目前，在工业和许多其他场合依然使用基于板卡、板卡的 数据采集 系统，价格昂贵、接插不方便。 USB (Universal Serial Bus，通用串行总线)是计算机上的一种新型接口技术，它使得计算机和外部设备的连接十分方便。USB具有高效、快速、价格低廉、体积小和支持热拔插等优点，使其成为数据采集系统设计的新宠儿。然而当前的USB数据采集设备大多采用的是专门的USB接口芯片，而且根据不同的需求，需要外扩一定数量的A／D 转换芯片，使得接口非常复杂，增加了系统的开发难度，进而对系统的稳定性产生影响。本设计采用意法半导体公司开发的基于Cortex-M3内核的新型32 位微控制器 STM32F103x 作为主控芯片。该芯片内部集成了全速USB2．0设备接口模块和16通道的12位高精度A／D转换器，单芯片即可完成设计任务，避免了复杂的接口设计，有效地降低了系统接口的复杂度和系统开发的难度，在很大程度上提高了系统的稳定性。
　　1 主控芯片STM32F103x
　　STM32F103x是意法半导体公司生产的基于ARMCortex-M3处理器核的微控制器。Cortex-M3是基于ARMv7-M体系结构的32位标准处理器，具有低功耗、少门数、短中断延迟、低调试成本等众多优点。它是专门为在微控制器系统、汽车电控系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高系统性能而设计的，大大简化了编程的复杂性，集高性能、低功耗、低成本于一体。STM32F103x微控制器采用了先进的 Cortex-M3内核结构，具有丰富的性能出众的片上外设，包括16通道的12位A／D转换器、7通道的控制器、16位定时器、USART接口、 接口(2．0B)和USB2．0全速接口(12 Mbps)等。
　　2 数据采集系统硬件设计
　　2．1 数据采集系统硬件结构
　　多路数据采集系统的硬件结构框图如图1所示，主要包含5个模块：信号输入接口模块、信号调理模块、数据采集及预处理模块、USB2．0通信模块和上位机模块。其中的信号输入接口模块实现信号的隔离接入；信号调理模块对输入信号进行放大或衰减，以适应A／D转换器的转换量程；数据采集及预处理模块和USB2．0通信模块实际是由微控制器 STM32F103x独自实现的。STM32F103x通过内部A／D转换器对经过调理后的信号进行采集，然后进行数据的预处理，并将预处理后的数据通过 USB2．0全速接口传送到上位机。上位机模块主要是对获取的数据进行存储和分析处理。由于大量的工作都是在STM32F103x内部完成的，只需通过简单的寄存器设置和程序设计即可完成数据的采集和传输过程，这在很大程度上优化了系统的设计。
　　2．2 STM32F103x的ADC模块
　　STM32F103x系列微控制器所带的2个12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有16个外部通道，可测量16个外部信号源。各通道的A／D 转换可以是单次、连续、扫描或不连续模式执行，其转换结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据中。ADC转换最高可达1 M，且每个通道的采样间隔时间均可独立编程设置。在通道转换期间，ADC能产生DMA请求，使DMA来传输ADC转换值，提高了数据传输的效率。 ADC模块的结构示意图如图2所示。
　　2．3 STM32F103x的USB2．0全速设备接口模块
　　USB接口模块为上位机和由微控制器实现的功能设备之间提供了符合USB规范的通信连接。USB接口模块通过和微控制器共享一块专用的数据缓冲区实现上位机和系统存储器之间的数据传输。这块专用数据缓冲区的大小由所使用的端点数目和每个端点最大的数据分组大小来决定，每个端点最大可使用512字节缓冲区，最多可用于16个单向或8个双向端点。USB接口模块根据UJSB规范实现了令牌分组的检测，数据发送／接收的处理和握手分组的处理。整个传输的数据格式由硬件自动生成，其中包括CRC的生成和校验。USB2．0全速设备接口模块的结构示意图如图3所示。
　　3 数据采集系统软件设计
　　数据采集系统软件设计主要包括设备固件程序设计和上位机应用程序设计两部分。
　　3．1 设备固件程序
　　设备固件程序设计的两个主要部分是ADC模块的配置和USB模块的配置与通信。
　　(1)ADC模块的配置
　　意法半导体公司针对ARM的32位STM32F103x系列MCU提供了固件库。该固件库提供了包括ADC在内的各种功能模块的软件使用接口，使用该固件库可以有效节省用户产品的开发和调试时间。利用该库，本设计中ADC的配置代码如下：
　　ADC校准之后通过函数ADC_twareStart-ConvCmd(ADC1，ENABLE)即可启动A／D转换。
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Ｃｈｅｅｓｅ
ｖ０１．３２
ＪｏｕｒｍＩ
ＯｆＥｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅ、，ｉ嘲
Ｄｅｃ．２００９
ＴｈｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＶｉｒｔｕａｌＯｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈＢａｓｅｄ
ＤＩＮＧＨｏｎｇｂｉｎ，ＱＩＮＨｕｉｂｉｎ’，ＳＵＮＳｈｕｎｙｕａｎ
ＳＴＭ３２。
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＨａｎｇｚｈｏｕＤｉａｎｚｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ．ＵｓｉｎｇｔｈｅｓＴＭ３２ＭＣＵｂａｓｅｄ
ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３
ｔｈｅｃｏｒｅ．ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｉｍｐｌｅ—
ｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆ
ｖｉｒｔｕａｌｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ａｎｄｔｈｅｅｘｔｅｒｎａＩｓｉｇ—
ｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ，ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｅｒｅａｎｄｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｎｄｏｔｈｅｒｂａｓｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙ
ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅＵＳＢ
ｄｒｉｖｅ
ｖｉｒｔｕａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｄｉｓｐｌａｙ
ｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２Ｆ１０３ｘ；ＵＳＢ；ｖｉｒｔｕａｌｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ：ｄｒｉｖｅｒｓｔｕｄｉｏ；ＤＤＫ
ＥＥＡＯＣ：７２５０Ｇ
基于ＳＴＭ３２的虚拟示波器的设计与实现＊
丁红斌，秦会斌。，孙顺远
（杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，杭州３１００１８）
摘要：基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核的ＳＴＭ３２微控制器为核心，介绍了通过ＵＳＢ接口进行数据传输的虚拟示波器的设计方
案和具体实现方法．。完成了对外部信号的调理、采集、预处理和数据传输，同时，对ＵＳＢ驱动及上位机应用程序进行了开发，实现了虚拟示波器数据传输、显示等基本功能。
关键词：虚拟示波器；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ｘ；ＵＳＢ；ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏｒＤＤＫ中图分类号：ＴＮ９３５．３
文献标识码：
文章编号：１００５－９４９０（２００９）０６－１００７－０４
示波器是电子测量行业最常用的测量仪器之一，主要用来测量并显示被测信号的波形等参数，在很多领域得到广泛的应用。虚拟示波器突破了传统示波器的性能局限，在功能和应用性上发生了根本
计，有效地降低了系统接口的复杂度和系统开发的难
度［２Ｉ，在很大程度上提高了系统的稳定性。同时，结
合基于ＶＣ＋＋开发平台对信号进行存储和显示。该
系统体积小巧、简单易用，能够实现１ＭＨｚ的采样速度，与ＰＣ机通信的最高速率达到１Ｍｂｙｔｅ／ｓ。
性变化。虚拟示波器不仅实现了传统示波器的功能，
而且利用功能强大的微型计算机来完成信号的分析、处理，利用软件技术在屏幕上设计出逼真的仪器面板
１系统硬件设计
根据系统的功能需求，系统结构图如图ｌ所示，主要包括：信号输入接口模块、信号调理模块、数据
采集及缓存模块、ＵＳＢ２．０通信模块等［３］。工作流程如下：系统通过ＵＳＢ接口接到主机上后获得５
并显示各种特征图形。计算机功能最大化地服务于
虚拟仪器，使仪器功能得到充分发展和完善［１］。
系统采用意法半导体公司开发的基于Ｃｏｒｔｅｘ－
Ｍ３内核的新型３２位微控制器Ｓ．ＴＭ３２Ｆ１０３ｘ作为主控芯片。该芯片内部集成了全速ＵＳＢ２．０设备接口模块和１６通道的１２位高精度Ａ／Ｄ转换器，单
电源，微控制器ＳＴＭ３２对硬件设备进行初始化，并
通过内部ＵＳＢ硬件控制器来完成ＵＳＢ设备的枚举
工作。Ａ／Ｄ转换器是通过定时器来触发采样的，以
芯片即可完成设计任务，避免了复杂的接口电路设
收稿日期：２００９—０８－１５
修改日期：２００９－０９－１０
项目来源：浙江省自然科学基金资助（Ｙ．４０７１３３）
作者简介：丁红斌（１９８５一），男，云南曲靖人，杭州电子科技大学在读研究生，硕士，电路与系统专业，从事新型电子器件设计及
应用，ｄｉｎｇ＿ｈｏｎｇｂｉｎ＠１６３．ｃｏｒｎ；
秦会斌（１９６１一），男，教授，博士生导师，从事新型材料与器件、抗电磁干扰技术研究。
万方数据　
电子保证其以恒定的时间间隔对模拟信号进行模数转换，在完成规定长度的采集工作之后，将数据存入高速数据存储器中（ＲＡＭ）。在规定的触发条件满足时，数据采集系统中的控制电路使能ＤＭＡ通道，将
Ａ／Ｄ所采集的数据传输至ＵＳＢ的缓冲区中，由ＵＳＢ接口电路将这些数据传输给上位机。
信号输入及调理模块主要完成信号衰减，程控放大，叠加直流分量。衰减电路是为了保证在较大的信号输入时，能够在Ａ／Ｄ采样的范围之内，避免回显时造成信号的失真或是损坏元器件。程控放大电路是将待测的小信号进行放大，曲模拟开关ＣＤ４０５１、运放
ＮＦ＿＝５５３２和可变电阻器构成，并通过删切换放大
倍数，电路如图２所示。数据采集及缓存模块和
ＵＳＢ２．０通信模块是由微控制器ＳＴＭ３２Ｆ１０３ｘ独自
实现的。由于ＭＣＵ内部自带的Ａ／Ｄ无法对负电压
进行采集，而待测信号往往又带有负压，这时需要电路将负压抬高到０电平以上，如图３所示。
图１系统硬件原理框图
图２程控放大电路
图３电压提升电路
方数据器件第３２卷
为了使示波器工作在触发模式，使Ａ／Ｄ采样的波形能够稳定的显示，系统中需要有个触发电平，这里的触发电平由迟滞比较电路产生，如图４所示。
图４迟滞比较电路
２系统软件设计
２．１固件程序的开发
设备的固件程序设计主要包括：系统时钟的配
置、ＡＤＣ模块配置、定时器模块配置和ＵＳＢ模块配置。总体流程如图５所示。
包括：配置系统时钝定
时器ＡＤＣ
ＵＳＢ设备枚举成功使能外部中断
≤竺多叫鉴鲎
使伽ＭＡ通道传输ＡＤ采Ｉ
样的数据到ＳＢ的缓冲区Ｉ
关ｃｊ！］ＤＭＡ通道
调用ＰＭＡＴｏｕ鸵ｒｃｏｐ“）函数
使能ｕｓＢ发送数据
图５系统总体程序流程图
意法半导体公司针对ＡＲＭ的３２位
ＳＴＭ３２Ｆ１０３ｘ系列ＭＣＵ提供了固件库。该固件库提供了包括ＡＤＣ在内的各种功能模块的软件使用接口，使用该固件库可以有效节省用户产品的开发
和调试时间。利用该库，本设计中ＡＤＣ的配置代码如下：
ＡＤＣ—ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．肖脱一Ｍｏｄｅ—ＡＤＣ—Ｍｏｄｅ—Ｉｎｄｅ－
ｐｅｎｄｅｎｔ；
ＡＤＣ＿ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＡＤＣ—ＳｅａｎＣｏｎｖＭｏｄｅ＝ＤＩＳＡＢＬＥ；ＡＤＣ．—ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＡＤＣ——ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｏｎｖＭｏｄｅ＝ＤＩＳＡ－
ＡＢＣ—ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＡＤＣ—ＥｘｔｅｒｎａｌＴｒｉｇＣｏｎｖ＝ＡＤＣ—
ＥｘｔｅｒｎａｌＴｒｉｇＣｏｎｖ
Ｔ２一ＣＣ２；
ＡＤＣ＿ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＡＤＣ＿ＤａｔａＡｌｉｇｎ＝ＡＤＣＤａｔａＡｌｉｇｎ
丁红斌，秦会斌等：基于ＳＴＭ３２的虚拟示波器的设计与实现
Ｒｉｇｈｔ；
ＡＤＣ＿ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＡＤＣ＿ＮｂｒＯｆＣｈａｎｎｅｌ＝１｝ＡＤＣ＿Ｉｎｉｔ（ＡＤＣｌ，＆ＡＤＣ＿ＩｎｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）；
根据ＵＳＢ２．０协议，当ＵＳＢ插入ＵＳＢ总线时，ＵＳＢ控制器会自动为该ＵＳＢ设备分配一个数字来
标示这个设备。另外，在设备的每个端点都有一个数字来表明这个端点。ＵＳＢ设备驱动向ＵＳＢ控制
器驱动请求的每次传输被称为一个事务（Ｔｒａｎｓａｃ－ｔｉｏｎ），事务有四种类型，分别是Ｂｕｌｋ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ、
ＣｏｎｔｒｏｌＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ、ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ和Ｉ—
ｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ。每次事务都会分解成若
干个数据包在ＵＳＢ总线上传输。每次传输必须历
经两个或三个部分，第一部分是ＵＳＢ控制器向ＵＳＢ设备发出命令，第二部分是ＵＳＢ控制器和
ＵＳＢ设备之间传递读写请求，其方向主要看第一部分的命令是读还是写，第二部分有时候可以没有［４。。
本设计中数据传输方式采用批量传输，即ＢｕｌｋＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ。这种事务传输的时候分为三部分。第一部分是令牌包阶段，主机Ｈｏｓｔ端发出一个
Ｂｕｌｋ的令牌请求。第二部分是数据包阶段，根据先前请求的令牌的类型，数据传输有可能是ＩＮ方向，也有可能是ＯＵＴ方向。传输数据的时候用ＤＡ—
号应该是Ｈｏｓｔ端发出，如果是ＯＵＴ方向，握手信
号应该是Ｄｅｖｉｃｅ端发出。握手信号可以为ＡＣＫ，表示正常响应，也可以是ＮＡＫ表示没有正确传送。
ＳＴＡＬＬ表示出现主机不可预知的错误。在本设计中，端点０为控制传输端点，实现ＵＳＢ设备上电后
的配置过程；端点１为ＯＵＴ中断传输端点，用于接
收上位机发送的命令，实现上位机对数据采集过程
的控制；端点２为ＩＮ块传输端点，将数据采集结果ＳｅｔＥＰＴｙｐｅ（ＥＮＤＰ２，ＥＰ—ＢＵＬＫ）；ＳｅｔＥＰＴｘＡｄｄｒ（ＥＮＤＰ２，ＥＮＤＰ２一ＴＸＡＤＤＲ）；
ＳｅｔＥＰｌｒｘＣｏｕｎｔ（ＥＮＤＰ２，６４）；
ＳｅｔＥＰＴｘＳｔａｔｕｓ（ＥＮＤＰ２，ＥＰ—ＴＸ—ＶＡＬＩＤ）；ＳｅｔＥＰＲｘＳｔａｔｕｓ（ＥＮＤＰ２，ＥＰ—ＲＸ—ＤＩＳ）；
在设置端点２发送有效之后，ＵＳＢ模块可自动ＵＳＢ设备驱动程序的开发首先依次安装Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ
Ｖｉｓｕａｌ
Ｃ＋＋６．ｏ、Ｍｉ—
Ｗｉｎｄｏｗｓ
ＸＰＤＤＫ、ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ
３．２驱动
方数据英文版的，可以减少不知名的错误。在ＤｒｉｖｅｒＳｔｕ—ｄｉｏ安装过程中，选择安装其中的ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ、
Ｔｏｏｌｓ和ＳｏｆｔｌＣＥ工具。ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ安装之后，在
Ｖｉｓｕａｌ
Ｃ＋＋６．０编程工具栏里自动添加了一个菜
单ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ。必须注意到，ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ选项
卡下面第三项ＤＤＫ
Ｂｕｉｌｄ
ｓｅｔｔｉｎｇ要设置成Ｃ：＼
ＷＩＮＤＤＫ＼２６００（女Ｉ果ＤＤＫ安装在Ｃ盘），然后要编译ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ安装目录下ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ＼Ｄｒｉｖｅｒ－Ｗｏｒｋｓ＼ｓｏｕｒｃｅ＼ＶｄｗＬｉｂｓ．ｄｓｗ，以得到ｖｄｗ—ｗｄｒｒＬｌｉｂ这个库文件。编译的时候会出现错误，因为用
ＶＣ打开ｖｄｗｌｉｂｓ．ｄｓｗ工程文件后，有两个工程，要
先将ＶｄｗＬｉｂｓ工程设为当前ＡｃｔｉｖｅＰｒｏｊｅｃｔ，然后在工具栏上单击右键选择“Ｂｕｉｌｄ”，在弹出的编译工具栏中配置一下编译平台的设置：选择Ｗｉｎ３２ＷＤＭＣｈｅｃｋｅｄ平台，然后编译就可以了。至此，开
发平台搭建完成。
２．２．２创建ＵＳＢ设备驱动程序框架
利用ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ的ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ生成ＵＳＢ
设备驱动程序框架的步骤：①从ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０
工具栏中选择“ＤｒｉｖｅｒＳｔｕｄｉｏ”一“ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ”，然后新建工程，选择Ｃ＋＋版本，这里工程名命名为ＳＴＭ３２。②选择驱动程序类型及是否需要Ｃ＋＋框架的支持，在此选择ＷＤＭ型，需Ｃ＋＋框架的支
持。③选择ＷＤＭ驱动程序类型，这里选择ＷＤＭ
功能驱动程序。④选择总线类型，填写ＵＳＢ设备芯
片ＶＩＤ（供应商ＩＤ）和ＰＩＤ（设备ＩＤ），我们选择ＵＳＢ总线，在此ＶＩＤ和ＰＩＤ分别为０４８３、７５４０。⑤
定义ＵＳＢ接口芯片端点，其中端点０默认为控制端点，不需要定义，端点１定义为ＯＵＴ中断传输方式；端点２为ＩＮ块传输端点。⑥选择设备操作，如Ｃｌｏｓｅ、Ｃｒｅａｔｅ、Ｒｅａｄ、Ｗｒｉｔｅ等。⑦选择Ｉ／ｏ端口读写方式，添加ＩＯＣＴＬ接口（用于控制传输）。⑧创建注册表项，这里我们不需要创建任何注册表项。⑨对ＷＤＭ支持的电源管理选项进行选择，这里选择默认的“Ｍａｎａｇｅ
ＰｏｗｅｒＦｏｒＴｈｉｓ
Ｄｅｖｉｃｅ”。⑩选
择是否支持ＷＭＩ。接下来的Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ、Ａｄｄｉ－
ｔｉｏｎａｌ和Ｓｕｍｍａｒｙ３个对话框按默认方式。这样，
就创建了一个ＵＳＢ设备驱动程序框架，接下来，在这个框架中添加所要实现功能的代码。
２．２．３
ＵＳＢ设备驱动代码编写与实现
以上由ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ自动生成的ＵＳＢ设备驱动程序框架主要由ＳＴＭ３２Ｄｒｉｖｅｒ．ｃｐｐ和
ＳＴＭ３２Ｄｅｖｉｃｅ．ｃｐｐ两个源程序组成。其中，前者用
于初始化驱动程序，它包括：入口函数ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ、
ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ和Ｕｎｌｏａｄ函数；后者用于在ＷＤＭ环境
ＴＡ０和ＤＡＴＡｌ令牌携带着数据交替传送。第三部分是握手包阶段。如果数据是ＩＮ方向，握手信实时地传送到上位机，供上位机进行数据分析和处理。端点２的配置如下：
完成端点２缓冲区的数据发送。
２．２．１开发平台的搭建［５］
ＣｒＯＳＯｆｔ
程序开发工具包。在安装过程中，ＶＣ６．０最好安装
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