智慧移动实验室设计

徐 磊

(江西科技师范大学 江西 南昌 330100)

智慧移动实验室设计

徐 磊

(江西科技师范大学 江西 南昌 330100)

随着科技的快速发展，电子产品日新月异，智能，便利，绿色，环保等早已成为当今初会的焦点，对于智能化产品的研究也一直向前。于是，我们紧跟时代脚步，设计了本次产品智慧移动实验室系统，本系统由硬件和软件组成，主要用于学校教学微型移动实验室，也适用于需要测量的工程师和普通人，本产品使用简单，便利携带，性能好，智慧移动实验室就像一个移动的小型实验室，可以进行各种教学实验测量，不再需要再跑去实验室用特定的产品，你可以使用本产品，随时随地的进行实验，再也不会因为想到一个好思路而没有好的工具而烦恼了。本次产品主要可作小型示波器和信号发生器使用。

互联网+；示波器；信号发生器；STM32；采样；便携

一、引言

在目前的实验教学仪器中，大部分一起往往过于笨重，不方便携带。而且大多只能存放于实验室等固定场所。这就给学生调试电路带来很多局限性，现在的一些测试仪器虽然具备上位机软件调试功能，但不具备联网功能，还是采用传统的单机操作模式，而现行的测试波形拷贝功能也不能完成实时性的要求。综合上面两种不足，我们可以知道现在的一些测试仪器不能满足现在的时代发展需要。所以设计并研发出一款具有网络互连功能和数据实时上传功能的便携性一起具有十分重要的意义。这样即可既能实现所测数据的实时上传，方便指导老师远程指导外，还可以让此测试仪器走进学生宿舍，让学生在寝室即可完成实验数据的测试。这在一定程度上解决了学生宿舍无仪器的现状，从而提高学生的学习积极性。

二、示波器的基本原理(你自己加点这个原理，说他是怎么实现信号发生器和示波器的流程)

智慧移动实验室是由STM32F407ZGT6核心，3.5寸TFT触摸屏以及外围电路(稳压电路，采集电路)等辅助部件组成，具备7M的采样率和可调节的信号发生器功能。可以实验室里大型的仪器，并且多合一。

首先又输入电路把输入电压转换成0-3.3V的AD采样范围内，经过高速AD，示波器的最大采样速度由单位时间内AD转换的最高次数决定，简称Fmax,最大采样率越高，仪器捕捉信号的能力越强，数字式示波器在某测量时刻的实际取样速率可根据示波器当时设定的扫描因素(t/div)推算，根据采样定理，如果取样速率大于或者等于信号最高频率分量的的两倍，便可以重现原信号波形。实际上，为了保证信号分辨率，往往要求增加更多的采样点，一般一个周期取4-10个点。

智慧移动实验室是由外围电路将待测信号，转成单片机AD采集能采集的0-3.3V信号，然后由单片机采集显示，软件部分包括ucosiii实时内核，STemwin嵌入式GUI界面，外围电路将待测信号转成0-3.3V的电压之后，由单片机中的定时器定时触发ADC采集并由DMA(直接内存存取)采集到内存中，实时内核定时刷新内存中的值转换之后显示到TFT彩屏上。信号发生器功能由DMA加ADC加外围转换电路完成，单片机自带的DAC可以实现0-3.3V的电压输出。然后经过外围电路转换成相应波形。

三、示波器的基本参数

(一)最大采样速率Fmax

单位时间内完成的完整AD转换的次数，最大采样率主要由AD转换器的最高速率决定，最高速率越高，仪器的捕获信号的能力越强。

(二)储存带宽

储存贷款与采样速率密切两相关，根据采样定理，如果取样速率大于或者等于最高信号频率分量的两倍，便可重现原信号的波形，实际上，在数字存储示波器的设计中，为了保证波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点，一般一个周期4-10点。

(三)分辨率

分辨率用于反映储存信号波形的细节的综合特性。

分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率与AD转换的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数(级/div)表示。水平分辨率由存储器的容量决定，常以屏幕每格含有多少个取样点来表示，示波器的屏幕坐标刻度一般为8*10 div。若示波器采用8位AD转换器(256级)，则其垂直分辨率为32级/div，用哪个百分比表示为1/256≈0.39%。若采用容量为1k的存储器，则水平分辨率为1024/10点/div，或者用百分数表示为1/1024≈0.1%。

(四)储存容量

储存容量又称记录长度，用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示，常以字(word)为单位。存储容量与水平分辨率在数值上互为倒数关系。

数字存储器的储存容量通常采用256B，512B，1K，4K等。存储容量越大，水平分辨率就越高，但是存储容量并不是越大越好，由于一起最高采样速率的限制，若存储容量选取不恰当，往往会因为时间窗口缩短而失去信号的重要成分，或者因时间窗口增大而水平分辨率降低。

(五)读出速度

读出速度是指将储存的数据从储存器中读出的速度，常用(时间)/div表示。

其中，时间等于屏幕中每格内对应的储存容量*读脉冲周期。

使用时，示波器应该根据显示器，记录装置等对速度的不同要求，选择不同的读出速度。

四、手持示波器的硬件实现

单片机采用STM32F407ZET6，主频168M，带FPU计算器，体积小巧，1M FLASH 200K RAM和1M的外部扩展RAM(SRAM)。屏幕采用ILI9328驱动的TFT。使用单片机的FSMC总线驱动屏幕显示，FPS最高可以达到120HZ，使得波形快速的展现在屏幕上，而不至于丢失。

触摸屏部分采用的是电阻式触摸，使用了电阻触摸屏专用芯片XPT2046。

外部输入电路采用运放等实现衰减，放大等功能。

硬件框图:

合衰减电路：

图1.0 衰减和耦合网络

AC/DC耦合通过C1电容来实现,衰减方式使用纯电阻网络。

图1.1 阻抗匹配

五、手持示波器的软件实现

总体框架：为TFT初始化，触摸初始化，eeprom初始化用于保存设置，

示波器的软件部分：初始化两个定时器Timer6，Timer7，Timer6给GUI系统提供时基和定时监测触摸屏情况，Timer7用于触发ADC，调节Timer7的频率可以调节示波器的时间间隔。波形发生器的软件部分，使用预先设定好的基本波形数组通过Timer7不同频率触发输出到DAC端口。

MainDLG.c //示波器主窗口的创建

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

*

*功能:使用STemwin创建一个图表控件，并为控件添加数据集。

*/

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);//创建和增加垂直范围尺度标签

GRAPH_SCALE_SetTextColor(hScaleV,GUI_RED); //设置标签字体颜色

GRAPH_AttachScale(hItem,hScaleV); //将标签添加到垂直方向

hScaleH =GRAPH_SCALE_Create(180,GUI_TA_HCENTER,GRAPH_SCALE_CF_HORIZONTAL,50);//创建和增加水平范围尺度标签

GRAPH_SCALE_SetTextColor(hScaleH,GUI_DARKGREEN); //设置字体颜色

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

pdataGRP =GRAPH_DATA_YT_Create(GUI_RED,500/*最大数据个数*/,0,0);//创建一个数据曲线,可创建多个曲线

GRAPH_AttachData(hItem,pdataGRP); //为绘图控件添加数据对象

其中n=0,1,2,…,N-1，N为子脉冲个数；Na为脉组数，na=1,2,…,Na；fn=f0+nΔf为第n个子脉冲的载频；tm为方位向慢时间；K为散射点个数；假设xk、yk分别为第k个散射点在目标参考系中的坐标，则σk=σ(xk,yk)为第k个散射点强度；Rk为第k个散射点与雷达之间的距离.在成像的时间内，Rk可近似表示为：

return hWin;

}

数据采集以及转换：

/* 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);

}

}

//定时器数据采集转换后，把数据给到图表控件的数据集。GUI刷新时会把数据更新到屏幕上。

六、智慧移动实验室的测试与结论

测试：测试采用1HZ,10HZ,100HZ,1KHZ,10K,100K,1M,Vp-p=1V的信号。

进行测试：

测试结果如下：

频率1HZ10HZ100HZ1K10K100K1MVp-p1V1V1V1V1V1V1V测量Vp-p0.998V1.001V1V1.001V0.999V0.95V0.90V测量频率1H10HZ100HZ1KH10K100K1M

结论：测量结果完全可以满足学生日常需求。

七、总结和拓展

本次设计，我们收益良多，也遇到了很多困难。比如说，如何去架构整个系统，如何让整个系统即能独立实观又能双重实现。对于整个系统如何去更好的兼容等，我们做了大量的工作，从设计之初的方案无到有，一路更改，从简单到难，没日没夜的都在思考如何才能使本次设计更加趋于人性化，更加的能让系统更加稳定。在设计中，我们查阅了大量资料，其中在设计中我们发现自己所学不足，而且有很多知识是我们没有接触过的，但这并没有打击我们的自信心，更加的让我们更加努力，从中我们学会如何更好的去接受新知识，如何的从发现问题到解决问题，如何去发散性的去思考，这都是学校不会教的，唯有在我们真正遇到问题到解决问题这一过程中中，我们能发现自己的不足并去弥补，并从中提升自己。在此我也要感谢我的队友，不持余力的鼓励我，当然还要特别感谢那些帮助过我的老师和同学，正因为有他的帮助和鼓励，我才能更加的有自信的去完成这次的设计。通过努力，本次产品实现所有功能，但本人能力有限，可能产品并不是很完善，欢迎各位的指点，我将继续努力！

徐磊(1995.07-)，男，汉族，江西南昌人，大学本科，江西科技师范大学。