基于Arduino平台的简易示波器设计与实现

贵州民族大学机械电子工程学院 普天尧

1.Arduino平台简介

Arduino是一个基于一系列单片机电路板的开源电子设计平台，它同时提供了免费的开发环境（Arduino IDE）。相较其他单片机平台，Arduino具有多种优势，使其越来越广泛地被应用于高校教学、课程设计之中。

1.1 易用性

Arduino使用C/C++语言编写程序，并且其核心库文件提供了大量的基于AVR-GCC库二次封装形成的API（Application Programming Interface）[1]。因此，使用者无需熟悉单片机寄存器的功能和设置方法，稍懂一些C语言即可开始项目设计，适合在高校低年级学生的实践课程、竞赛培训等中应用、推广。

1.2 开放性

Arduino的硬件电路、IDE软件及核心库文件均是开源的，在不用于商业用途的前提下，允许使用者在其基础上扩展开发。

1.3 交流性

Arduino在世界各地拥有众多开发者和用户，因此可以在网络上搜索到丰富的案例教程，以及一些I/O设备在Arduino下的类库，从而有效地降低开发难度、缩短开发周期。

1.4 低成本

Arduino开发板价格相对便宜，例如本文设计使用的Arduino UNO R3控制器，价格在15到20元。此外，不需要编辑器，直接使用USB数据线即可完成程序下载，开发成本低，适合学生学习、创作。

2.系统硬件设计

数字示波器其工作原理是将输入的模拟信号经ADC（Analog to Digital Converter）采样后得到数字信号，并对其进行存储、运算后将信号波形及所需参数输出到显示屏。

Arduino UNO是Arduino的主流产品，它包含14个数字输入/输出端口，6个模拟输入端口，一个16MHz的晶体振荡器[2]。其微控制器是ATmega328，它内部提供一个10位精度的逐次逼近型ADC。本文采用该系列最新版本UNO R3来实现信号的采样、存储及处理。波形及参数显示使用LCD12864，以串行方式将其与Arduino的硬件SPI口连接[3]。开关S1、S2用于采样率大小的增减，开关S3用于波形的锁定。示波器的电路图如图1所示：

图1 示波器硬件电路图

3.系统软件设计

Arduino程序主要由函数setup()和loop()构成。setup()函数中的代码只被执行一次，通常用于完成I/O口状态的配置等初始化工作。loop()函数是一个死循环，其中程序将反复运行。

本文设计的数字示波器的软件部分主要包括：信号采样模块、键盘扫描模块、信号参数计算模块及波形显示模块。其中，信号采样需要使用定时器中断，其余模块均放入loop()中实现。

3.1 信号采样模块

采样率，即单位时间内的采样次数，单位Sa/s，是数字示波器的重要指标，其大小影响波形质量。数字示波器的采样主要有实时采样和等效采样两种模式。综合考虑控制器的性能指标，本设计中采用实时采样，即固定时间间隔采样，该模式下如果波形使用矢量显示，采样率应不低于数字实时带宽的10倍[4]。

Arduino核心库提供了函数analogRead()用于模数转换，它读入一个模拟输入信号耗时100μs，即使用该函数能够获得的最大采样率为10000Sa/s，此时数字示波器的测量频率小于1kHz。为了实现更高的采样率，需要对ATmega328内置ADC进行设置。ADC的工作模式使用ADC自动触发连续采样，在该模式下，完成一次转换的时间是13.5个ADC周期。该ADC模块包含一个预分频器，通过对系统时钟分频可以获得一个适合的ADC时钟频率。在经过多次性能测试后，本设计的预分频系数设置为8，即 fADC=2MHz，对应的采样周期为：

因此该系统的最高采样频率：

完成一次模数转换后其结果存放在ADC数据寄存器中，故需等时间间隔读取ADC结果，并以数组形式存入控制器内存，这个过程本文采用定时器中断实现。ATmega328的定时器在CTC(Clear Timer On Compare)模式下，计数值与寄存器OCRnA的数值进行比较，若匹配则进入中断，之后计数值清零。这里不对定时器时钟分频，则当OCRnA取107时，定时器中断发生的频率与ADC采样频率一致。

3.2 键盘扫描模块

该示波器配置三个按钮，其中一个用于锁定波形，另外两个按钮分别用于采样率大小的增减。每次进入键盘扫描函数后，会检测指定引脚的电平变化，满足条件时则对相关参数进行修改。波形锁定是通过改变标志变量的值，从而控制LCD绘图程序是否运行；而对定时器中OCRnA寄存器的值进行修改则可以调整定时器中断周期，从而调整采样率大小。

3.3 信号参数计算模块

为了使得每次扫描的数据同步，显示的波形稳定，需要查找到信号的同步触发点，并将该点作为信号显示的起点并丢弃前面的数据。因此，尽管波形显示区域设置为96╳64，但这里采样深度取192点。

除了波形显示外，本设计将对采样数据进行处理，获得输入信号的峰峰值Vpp和频率f。Vpp的计算是通过查找采样数据中的最大值和最小值来实现。频率可以使用周期法测量，已知采样率，通过对采样数据处理得到输入信号每个周期的平均采样次数，进而确定其周期T，频率f=1/T。具体实现代码如下：

3.4 波形显示模块

通常情况下，为了实现LCD12864的正常显示功能，使用者需要严格地按要求写入驱动程序。然而利用Arduino平台进行系统设计时，可以跳过这个繁冗的步骤，本设计中直接调用U8glib库函数来实现液晶屏的设置及图形绘制功能。U8glib是目前Arduino上使用最广泛的图形显示类库，支持多种型号的液晶显示屏。Arduino控制器和LCD采用硬件SPI通信，引脚连接如图1所示。程序中需包含U8glib.h头文件，并建立一个LCD对象，代码如下：

上述代码中的draw()函数，其中应包含实现图形显示的代码。

4.测试分析及结论

为了验证示波器的波形显示功能和频率测量性能，本文使用信号发生器提供等幅值不同频率的正弦输入信号。示波器输出波形及信号参数如图2所示：

图2 不同频率的信号波形显示

表1给出输入信号频率不同时频率测量的相对误差。

表1 频率测量结果

经测试数据显示，利用Arduino平台提供的开源硬软件可以实现一个误差较小的简易数字示波器。

基于Arduino的系统设计具有软件结构简单、实现成本低、开发周期短等优势，适合引入到高校工科专业实验课程的教学活动中，有助于提高学生的学习兴趣，培养学生的创新思维和实际操作能力。

[1]陈吕洲.Arduino程序设计基础[M].北京：北京航空航天大学出版社,2015.

[2]范钦武.基于arduino和enc28j60的温湿度监控系统设计[J].科技视界,2014(23)：108-109.

[3]吴汉清.玩转Arduino电子制作[M].北京：机械工业出版社,2016.

[4]康玲竹.数字示波器特性及应用[J].船电技术,2009(06)：59-60.