811运放负极输入多路信号实现信号的相加，将输入幅值为-1.65V～1.65V的信号加上1.65V的直流电压搬移至0～3.3V，但由于负极输入，因此使用第二级AD811进行反相输出，最终得到幅度为0～3.3V的输出信号。
9.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于，蓝牙通信模块，利用STM32F767的串口3将测量结果及信号波形数组通过蓝牙发送至手机安卓端。
10.根据权利要求1所述的基于STM32的太阳能便携式示波器，其特征在于，用户界面电路，使用测量结果数组，在TFT-LCD屏上绘制X-Y轴坐标图，再将数组中的数据逐点打印在显示屏上，得到最终的测量数据及波形图、频谱图和幅频特性曲线；手机端负责获取被测信号三种数据信息，当STM32电路处理完一组信号后，通过蓝牙模块连接至手机蓝牙，将数据信息逐位发送，手机端接收到数据组后存入存储端并开始解析数据，在设置好的坐标轴界面上显示对应信号图，在下方数据显示栏显示各功能对应的参数，最后将屏幕显示结果保存；上半部分区域为坐标轴，用来显示被测信号的各类波形图，当手机接收到数据后，进行数据解析，一个频率点对应一个幅度信息，通过在坐标区域描点连线，显示被测信号的波形图；下方为数据显示界面，用来显示测量精准数值。
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