基于STM32F103的嵌入式简易示波器设计与实现

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简介：本项目以STM32F103微控制器为核心，设计并实现了一款简易示波器，涵盖信号采集、处理与显示全过程。STM32F103基于ARM Cortex-M3内核，具备高性能、低功耗及丰富外设，通过其内置ADC完成模拟信号到数字信号的转换，并利用Keil开发环境进行软件编程与调试。系统由硬件电路、系统初始化、用户功能代码和显示模块组成，支持实时波形显示，适用于基础电子测量场景。该项目融合了嵌入式开发与信号处理技术，是掌握STM32应用开发的典型实践案例。

STM32F103构建高性能简易示波器的完整工程实践

你有没有试过用一块十几块钱的STM32F103“蓝色药丸”开发板，做出一台能看正弦波、方波甚至音频信号的数字示波器？🤔 别笑！这可不是天方夜谭。在嵌入式世界里，这种“小马拉大车”的奇迹每天都在发生。

想象一下：一个只有64KB SRAM和512KB Flash的MCU，要完成高速ADC采样、DMA无干扰数据搬运、实时波形绘制、触发逻辑判断……听起来是不是有点像让小学生去解微积分题？😅 但正是ARM Cortex-M3内核的强大架构设计，加上开发者对软硬件协同优化的精妙把控，才让这一切成为可能！

今天咱们就来拆解这个“不可能的任务”，从芯片底层讲到系统顶层，看看如何把一块普通的MCU变成一台真正可用的测量仪器 💪

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微控制器核心架构：不只是72MHz那么简单

STM32F103之所以能在众多MCU中脱颖而出，靠的绝不仅仅是标称的72MHz主频这么简单。它的秘密武器藏在内部总线矩阵的设计里——I-Bus、D-Bus、S-Bus三者分工明确，各司其职。

• I-Bus（指令总线） ：专供Cortex-M3取指令使用，直连Flash存储器
• D-Bus（数据总线） ：负责所有数据读写操作
• S-Bus（系统总线） ：连接外设寄存器，实现控制配置

这种哈佛架构的变种设计，使得CPU可以在执行当前指令的同时，预取下一条指令并准备数据访问，形成真正的三级流水线作业。这就像是你在做饭时，左手切菜、右手开火、眼睛还盯着锅里的汤——多任务并行处理的能力直接拉满！

// 系统时钟初始化伪代码
RCC->CR |= RCC_CR_HSEON;                    // 启动外部高速晶振
while(!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY));           // 等待HSE稳定
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL9;              // PLL倍频至72MHz
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL;                // 切换系统时钟源为PLL

上面这段看似简单的代码背后，其实是一场精密的时序协奏曲。当你打开HSE晶振那一刻，系统并不会立刻切换时钟源，而是耐心等待 HSERDY 标志位被硬件自动置起。这个小小的轮询过程，确保了整个系统的启动稳定性，避免因时钟抖动导致不可预测的行为。

而更有趣的是PLL倍频设置——为什么是x9？因为我们的外部晶振通常是8MHz，8×9=72MHz，刚好达到APB2总线的最大支持频率。如果你换成12MHz晶振还想跑72MHz主频，那就要改成x6了。所以说，每一个参数都不是随便写的，都是经过精确计算的结果 ✨

内存资源的真实可用性

很多人看到STM32F103有64KB SRAM就以为可以随便用，殊不知这片内存要同时服务于堆栈、全局变量、DMA缓冲区、LCD帧缓存等多个角色。一旦规划不当，轻则程序卡顿，重则直接崩溃。

举个例子：你想采集1000个ADC样本并通过DMA存入内存。每个样本是16位（2字节），那就是2000字节。如果再加个双缓冲机制，就是4KB。看起来不多对吧？但如果还要给LCD分配显存（哪怕只是部分区域）、保留足够的堆空间用于动态分配、再加上中断嵌套时的堆栈消耗……你会发现64KB其实非常紧张！

所以高手是怎么做的？他们会做精细的内存布局：

// 自定义链接脚本片段（.ld文件）
MEMORY
{
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 512K
  SRAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 64K
}

/* 分区管理 */
_adc_buffer   (rwx) : { KEEP(*(.adc_buf)) } > SRAM
_lcd_refresh  (rwx) : { KEEP(*(.lcd_buf)) } > SRAM
_stack        (rwx) : { KEEP(*(.stack)) }   > SRAM

通过这种方式，你可以明确指定哪些变量放在哪里，防止不同模块之间抢夺资源。这才是专业级嵌入式开发该有的样子 👨‍💻

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Cortex-M3内核的三大法宝：寄存器、指令集与中断

如果说STM32F103是战士，那么Cortex-M3就是他的大脑🧠。而这颗大脑最厉害的地方，在于它用极简的设计实现了极高的效率。

寄存器组的智慧设计

Cortex-M3提供了16个通用寄存器（R0-R15），但它们并不是平级的。其中几个关键角色特别值得我们关注：

寄存器	特殊身份	实际用途
R13 (SP)	堆栈指针	控制函数调用和中断上下文保存
R14 (LR)	链接寄存器	存储返回地址，免去压栈开销
R15 (PC)	程序计数器	指向下一条要执行的指令

尤其是 LR寄存器 ，它是Thumb-2指令集高效性的关键之一。每次执行 BL （Branch with Link）指令时，硬件会自动把返回地址写进LR，省去了手动 PUSH PC 的操作。等函数结束时，只要一句 BX LR 就能跳回去，整个过程快如闪电 ⚡

PUSH    {R4, R5, LR}     ; 将R4,R5和LR入栈
BL      delay_ms         ; 调用延时函数，LR自动更新
POP     {R4, R5, PC}     ; 弹出并恢复现场，PC设置使自动返回

注意最后一句 POP {R4, R5, PC} ——这里有个巧妙的设计：当我们把值弹回到PC时，处理器会自动识别这是函数返回操作，并清除流水线中的预取指令，避免误执行。

双堆栈模式的实际应用

更进一步，Cortex-M3支持两种堆栈指针：主堆栈指针（MSP）和进程堆栈指针（PSP）。这意味着你可以在特权模式下使用MSP，在用户任务中切换到PSP，实现类似操作系统的隔离效果。

__set_CONTROL(0x02); // 使用PSP，进入线程模式用户态
__ISB();             // 插入指令同步屏障，确保设置生效

在示波器项目中，我建议这样安排：
- 主循环（LCD刷新） → 使用PSP，运行在用户态
- ADC中断服务程序 → 强制使用MSP，保证响应速度

这样即使主循环出了问题导致堆栈溢出，也不会影响到关键的数据采集路径。安全性和稳定性瞬间提升一个档次 🔐

不过话说回来，虽然Cortex-M3没有硬件堆栈溢出检测，但我们可以通过一些“土办法”来监控风险：

#define STACK_MAGIC_WORD  0xDEADBEEF
uint32_t stack_buffer[256];
stack_buffer[0] = STACK_MAGIC_WORD;

// 初始化完成后检查是否被覆盖
if (stack_buffer[0] != STACK_MAGIC_WORD) {
    /* 堆栈溢出警告 */
}

虽然这不是实时防护，但在调试阶段足以帮你发现潜在的大麻烦。

graph TD
    A[任务启动] --> B{使用PSP?}
    B -- 是 --> C[设置CONTROL[1]=1]
    B -- 否 --> D[保持MSP]
    C --> E[分配独立堆栈区]
    D --> F[共享系统堆栈]
    E --> G[执行任务代码]
    F --> G
    G --> H[中断发生]
    H --> I[自动压栈 xPSR,PC,LR,R12,R3,R2,R1,R0]
    I --> J[手动PUSH其他寄存器]
    J --> K[执行ISR]
    K --> L[恢复寄存器]
    L --> M[中断返回]

这张流程图清楚地展示了从正常运行到中断响应的全过程。你会注意到，硬件只负责压入8个核心寄存器，剩下的需要软件自己补全。这也是为什么优秀的ISR都要尽量短小精悍的原因——少用局部变量，减少PUSH/POP次数，才能做到极致响应 ⏱️

Thumb-2指令集：代码密度与性能的完美平衡

很多人以为ARM处理器只能跑复杂的32位指令，其实不然。Cortex-M3采用的是 Thumb-2混合指令集 ，既能用16位短指令节省空间，又能用32位长指令处理复杂运算。

类型	长度	特点	示例
16 位指令	半字对齐	编码紧凑，适用于简单操作	MOV R0, #1
32 位指令	字对齐	支持复杂寻址与条件执行	LDR.W R1, [R2, #1024]

最惊艳的莫过于 IT （If-Then）指令了：

IT      EQ              ; If-Then 指令，实现条件执行而不分支
MOVEQ   R0, #1
ADDEQ   R0, R0, #2

这几行代码的意思是：“仅当Z标志位为1时，才执行后面两条指令”。它不需要跳转，也就不会冲刷流水线，对于高频执行的小判断来说，简直是神器！

我们拿数组求和来做个对比实验：

uint32_t sum_array(uint32_t *arr, int len) {
    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        sum += arr[i];
    }
    return sum;
}

编译器生成的汇编可能是这样的：

sum_array PROC
    MOV     R2, #0        ; sum = 0
    SUBS    R3, R1, #1    ; len - 1
    BEQ     end_loop
loop
    LDR     R12, [R0]     ; 加载 arr[i]
    ADD     R2, R2, R12   ; 累加
    ADDS    R0, R0, #4    ; 指针前进
    SUBS    R3, R3, #1
    BPL     loop
end_loop
    MOV     R0, R2
    BX      LR
    ENDP

别看短短几行，里面全是门道：
- SUBS 会影响条件标志，所以后面可以直接跟 BEQ
- ADDS 也会更新N/Z/C/V标志，为后续判断做准备
- 所有基本操作都是单周期指令，在零等待Flash下能达到接近1 cycle/insn的理想状态

开启-O2优化后，GCC甚至会尝试循环展开或使用 LDMIA 批量加载，进一步榨干性能潜力。

实现方式	代码大小（字节）	执行周期（@72MHz, n=100）	平均每元素耗时（cycles）
C (-O0)	48	~320	3.2
C (-O2)	36	~180	1.8
汇编优化	28	~140	1.4

差距明显吧？特别是在示波器这种需要频繁处理采样数据的系统中，每一点性能提升都意味着更高的采样率或更低的延迟。

NVIC中断控制器：实时性的守护神

说到嵌入式系统的灵魂，非中断莫属。而Cortex-M3内置的 嵌套向量中断控制器（NVIC） ，可以说是所有实时应用的基石。

它支持最多240个外部中断线（IRQ），加上16个系统异常，构成了完整的异常处理体系。而且每个中断都可以独立设置优先级，支持抢占和嵌套，真正做到“急事先办”。

void Enable_ADC_Interrupt(void) {
    NVIC_SetPriority(ADC1_2_IRQn, 1);     // 设置优先级为1
    NVIC_EnableIRQ(ADC1_2_IRQn);          // 使能中断
}

void ADC1_2_IRQHandler(void) {
    if (ADC1->SR & ADC_SR_EOC) {          // 检查是否转换完成
        uint16_t adc_val = ADC1->DR;      // 读取数据寄存器
        process_sample(adc_val);          // 处理采样值
        ADC1->SR &= ~ADC_SR_EOC;          // 清除标志位
    }
}

这里有几个细节要注意：
- 必须先检查EOC标志，否则可能读到旧数据
- 一定要清除状态标志，否则会反复进入中断
- ISR要尽可能短，避免阻塞其他高优先级事件

为了更好地管理中断，我们可以划分优先级组：

NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4); 
// 4bit 抢占，0bit 子优先级 → 最大支持 16 级抢占

在示波器系统中，我的推荐配置如下：

中断源	抢占优先级	应用场景
SysTick	0	高精度定时采样基准
ADC	1	数据采集，需快速响应
USART	2	波形上传，容忍一定延迟
TIM_UIR	3	LCD刷新定时器

这样一来，哪怕正在刷新屏幕，一旦ADC准备好新数据，也能立即打断当前任务进行处理，确保采样时间的一致性。

flowchart LR
    A[中断请求到达] --> B{当前中断正在执行？}
    B -- 否 --> C[直接响应]
    B -- 是 --> D{新中断优先级 > 当前？}
    D -- 是 --> E[抢占当前中断]
    D -- 否 --> F[排队等待]
    E --> G[压栈当前上下文]
    G --> H[执行高优先级ISR]
    H --> I[恢复原上下文继续]

这张图揭示了NVIC的核心工作机制。你会发现，只要有更高优先级的中断到来，哪怕当前ISR还没执行完，也会被立刻暂停并保存现场——这就是所谓的“中断嵌套”。正是这种能力，让STM32能够在毫秒级时间内响应各种突发事件。

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ADC采集系统：模拟世界的数字之窗

如果说GPIO是MCU的眼睛和耳朵，那ADC就是它的“感官神经元”🧠。STM32F103集成的12位SAR型ADC，虽然不是顶级配置，但对于构建简易示波器已经绰绰有余。

12位分辨率的真实意义

12位ADC意味着它可以将参考电压范围划分为 $2^{12}=4096$ 个离散电平。以常见的3.3V供电为例：

$$
\text{LSB} = \frac{3.3V}{4096} \approx 0.806\,\text{mV}
$$

也就是说，理论上它能分辨出比一节AA电池电压小4000倍的电压变化！👏 这已经足够看清大多数传感器信号的细微波动了。

但它的工作原理你真的了解吗？

ADC采用“采样-保持”电路，分两个阶段工作：
1. 采样阶段 ：内部开关导通，让输入信号对采样电容充电
2. 保持阶段 ：开关断开，电容维持电压不变，供SAR逻辑逐次比较

如果采样时间太短，电容没充够电就开始转换，结果就会偏低；反之，时间太长又会降低吞吐率。因此必须根据信号源特性合理设置采样周期。

ADC Clock (MHz)	Sampling Time (cycles)	Total Conversion Cycles	Max Sample Rate (ksps)
14 MHz	1.5	12 + 1.5 + 2.5*	~1.18 Msps
14 MHz	7.5	12 + 7.5 + 2.5	~600 ksps
14 MHz	23.5	12 + 23.5 + 2.5	~230 ksps
14 MHz	48.5	12 + 48.5 + 2.5	~120 ksps

注：额外2.5周期用于同步和启动开销

// 示例：通过HAL库设置ADC1通道5的采样时间为23.5周期
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_5;
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_23CYCLES_5; // 设置为23.5周期
if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
{
    Error_Handler();
}

什么时候该用长采样时间？当你面对高输出阻抗的信号源（比如某些温度传感器）时，就需要更长时间让电容充分充电。否则测出来的值会严重偏离真实情况。

工作模式的选择艺术

STM32F103 ADC支持多种工作模式，不同的组合会产生截然不同的行为特征：

• 单次模式 ：启动一次就停下来，适合低频偶发采样
• 连续模式 ：不停转换，适合高速流式采集
• 扫描模式 ：按顺序遍历多个通道
• 间断模式 ：分批次扫描，配合外部触发使用

stateDiagram-v2
    [*] --> Idle
    Idle --> Single_Conversion: 软件/外部触发
    Single_Conversion --> Idle: 完成转换
    Idle --> Continuous_Start: 连续模式使能 + 触发
    Continuous_Start --> Ongoing_Conversion: 开始首次转换
    Ongoing_Conversion --> Ongoing_Conversion: 自动重启
    Ongoing_Conversion --> Idle: ADON=0关闭
    Idle --> Scan_Init: 扫描模式使能 + 触发
    Scan_Init --> Channel_Sequence: 按RANK顺序采集
    Channel_Sequence --> Scan_Complete: 最后一通道完成
    Scan_Complete --> Idle: 等待下次触发（非连续）
    Scan_Complete --> Scan_Init: 若启用连续扫描

对于双通道示波器，最佳选择是“连续+扫描”模式，再配上DMA传输，真正做到CPU零干预。

模式	CPU干预频率	数据吞吐能力	典型应用场景
单次模式	高	低	按键电压读取
连续模式	中（配合DMA）	高	实时音频采集
扫描模式	中~高	中	多传感器监测
连续+扫描	低（需DMA）	高	多通道同步示波器前端

外部触发联动：让定时器为你打工

想要实现严格等间隔采样？千万别依赖软件延时！最好的方法是让定时器自动触发ADC转换。

// 配置TIM2生成周期性触发信号（假设系统时钟72MHz）
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 72 - 1;           // 分频至1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 100 - 1;             // 周期100μs → 10kHz采样率
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE; // 更新事件触发
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);

HAL_TIM_Base_Start(&htim2); // 启动定时器

然后在ADC配置中指定触发源：

hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;      
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO;

从此以后，ADC就会像 clockwork 一样准时工作，完全不用CPU插手。而且由于是由同一个时钟源驱动，不存在累积误差，长期稳定性极高 🕰️

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高精度采集的软硬件协同之道

你以为有了好的ADC就能拿到干净的信号？Too young too simple！实际工程中，噪声、干扰、温漂等问题会让你怀疑人生 😵‍💫

GPIO配置的坑你踩过几个？

最常见的错误就是忘记把引脚设为 ANALOG 模式！如果你不小心把它配成推挽输出……

GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; // 必须设为ANALOG！

后果有多严重？轻则引入额外漏电流，重则烧毁内部ESD保护二极管。曾经有工程师就是因为这一行代码写错，导致整批产品返修 💔

另外提醒几点：
- 不要在模拟输入端加外部上下拉电阻
- PCB走线尽量短且远离数字信号
- 使用独立模拟地并与数字地单点连接
- VREF+引脚外接低ESR陶瓷电容（1~10μF）

这些细节看似琐碎，却是决定成败的关键。

噪声抑制的四板斧

第一招：延长采样时间

特别是前级驱动能力弱的时候，适当增加采样周期能让电容充得更充分。

第二招：RC低通滤波

在ADC输入端串联100Ω电阻并并联0.1μF电容，构成截止频率约16kHz的硬件滤波器，有效抑制高频噪声。

第三招：软件平均法

对同一信号多次采样取均值，可显著提升ENOB（有效位数）：

uint32_t adc_sum = 0;
for(int i = 0; i < 16; i++) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
    adc_sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_Delay(1);
}
uint16_t avg_value = adc_sum >> 4; // 相当于除以16

注意：这种方法不适合快速变化的信号，容易造成失真。

第四招：校准补偿

每次上电都执行一次ADC自校准，消除偏移误差：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1, ADC_SINGLE_ENDED);

这一步千万不能省！尤其是在温度变化较大的环境中，校准能带来质的飞跃。

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构建你的第一台数字示波器

现在终于到了激动人心的时刻——把前面所有知识串起来，打造一台真正可用的示波器！

带宽与采样率的博弈

根据奈奎斯特准则，采样率至少要是信号最高频率的两倍。但现实中建议做到5~10倍以上：

参数	理论值	实际可用范围	备注
ADC 时钟	14 MHz	≤14 MHz	来自 APB2/2
最大采样率	~1 MSPS	100k–500k SPS	受系统负载影响
可测带宽	500 kHz	10–50 kHz	模拟前端限制

看到了吗？理论值很美，现实很骨感。所以我们需要通过前端调理电路来弥补短板。

时间轴与电压轴的标定

要把原始ADC值变成有意义的物理量，必须做好两件事：

时间轴

由采样间隔决定。例如50kHz采样率，每点代表20μs。屏幕上每像素对应N个采样点，就可以实现“秒/格”的缩放功能。

电压轴

结合参考电压和探头衰减比换算：

float adc_to_voltage(uint16_t adc_val, float vref, uint8_t attenuation) {
    return ((float)adc_val / 4095.0f) * vref * attenuation;
}

将来还可以加入自动量程切换，就像真正的示波器那样智能。

触发机制的灵魂作用

没有触发的波形就像海浪一样漂浮不定。我们需要一个稳定的起点：

#define TRIG_LEVEL 2048  // 中间电平触发（对应1.65V）

int detect_trigger(uint16_t* buffer, int len) {
    for (int i = 1; i < len; ++i) {
        if (buffer[i] > TRIG_LEVEL && buffer[i-1] <= TRIG_LEVEL) {
            return i; // 返回上升沿位置
        }
    }
    return -1;
}

配合状态机使用，就能实现“等待→捕获→显示→重置”的完整流程。

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Keil开发环境搭建：工欲善其事，必先利其器

最后聊聊工具链。Keil μVision5至今仍是许多工程师的首选IDE，不仅因为它的编译效率高，更因为它对STM32的支持极为完善。

安装时记得：
- 用管理员权限运行
- 路径不要含中文或空格
- 安装STM32F1xx_DFP设备包

创建工程后，务必检查：
- 时钟配置是否正确（72MHz）
- 包含路径是否完整
- 宏定义是否齐全（如STM32F103xB）

编译选项建议：
- 调试时用-O0
- 发布时用-O2

烧录推荐ST-Link + SWD接口，速度快又稳定。

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系统测试与持续优化

上线前一定要做全面测试：
- 输入标准信号验证幅值精度
- 改变频率观察混叠现象
- 长时间运行检查内存泄漏

发现问题及时优化：
- 优化LCD刷新算法
- 引入滑动滤波
- 调整中断优先级

最终目标是：2小时连续运行无死机，DMA传输成功率100%，波形显示稳定清晰 ✅

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你看，一块小小的MCU，经过精心设计和层层优化，真的可以变成一台实用的测量工具。这不仅是技术的胜利，更是工程思维的体现。下次当你拿到一块开发板时，别再说“就这么点资源能干啥”，想想今天我们聊的内容——创造力才是真正的硬件 💡

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：本项目以STM32F103微控制器为核心，设计并实现了一款简易示波器，涵盖信号采集、处理与显示全过程。STM32F103基于ARM Cortex-M3内核，具备高性能、低功耗及丰富外设，通过其内置ADC完成模拟信号到数字信号的转换，并利用Keil开发环境进行软件编程与调试。系统由硬件电路、系统初始化、用户功能代码和显示模块组成，支持实时波形显示，适用于基础电子测量场景。该项目融合了嵌入式开发与信号处理技术，是掌握STM32应用开发的典型实践案例。

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