Реализация виртуального осциллографа на базе микроконтроллера STM32
Автор: Дмитриев Вячеслав Михайлович, Гембух Лев Алексеевич, Сахабутдинов Александр Евгеньевич
Рубрика: Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
Статья в выпуске: 4 т.22, 2022 года.
Бесплатный доступ
В статье представлены структурно-функциональная схема виртуального осциллографа, описание макетной платы, описание блока «COM-порт». Представлены режимы работы аналого-цифрового преобразователя и UART в микроконтроллере STM32. Из представленных режимов работы выбраны оптимальные для работы блока виртуального осциллографа. Цель исследования: разработать виртуальный осциллограф на основе микроконтроллера STM32, предложив его структурно-функциональную схему. Материалы и методы. Для разработки структуры виртуального осциллографа необходимо спроектировать схему его взаимодействия с лабораторной установкой, выбрать оптимальный метод для снятия напряжений с точек макетной платы и способ их передачи на компьютер. Также необходимо реализовать блок COM-порта и его взаимодействие с блоком виртуального осциллографа в среде моделирования. Результаты. Разработана структурно-функциональная схема программно-аппаратной реализации работы виртуального осциллографа. Описаны режимы работы аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера STM32. Описаны режимы передачи данных по UART в STM32. Представлен формат передаваемых по UART кадров. Также реализован блок COM-порта и его взаимодействие с блоком виртуального осциллографа в среде моделирования МАРС. Заключение. В результате рассмотрения методов работы с внутренним аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера STM32 и методов работы с UART был сделан вывод, что оптимальным режимом работы является работа с использованием технологии прямого доступа к памяти. Использование виртуального осциллографа позволяет сделать более удобным отображение аналоговых сигналов за счёт использования большого монитора компьютера. Также реализация на компьютере позволяет реализовать функционал для сравнения и хранения информации с множества каналов и сделать удобным масштабирование графика отображаемого сигнала. Использование внутренних аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера позволяет значительно сэкономить на покупке реального осциллографа.
Виртуальный осциллограф, микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, uart, dma, com-порт
Короткий адрес: https://sciup.org/147239452
IDR: 147239452 | УДК: 378.147 | DOI: 10.14529/ctcr220407
Realizating virtual oscilloscope based on the STM32 microcontroller
The article presents a structural and functional diagram of a virtual oscilloscope, a description of the prototyping board, a description of the “COM-port” block. The modes of operation of the analog-to-digital converter and UART in the STM32 microcontroller are presented. From the presented modes of operation, the optimal ones for the operation of the virtual oscilloscope unit were selected. The aim of the study. The main purpose of this work is to develop a virtual oscilloscope based on the STM32 microcontroller by proposing its structural and functional diagram. Materials and methods. To develop the structure of a virtual oscilloscope, it is necessary to design a scheme for its interaction with a laboratory setup, choose the best method for relieving stresses from the points of a breadboard, and a method for transferring them to a computer. Also, it is necessary to implement the COM port block and its interaction with the virtual oscilloscope block in the simulation environment. Results. A structural-functional diagram of the hardware-software implementation of the operation of a virtual oscilloscope has been developed. The operating modes of the analog-to-digital converter of the STM32 microcontroller are described. The modes of data transfer via UART in STM32 are described. The format of frames transmitted via UART is presented. Also, the COM-port block and its interaction with the virtual oscilloscope block in the MARS simulation environment are implemented. Conclusion. As a result of considering the methods of working with the internal analog-to-digital converter of the STM32 microcontroller and the methods of working with UART, it was concluded that the optimal mode of operation is to work using direct memory access technology. Using a virtual oscilloscope makes it easier to display analog signals by using a large computer monitor. Also, the implementation on a computer allows you to implement the functionality for comparing and storing information from multiple channels, as well as make it convenient to scale the graph of the displayed signal. Also, the use of internal analog-to-digital converters of the microcontroller can significantly save on the purchase of a real oscilloscope.
Список литературы Реализация виртуального осциллографа на базе микроконтроллера STM32
- Ping Gong, Wei Zhou. Design and Implementation of Multifunctional Virtual Oscilloscope Using USB Data-Acquisition Card // International Workshop on Information and Electronics Engineering (IWIEE). 2012. P. 3245-3249. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.01.474
- Slavko Kocijancic, Colm O'Sullivan. Real or Virtual Laboratories in Science Teaching -is this Actually a Dilemma? // Informatics in Education. 2004. Vol. 3, no. 2. P. 239-250. DOI: 10.15388/infedu.2004.17
- МАРС - среда моделирования технических устройств и систем / В.М. Дмитриев, A.В. Шутенков, Т.Н. Зайченко, Т.В. Ганджа. Томск: В-Спектр, 2011. 278 c.
- Дмитриев В.М., Ганджа Т.В., Панов С.А. Система виртуальных инструментов и приборов для автоматизации учебных и научных экспериментов // Программные продукты и системы. 2016. № 3. С. 154-162.
- Nikola Zlatanov. ARM Architecture and RISC Applications. IEEE Computer Society, 2016. 20 p.
- FTDI chip [Электронный ресурс]. URL: https://ftdichip.com (дата обращения: 11.08.2022).
- Jian Huang. Research of Serial Communication Based on STM // 7th International Conference on Education, Management, Information and Computer Science, Advances in Computer Science Research. 2017. Vol. 73. P. 191-193.
- Кудрявцев И.А., Фалкин В.Д. Электронные ключи: учеб. пособие. Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т, 2002. 24 с.
- Измерение отрицательного напряжения с помощью АЦП [Электронный ресурс]. URL: https://hubstub.ru/circuit-design/92-kak-izmerit-otricatelnoe-napryazhenie-s-pomoschyu-acp.htm (дата обращения: 10.08.2022).
- Mohsen Fallah, Seyyed Alireza Davodi Navokh, Mehran Mozaffari-Jovein. STM32 ADC Tutorial with application to real-time control. Mashhad: Ferdowsi University of Mashhad, CAD/CAM Laboratory, 2021. 65 p.
- Carmine Noviello. Mastering STM32. Leanpub, 2017. 792 p.
- Umakanta Nanda, Sushant Pattnaik. Univer Universal Asynchronous Receiver and Transmitter (UART) // 3rd International Conference on Advanced Computing and Communication Systems (ICACCS). 2016. P. 1-5, DOI: 10.1109/ICACCS.2016.7586376
- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) [Электронный ресурс]. URL: http://themagicsmoke.ru/courses/stm32/adc.html (дата обращения: 11.08.2022).
- Teng Gao, Ji-Yan Zou, De-Quan Wang, Jin-Hua Din, and Zhen-Yuan. CDT Communication Protocol Realization based on STM32 // International Conference on Education, Management, Information and Medicine (EMIM 2015). 2015. P. 100-106. DOI: 10.2991/emim-15.2015.20
- СВИП - система виртуальных инструментов и приборов / В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, B.В. Ганджа, Ю.И. Мальцев. Томск: В-Спектр, 2014. 216 с.
