基于STM32的简易示波器项目（含代码）——HAL库

        前言：本文基于STM32的简易示波器项目，示波器作为嵌入式开发中必不可少的器件，其使用方式和工作原理是必须被掌握的。巧妙利用STM32可以实现媲美度非常高的示波器，本文中的简易示波器主要是为了简单实现了示波器的功能，主要利用了ADC+DMA去快速读取并显示波形。（文末有项目代码开源）

        实验硬件：STM32F103C8T6；0.96寸OLED

        硬件实物图：

        效果图：

   引脚连接：

OLED模块：

VCC --> 3.3V

GND --> GND

SCL --> PB10

SDA --> PB11

 方波模块（PWM）：

PA0 --> PA3

一、示波器简介

        示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

按照信号的不同分类

        模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。
        数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器的工作方式是通过模拟转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止，随后，数字示波器重构波形。数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO），数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。

        本文中实现的简易示波器可以归结为数字示波器，是利用STM32的ADC+DMA去去快速读取数据，并且在OLED上显示出对应波形。本项目采用的是STM32F103C8T6，其性能非常一般。如果使用较高性能的STM32单片机，可以复现出功能非常完善的示波器。

硬件实物：

二、功能模块

2.1、ADC模块

        模拟数字转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有 18 个通道，可测量 16 个外部和 2 个内部信号源。各通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在 16 位数据寄存器中。 模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。

        STM32F103 系列最少都拥有 2 个 ADC，我们的C8T6刚好是2个ADC，STM32 的 ADC 最大的转换速率为 1Mhz，也就是转换时间为 1us。(搭配DMA模块，可以进行超快的数据读取与传输)

        STM32 将 ADC 的转换分为 2 个通道组：规则通道组和注入通道组。规则通道相当于你正常运行的程序，而注入通道呢，就相当于中断。在你程序正常执行的时候，中断是可以打断你的执行的。同这个类似，注入通道的转换可以打断规则通道的转换， 在注入通道被转换完成之后，规则通道才得以继续转换。

        简述：STM32的ADC就是将阈值内的电压映射至4096（12位的ADC），然后通过映射值再转换成电压数值。这里笔者准备使用ADC+DMA去快速读取和传输数据，尽可能于OLED屏幕上去显示出波形。

2.2、DMA模块

        DMA，全称为：Direct Memory Access，即直接存储器访问，DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。DMA 传输对于高效能嵌入式系统算法和网络是很重要的。DMA 传输方式无需 CPU 直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为 RAM 与 I/O 设备开辟一条直接传送数据的通路，能使 CPU 的效率大为提高。

        STM32 最多有 2 个 DMA 控制器（DMA2 仅存在大容量产品中），DMA1 有 7 个通道。DMA2 有 5个通道。每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。还有一个仲裁起来协调各个 DMA 请求的优先权。

STM32 的 DMA 有以下一些特性：
        ●每个通道都直接连接专用的硬件 DMA 请求，每个通道都同样支持软件触发。这些功能
通过软件来配置。
        ●在七个请求间的优先权可以通过软件编程设置(共有四级：很高、高、中等和低)，假如
在相等优先权时由硬件决定(请求 0 优先于请求 1，依此类推) 。

        ●独立的源和目标数据区的传输宽度(字节、半字、全字)，模拟打包和拆包的过程。源和目标地址必须按数据传输宽度对齐。
        ●支持循环的缓冲器管理
        ●每个通道都有3个事件标志(DMA 半传输，DMA 传输完成和 DMA 传输出错)，这3个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求。
        ●存储器和存储器间的传输
        ●外设和存储器，存储器和外设的传输
        ●闪存、SRAM、外设的 SRAM、APB1 APB2 和 AHB 外设均可作为访问的源和目标。
        ●可编程的数据传输数目：最大为 65536

2.3、方波模块

        示波器主要的作用之一就是显示波形，其实，利用STM32单片机可以输出方波，正弦波，余弦波，三角波，锯齿波等等特殊波形。（使用DAC模块）由于笔者本次使用的是STM32F103C8T6的MCU，不存在DAC模块，所以这里笔者给大家使用定时器的PWM调节去输出一个方波，并在OLED屏幕上进行显示。

PWM波形：

2.4、OLED模块

        关于OLED的使用与原理不熟悉的笔者欢迎去笔者另一篇文章学习。【强烈推荐】基于stm32的OLED各种显示实现（含动态图）_混分巨兽龙某某的博客-CSDN博客_oled显示stm32https://blog.csdn.net/black_sneak/article/details/125418537?spm=1001.2014.3001.5501

三、CubexMX配置

        1、RCC配置外部高速晶振（精度更高）——HSE；

          2、SYS配置：Debug设置成Serial Wire（否则可能导致芯片自锁）；

        3.1、ADC1配置：选取ADC1的通道0（IN0）

         3.2、ADC1+DMA配置：配置其DMA的选项

         4、TIM2配置：配置通道4为PWM调节（作为输出方波）

         5、I2C2配置：作为OLED的通讯方式；

         6、时钟树配置：

         7、工程配置

四、代码

4.1 OLED显示的基础代码

OLED.C代码：

        代码可以直接使用本人另一篇文章的代码。

【强烈推荐】基于stm32的OLED各种显示实现（含动态图）_混分巨兽龙某某的博客-CSDN博客_oled显示stm32https://blog.csdn.net/black_sneak/article/details/125418537?spm=1001.2014.3001.5501

4.2 示波器显示效果API函数

        简单描述就是将数据点进行连线操作。

void Before_State_Update(uint8_t y)//根据y的值，求出前一个数据的有关参数
{
	Bef[0]=7-y/8;
	Bef[1]=7-y%8;
	Bef[2]=1<<Bef[1];
}
void Current_State_Update(uint8_t y)//根据Y值，求出当前数据的有关参数
{
	Cur[0]=7-y/8;//数据写在第几页
	Cur[1]=7-y%8;//0x01要移动的位数
	Cur[2]=1<<Cur[1];//要写什么数据
}


void OLED_SetPos2(unsigned char x, unsigned char y) //设置起始点坐标
{ 
	WriteCmd(0xb0+x);
	WriteCmd((y&0x0f)|0x00);//LOW
	WriteCmd(((y&0xf0)>>4)|0x10);//HIGHT
}

void OLED_DrawWave(uint8_t x,uint8_t y)
{

	int8_t page_sub;
	uint8_t page_buff,i,j;
	Current_State_Update(y);//根据Y值，求出当前数据的有关参数
	page_sub=Bef[0]-Cur[0];//当前值与前一个值的页数相比较
	//确定当前列，每一页应该写什么数据
	if(page_sub>0)
	{
		page_buff=Bef[0];
		OLED_SetPos2(page_buff,x);
		WriteDat(Bef[2]-0x01);
		page_buff--;
		for(i=0;i<page_sub-1;i++)
		{
			OLED_SetPos2(page_buff,x);
			WriteDat(0xff);
			page_buff--;
		}
		OLED_SetPos2(page_buff,x);
		WriteDat(0xff<<Cur[1]);
	}
	else if(page_sub==0)
	{
		if(Cur[1]==Bef[1])
		{
			OLED_SetPos2(Cur[0],x);
			WriteDat(Cur[2]);
		}
		else if(Cur[1]>Bef[1])
		{
			OLED_SetPos2(Cur[0],x);
			WriteDat((Cur[2]-Bef[2])|Cur[2]);
		}
		else if(Cur[1]<Bef[1])
		{
			OLED_SetPos2(Cur[0],x);
			WriteDat(Bef[2]-Cur[2]);
		}
	}
	else if(page_sub<0)
	{
		page_buff=Cur[0];
		OLED_SetPos2(page_buff,x);
		WriteDat((Cur[2]<<1)-0x01);
		page_buff--;
		for(i=0;i<0-page_sub-1;i++)
		{
			OLED_SetPos2(page_buff,x);
			WriteDat(0xff);
			page_buff--;
		}
		OLED_SetPos2(page_buff,x);
		WriteDat(0xff<<(Bef[1]+1));
	}
	Before_State_Update(y);
	//把下一列，每一页的数据清除掉
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		OLED_SetPos2(i, x+1) ;
		for(j=0;j<1;j++)
			WriteDat(0x00);
	}
}

4.3 PWM调制的方波

        利用PWM去产生方波，这里50%宽的方波。

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_4);            //开启PwM调节(TIM2CHANNEL_4)
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_4,500);   //PWM方波的占空比50%

4.4 main函数部分

        主要是去将ADC1读取的数据点进行连线操作，利用DMA传输可以更快的在OLED上去显示，提高整体速度。（包含数据的缩放因子）

#define accur 0.015295 //18*3.3/4096 (3.3/4096就是ADc采样精度，1:是为了让波形转化一下能够显示在适当位子)
uint16_t ConvData;

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,(uint32_t*)&ConvData,1);		//ADC+DMA的读取

//while函数中
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		
		for(x=0;x<128;x=(x+1)%128)//若测高频，改为x=(x+8)号128，注意由于没进行信号发生器验证可能出现bug
		{
			HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,(uint32_t*)&ConvData,1);
			float count=accur*ConvData;			
			OLED_DrawWave(x,count);
		}
		
  }

五、实验效果

简易示波器

六、总结

        本项目为简易的示波器实现（乞丐版），后续如果有空，笔者可能会在性能较优的STM32板子上做一个功能非常完善的示波器项目，感兴趣的读者朋友可以关注一下。本项目中因为OLED尺寸有限，没有去读取电压等数据（可以使用ADC的HAL库函数去读取，问题不大），但是整体代码框架是比较简明清楚的，欢迎读者朋友在此基础上补全功能，或是提出不足！

代码开源

链接：https://pan.baidu.com/s/1BNcL7BqHYhGzV_OQsH4wqQ 提取码：rciu