STM32F103C8T6-测量脉冲波平均值、高电平值、低电平值

一、题目

测量电路可以测量和显示脉冲波信号的平均值、高电平值、低电平值，量程 3.3V，分辨率 0.1V、测量误差不大于 5%。

二、思路

• 使用 ADC + DMA 采集信号，DMA 将采集到的数据存入环形缓冲区数组中
• 使用 TIM3 作为 ADC 采样触发定时器
• 在传输完成回调函数里，对最近一批采样数据进行计算
• 使用 OLED 显示结果
• 关于分辨率：使用 12 位 ADC, 则量化等级有 $2^{12}$ 个，参考电压为 $V_{ref}$，则每个最小量化步长大小为：
  $$Q=\frac{V_{ref}}{2^N}.$$
• 注意：怎样使求的平均值准确？
• 使用 FFT：否则处理的信号有频率限制。
  DFT 的主要作用是将离散的时域信号转换为频域信号，从而得到信号在不同频率上的幅度与相位分布。

三、CubeMX 配置

• 配置 debug 方式

• 配置外部时钟晶振

• 配置 ADC

• 配置 DMA
  

• 配置定时器

• 配置 I2C2

• 配置时钟树

• 配置 DSP 库（没有使用）
  
  
  

• 在 Keil 中导入 DSP（没有使用）
  添加宏定义（没有使用）
  
  添加三个 include（没有使用）

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "oled.h"
#include <stdio.h>
#include "arm_math.h"
#include "arm_const_structs.h"
/* USER CODE END Includes */

在 Define 添加（没有使用）

,ARM_MATH_CM3

四、代码编写

• 头文件

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "oled.h"
/* USER CODE END Includes */

PRIVATE DEFINE

/* USER CODE BEGIN PD */
#define ADC_BUFFER_LENGTH 1024 // 环形缓冲区数组大小
#define VOLTAGE_MAX   3.3f      // 输出电压上限
/* USER CODE END PD */

• 变量定义

/* USER CODE BEGIN PV */
uint16_t adc_buff[ADC_BUFFER_LENGTH] = {0}; // 存放 ADC 采集的数据
float processed_adc_buff[ADC_BUFFER_LENGTH] = {0.0}; // 转换到 0-3.3V 区间的电压

float adc_sum = 0; // 区间电压求和
float adc_max = 0; // 最大电压
float adc_min = 4; // 最小电压
float adc_average = 0; // 平均值

uint32_t adc_low = 0; // 低于 adc_middle 的个数
uint32_t adc_high = 0; // 高于 adc_middle 的个数

int cnt = 0;

const unsigned char str1[5] = "Max:"; // 设成 4 个长度会不正常显示
const unsigned char str2[5] = "Min:";
const unsigned char str3[5] = "Ave:";
/* USER CODE END PV */

处理数据的函数

void process_data(void){
	for (uint16_t i = 100; i < ADC_BUFFER_LENGTH - 100; i ++){
		processed_adc_buff[i] = (float)adc_buff[i] * 3.3 / 4095.0; // 把 ADC 采集值转换到 0-3.3V
		adc_sum += processed_adc_buff[i]; // 对电压求和，为了后面求平均值
		
		if (processed_adc_buff[i] > adc_max){ // 更新最大值
				adc_max = processed_adc_buff[i];
			}
		if (processed_adc_buff[i] < adc_min){ // 更新最小值
			adc_min = processed_adc_buff[i];
		}		
	}
	
	adc_average = adc_sum / (ADC_BUFFER_LENGTH - 200); // 求平均值
	
	cnt ++;
	if (cnt % 10 == 0){
		cnt %= 10;
		OLED_Refresh_Gram();
		OLED_ShowString(0, 0, str1, 16);
		OLED_ShowString(0, 16, str2, 16);
		OLED_ShowString(0, 32, str3, 16);
		OLED_ShowDecimal(35, 0, adc_max, 1, 3, 16, 1); 
		OLED_ShowDecimal(35, 16, adc_min, 1, 3, 16, 1);
		OLED_ShowDecimal(35, 32, adc_average, 1, 3, 16 , 1);
		
		OLED_ShowChar(78, 0,'V', 16, 1);
		OLED_ShowChar(78, 16,'V', 16, 1);
		OLED_ShowChar(78, 32,'V', 16, 1);
	}
		
	adc_max=0; //最大电压归零
	adc_min=4; //最小电压归4
	adc_sum = 0; // 区间和
	adc_average = 0; // 区间平均
}	

ADC 中断回调函数

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc){ // ADC 中断回调函数
	UNUSED(hadc);
	if (hadc == &hadc1){
		HAL_ADC_Stop(hadc); // 停止 ADC
		process_data(); // 处理数据
		HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buff, ADC_BUFFER_LENGTH); // 中断结束，重新开始 DMA 采集
	}

}

初始化

  /* USER CODE BEGIN 2 */
	HAL_TIM_Base_Start(&htim3); // 开启定时器
	HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1); // ADC 校准
	HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buff, ADC_BUFFER_LENGTH); // 开始 DMA 采集，采集 1024 个存到 adc_buff 数组; 使用强制类型转换成 32 位

	OLED_Init();
	OLED_Clear();
  /* USER CODE END 2 */

主循环 (不用)

  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
//		HAL_Delay(3000);
		if(capture_end_flag == 1)
	  {
			OLED_Refresh_Gram();
			OLED_ShowNum(0, 0, TIM3CH1_Freq, 6, 16); // 显示频率
	
			OLED_ShowString(50, 0, str1, 16);
			
			OLED_ShowNum(0, 16, (uint16_t)(TIM3CH1_Duty * 100) % 100, 2, 16); // 显示占空比的整数
			OLED_ShowChar(16, 16, '.', 16, 1);
			OLED_ShowChar(38, 16, '%', 16, 1);

			if ((uint16_t)(TIM3CH1_Duty * 10000) % 100 < 10 && 0 < (uint16_t)(TIM3CH1_Duty * 10000) % 100){ // 显示占空比的小数
				OLED_ShowChar(21, 16, '0', 16, 1);
			}else if ((uint16_t)(TIM3CH1_Duty * 10000) % 100 == 0){
				OLED_ShowChar(21, 16, '0', 16, 1);
				OLED_ShowChar(28, 16, '0', 16, 1);
			}
			else{
				OLED_ShowNum(21, 16, (uint16_t)(TIM3CH1_Duty * 10000) % 100, 2, 16);
			}

			capture_end_flag = 0;
		}	
    /* USER CODE END WHILE */

五、其他

• UNUSED()：告知编译器不要发出“未使用参数”的警告。
• OLED_ShowString()设置成刚好字符串长度会不正常显示；设置成字符串长度 + 1 才可以。
• OLED 显示小数的代码：

//显示数字
//x,y :起点坐标
//num :要显示的小数字
//z_len :整数数字的位数
//f_len :小数数字的位数
//size:字体大小
//mode:0,反色显示;1,正常显示
//z_len为整数显示位数，f_len为小数显示位数，size1为字体大小
void OLED_ShowDecimal(unsigned char x, unsigned char y, float num,unsigned char z_len,unsigned char f_len,unsigned char size1,unsigned char mode)
{         	
	unsigned char t,temp;
	unsigned char enshow=0;
	int z_temp,f_temp;      
	z_temp=(int)num;
	//整数部分
	for(t=0;t<z_len;t++)
	{
		temp=(z_temp/OLED_Pow(10,z_len-t-1))%10;
		if(enshow==0 && t<(z_len-1))
		{
			if(temp==0)
			{
				OLED_ShowChar(x+(size1/2)*t,y,' ',size1,mode);
				continue;
			}
			else
			  enshow=1;
		}
		OLED_ShowChar(x+(size1/2)*t,y,temp+'0',size1,mode); 
	}
	//小数点
	OLED_ShowChar(x+(size1/2)*(z_len),y,'.',size1,mode); 
	
	f_temp=(int)((num-z_temp)*(OLED_Pow(10,f_len)));
  //小数部分
	for(t=0;t<f_len;t++)
	{
		temp=(f_temp/OLED_Pow(10,f_len-t-1))%10;
		OLED_ShowChar(x+(size1/2)*(t+z_len)+5,y,temp+'0',size1,mode); 
	}
}

• 观察到这个代码可以正常测出脉冲波、锯齿波，但无法正常测出正弦波。