内容介绍

一、项目介绍和创意介绍

1. 项目介绍

本项目以活动方向五：教育与创意互动，制作一个以STM32F103C8T6为主控核心，搭配2.4 寸 TFT 彩色液晶屏的便携式多功能硬件调试仪器，可满足在日常的DIY，学习中把示波器，信号发生器，可调电源集于一体的低成本调试工具，经过测试，该仪器精度可满足日常学生学习和DIY使用。
集成六大工作模式：

可调直流电压源模式
正弦波信号发生模式
三角波信号发生模式
方波信号发生模式
可调 PWM 信号输出模式
简易数字示波器模式

可实现：频率可调波形输出、占空比可调 PWM、-3V~+3V 直流偏置、示波器DC/AC 耦合切换、信号增益调节、时基档位调节、波形缩放、实时电压 / 峰峰值 / 平均值 / 频率自动测算，并通过2.4 寸 TFT 全屏可视化展示参数与波形。

2. 项目创意亮点

一机多用集成化
把直流电源、DDS 函数发生器、PWM 发生器、数字示波器四个常用仪器合为一体，体积小巧、成本低、便携，替代多台分立仪器。
2.4 寸 TFT 全屏可视化交互
采用 2.4 寸彩色 TFT，中文 / 字符菜单 + 实时波形绘制 + 参数弹窗显示，界面直观，无需上位机。
本机波形联动观测
信号发生器输出的正弦 / 三角 / 方波，可直接切入示波器模式实时观测本机波形，免外接信号源，调试极方便。
硬件软件双重优化
硬件采用 DDS 专用芯片 AD9834 保证波形纯净度；软件采用 ADC+DMA 高速采样、动态时基适配、自动阈值测频、数字电位器程控增益。
人性化按键逻辑
五键实现模式切换、参数切换、步进档位、参数加、参数减，支持多级步进调节，兼顾粗调与精调。
示波器专业功能标配
支持 DC 耦合（测直流 + 交流叠加信号）、AC 耦合（滤除直流只看交流纹波）、增益档位、时基档位、波形缩放，贴近商用示波器基础功能。

二、项目使用硬件详细介绍

1. 主控核心

STM32F103C8T6

主频 72MHz，Cortex-M3 内核；
内置 12 位 ADC、多个通用定时器、DMA 控制器、SPI、GPIO；
负责系统初始化、按键扫描、逻辑调度、AD9834 驱动、PWM 生成、ADC 波形采样、数据运算、2.4 寸 TFT 刷屏绘图。

2. 显示模块

2.4 寸 TFT LCD 液晶屏（320×240 分辨率）

分辨率 320*240，彩色显示，视野大；
支持字符显示、矩形绘制、点线绘制、波形曲线实时刷新；
用于：模式标题显示、参数数值显示、模拟波形绘图、示波器网格 + 波形轨迹、电压 / 频率 / 增益 / 时基等状态栏信息展示。

3. DDS 波形发生模块

AD9834 可编程波形发生器

可程控输出正弦波、三角波、方波；
输出频率范围：1Hz ~ 1MHz 连续可调；
通过 STM32 SPI 配置频率寄存器、波形模式寄存器；
配合 GPIO 使能引脚控制波形输出开关。

4. 程控增益调节模块

MCP41010 单通道数字电位器

10kΩ 量程，SPI 程控阻值；
软件通过二分法算法校准阻值，实现1~20 倍信号增益调节；
用于示波器前端信号放大，适配小幅信号观测。

5. 耦合切换模块

TLP172 光耦继电器

软件控制实现DC 耦合 / AC 耦合硬件切换；
AC 耦合隔离直流分量，只观测交流纹波与交变波形。

6. 采样采集模块

STM32 内置 ADC1 + DMA

12 位精度，规则通道连续转换；
DMA 搬运采样数据，不占用 CPU 资源；
软件可动态配置 ADC 采样周期，适配不同时基的采样率。

7. 按键模块

独立 5 按键
功能分别定义：
KEY1：工作模式循环切换
KEY2：调节选项切换
KEY3：步进档位增加
KEY4：参数数值增加
KEY5：参数数值减少

8. PWM 输出模块

STM32 通用定时器 TIM

软件实现频率、占空比实时在线修改；
占空比 0%~100%，频率大范围可调。

9. 电源与外围电路

使用LM1117S-5V/3.3V 提供稳压供电电路；使用ICL7660M/TR提供-5v电源输出，使用mcp4725数字电压芯片控制-3V——3V可调电源输出
AD 采集端口 RC 滤波、防静电保护；
AD9834 输出端 7阶切比雪夫低通滤波器，改善波形边沿；

三、方案框图和项目设计思路介绍

1. 方案框图

2. 整体设计思路

分层架构设计
分为人机交互层（按键 + 2.4 寸 TFT）、主控逻辑层（STM32 调度）、信号输出层（AD9834+PWM + 直流源）、信号采集层（ADC+DMA + 增益 + 耦合）四层架构，模块独立、便于调试和扩展。
初始化流程
上电依次初始化：系统时钟→GPIO→按键→TFT 液晶屏→ADC/DMA→定时器 PWM→SPI 外设 (AD9834/MCP41010)→默认参数加载→进入主循环。
主循环工作逻辑
检测按键动作 → 修改对应模式 / 参数 → 同步更新硬件配置（AD9834 频率波形、PWM 占空比、ADC 采样率、耦合模式、增益） → 2.4 寸 TFT 刷新界面与波形。
示波器专用设计思路

采用200 点固定采样点数适配 2.4 寸 TFT 宽度；
通过设置不同时基 Timebase，软件自动计算并修改 ADC 采样周期，实现横向时基缩放；
通过 MCP41010 修改放大倍数，实现纵向电压增益缩放；
软件自动计算波形最大值、最小值、峰峰值、平均值、频率，并在 TFT 顶部状态栏显示；
支持 DC/AC 硬件耦合切换，适配不同测量场景。

参数限位与保护
所有电压、频率、占空比、增益均做上下限限制，防止参数越界导致硬件工作异常。

四、原理图与 PCB 设计详细介绍

1. 原理图核心模块说明

STM32F103C8T6 最小系统
包含 8M 外部晶振、复位电路、3.3V 稳压、启动配置电路，为整个系统提供时钟与主控基础。
2.4 寸 TFT 接口电路
采用 7位并行接口方式，连接 STM32 GPIO，包含 RS、CS、WR、控制引脚，支持全屏绘图、字符显示、反白高亮。
AD9834 外围电路
SPI 通信接口与 STM32 相连，配置 FSYNC、SCLK、DATA 引脚；自带基准电源、输出7阶切比雪夫低通滤波器网络。
MCP41010 数字电位器电路
SPI 串行通信，构成运算放大器负反馈回路，实现程控增益调节。
TLP172 耦合切换电路
光耦继电器串联在 ADC 输入前端，单片机 GPIO 控制通断，实现 AC 耦合隔直。
ADC 采集输入电路
分压限流 + RC 低通滤波 + ESD 保护，抑制高频干扰，保证示波器采样波形平滑。
按键电路
上拉输入方式，无需外部消抖电容，软件做按键消抖处理，5 按键独立输入。
PWM 驱动及直流偏置电路
由 STM32 定时器输出 PWM，经驱动缓冲后对外输出；
直流源部分实现
提供mcp4725数字电压芯片与STM32提供i2c来控制 - 3V~+3V 可调偏置。

五、软件流程图和关键代码介绍

1. 软件整体流程图

2. 关键代码介绍（仅截取部分，详细在工程文件）

DDS 波形输出核心函数

static void Update_DDS_Hardware(void)
{
    // 判断是否为正弦/三角/方波模式
    if (dev_params.curr_mode < MODE_SINE_WAVE || dev_params.curr_mode > MODE_SQUARE_WAVE)
        return;

    // 设置波形类型
    if (dev_params.curr_mode == MODE_SINE_WAVE)
        AD9834_SetWaveMode(0);
    else if (dev_params.curr_mode == MODE_TRIANGLE_WAVE)
        AD9834_SetWaveMode(1);
    else if (dev_params.curr_mode == MODE_SQUARE_WAVE)
        AD9834_SetWaveMode(2);

    // 更新频率与增益
    AD9834_Set_Freq(FREQ_0, dev_params.freq_val);
    AD9834_SetGain(gain_map[dev_params.gain_val-1]);
}

示波器采样率自动配置

static void SetSampleRateByTimebase(float timebase_ms) {
    // 根据时基计算目标采样率
    float total_time_s = timebase_ms / 1000.0f;
    uint32_t target_sps = (uint32_t)(200 / total_time_s);

    // 限制采样率范围
    if (target_sps < 1000)  target_sps = 1000;
    if (target_sps > 857000) target_sps = 857000;

    // 自动配置ADC采样周期
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3, 1, adc_sampling_time);
}

按键处理总函数

void Key_Process(void) {
	    // ========== 修复按键不灵敏：临时暂停 ADC ==========
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, DISABLE);
    __NOP();__NOP();
    float step = Get_Curr_Step();

    typedef struct {
        uint8_t osc_adj_mode;
        float timebase;
        uint8_t timebase_index;
        float wave_scale;
        uint8_t step_index;
        float current_gain;
    } OscParam_t;
    static OscParam_t osc_backup;

    static uint8_t key2_ok = 1, key3_ok = 1, key4_ok = 1, key5_ok = 1;

    if (dev_params.curr_mode == MODE_OSCILLOSCOPE &&
        (osc_temp_from_mode == MODE_SINE_WAVE || osc_temp_from_mode == MODE_TRIANGLE_WAVE))
    {
        if (KEY_Scan(1) == KEY_PRESSED) {
            LCD_Fill(0,0,LCD_W,LCD_H,WHITE);
            OSC_ADC_DMA_Stop();
            ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, DISABLE);

            MCP41010_SetResistance(0);
            OSC_Set_Gain(1.0f);

            osc_adj_mode = osc_backup.osc_adj_mode;
            timebase = osc_backup.timebase;
            timebase_index = osc_backup.timebase_index;
            wave_scale = osc_backup.wave_scale;
            step_index = osc_backup.step_index;
            current_gain = osc_backup.current_gain;

            dev_params.curr_mode = osc_temp_from_mode;
            dev_params.curr_adj = ADJ_FREQ;
            GPIO_ResetBits(AD9834_SWITCH_PORT, AD9834_SWITCH_PIN);
            osc_temp_from_mode = MODE_POWER;
            Update_DDS_Hardware();
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
            key2_ok = key3_ok = key4_ok = key5_ok = 1;
            return;
        }

        if (KEY_Scan(2) == KEY_PRESSED && key2_ok) {
            key2_ok = 0;
            osc_adj_mode = (osc_adj_mode + 1) % 4;   // 4 项
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(2) == KEY_RELEASED) key2_ok = 1;

        if (KEY_Scan(3) == KEY_PRESSED && key3_ok) {
            key3_ok = 0;
            if (osc_adj_mode == 0) {
                step_index = (step_index + 1) % STEP_COUNT;
            } else if (osc_adj_mode == 1) {
                timebase_index = (timebase_index + 1) % TIMEBASE_COUNT;
                timebase = timebase_steps[timebase_index];
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
            } else if (osc_adj_mode == 3) {
                // 切换 DC/AC
                osc_couple_mode ^= 1;
                TLP172_SetCoupling(osc_couple_mode);

                OSC_ADC_DMA_Stop();
                ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, DISABLE);
                OSC_ADC_DMA_Init();
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
                ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

                osc_first_enter = 1;
                osc_need_clear = 1;
            }
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(3) == KEY_RELEASED) key3_ok = 1;

        if (KEY_Scan(4) == KEY_PRESSED && key4_ok) {
            key4_ok = 0;
            if (osc_adj_mode == 0) {
                float s = step_values[step_index];
                SetGainAndUpdate(current_gain + s);
            } else if (osc_adj_mode == 1) {
                if (timebase_index < TIMEBASE_COUNT-1) timebase_index++;
                timebase = timebase_steps[timebase_index];
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
            } else if (osc_adj_mode == 2) {
                wave_scale += scale_step;
                if (wave_scale > WAVE_SCALE_MAX) wave_scale = WAVE_SCALE_MAX;
                osc_need_clear = 1;
            }
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(4) == KEY_RELEASED) key4_ok = 1;

        if (KEY_Scan(5) == KEY_PRESSED && key5_ok) {
            key5_ok = 0;
            if (osc_adj_mode == 0) {
                float s = step_values[step_index];
                SetGainAndUpdate(current_gain - s);
            } else if (osc_adj_mode == 1) {
                if (timebase_index > 0) timebase_index--;
                timebase = timebase_steps[timebase_index];
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
            } else if (osc_adj_mode == 2) {
                wave_scale -= scale_step;
                if (wave_scale < WAVE_SCALE_MIN) wave_scale = WAVE_SCALE_MIN;
                osc_need_clear = 1;
            }
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(5) == KEY_RELEASED) key5_ok = 1;

        return;
    }

    if (dev_params.curr_mode == MODE_OSCILLOSCOPE && osc_temp_from_mode == MODE_POWER) {
        if (KEY_Scan(2) == KEY_PRESSED && key2_ok) {
            key2_ok = 0;
            osc_adj_mode = (osc_adj_mode + 1) % 4;   // 4 项
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(2) == KEY_RELEASED) key2_ok = 1;

        if (KEY_Scan(3) == KEY_PRESSED && key3_ok) {
            key3_ok = 0;
            if (osc_adj_mode == 0) {
                step_index = (step_index + 1) % STEP_COUNT;
            } else if (osc_adj_mode == 1) {
                timebase_index = (timebase_index + 1) % TIMEBASE_COUNT;
                timebase = timebase_steps[timebase_index];
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
            } else if (osc_adj_mode == 3) {
                // 切换 DC/AC
                osc_couple_mode ^= 1;
                TLP172_SetCoupling(osc_couple_mode);

                OSC_ADC_DMA_Stop();
                ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, DISABLE);
                OSC_ADC_DMA_Init();
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
                ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

                osc_first_enter = 1;
                osc_need_clear = 1;
            }
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(3) == KEY_RELEASED) key3_ok = 1;

        if (KEY_Scan(4) == KEY_PRESSED && key4_ok) {
            key4_ok = 0;
            if (osc_adj_mode == 0) {
                float s = step_values[step_index];
                SetGainAndUpdate(current_gain + s);
            } else if (osc_adj_mode == 1) {
                if (timebase_index < TIMEBASE_COUNT-1) timebase_index++;
                timebase = timebase_steps[timebase_index];
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
            } else if (osc_adj_mode == 2) {
                wave_scale += scale_step;
                if (wave_scale > WAVE_SCALE_MAX) wave_scale = WAVE_SCALE_MAX;
                osc_need_clear = 1;
            }
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(4) == KEY_RELEASED) key4_ok = 1;

        if (KEY_Scan(5) == KEY_PRESSED && key5_ok) {
            key5_ok = 0;
            if (osc_adj_mode == 0) {
                float s = step_values[step_index];
                SetGainAndUpdate(current_gain - s);
            } else if (osc_adj_mode == 1) {
                if (timebase_index > 0) timebase_index--;
                timebase = timebase_steps[timebase_index];
                SetSampleRateByTimebase(timebase);
            } else if (osc_adj_mode == 2) {
                wave_scale -= scale_step;
                if (wave_scale < WAVE_SCALE_MIN) wave_scale = WAVE_SCALE_MIN;
                osc_need_clear = 1;
            }
            LCD_Display_All();
            delay_ms(15);
        }
        if (KEY_Scan(5) == KEY_RELEASED) key5_ok = 1;

        return;
    }

    if(KEY_Scan(1) == KEY_PRESSED) {
        WorkMode old_mode = dev_params.curr_mode;
        dev_params.curr_mode = (WorkMode)((dev_params.curr_mode % 6) + 1);

        if(old_mode == MODE_OSCILLOSCOPE) {
            OSC_ADC_DMA_Stop();
            ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, DISABLE);
        }

        if(dev_params.curr_mode == MODE_OSCILLOSCOPE) {
            OSC_Reset_Default();
            OSC_ADC_DMA_Init();
            SetSampleRateByTimebase(timebase);
            TLP172_SetCoupling(osc_couple_mode);
            SetGainAndUpdate(current_gain);
            osc_first_enter = 1;
            key2_ok = key3_ok = key4_ok = key5_ok = 1;
        }

        dev_params.curr_adj = Filter_AdjTarget(dev_params.curr_mode, dev_params.curr_adj);
        dev_params.step_gear = 0;
        Update_DDS_Hardware();
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
    }

    if(KEY_Scan(2) == KEY_PRESSED) {
        AdjTarget next_adj;
        switch(dev_params.curr_mode) {
            case MODE_POWER:
                next_adj = ADJ_POWER;
                break;
            case MODE_SINE_WAVE:
            case MODE_TRIANGLE_WAVE:
                if      (dev_params.curr_adj == ADJ_FREQ)  next_adj = ADJ_POWER;
                else if (dev_params.curr_adj == ADJ_POWER) {
                    LCD_Fill(0,0,LCD_W,LCD_H,WHITE);
                    osc_temp_from_mode = dev_params.curr_mode;

                    osc_backup.osc_adj_mode = osc_adj_mode;
                    osc_backup.timebase = timebase;
                    osc_backup.timebase_index = timebase_index;
                    osc_backup.wave_scale = wave_scale;
                    osc_backup.step_index = step_index;
                    osc_backup.current_gain = current_gain;

                    dev_params.curr_mode = MODE_OSCILLOSCOPE;
                    OSC_Reset_Default();
                    OSC_ADC_DMA_Init();
                    SetSampleRateByTimebase(timebase);
                    TLP172_SetCoupling(osc_couple_mode);
                    SetGainAndUpdate(current_gain);
                    GPIO_SetBits(AD9834_SWITCH_PORT, AD9834_SWITCH_PIN);
                    osc_first_enter = 1;
                    key2_ok = key3_ok = key4_ok = key5_ok = 1;
                    next_adj = ADJ_NONE;
                } else {
                    next_adj = ADJ_FREQ;
                    GPIO_ResetBits(AD9834_SWITCH_PORT, AD9834_SWITCH_PIN);
                }
                break;
            case MODE_SQUARE_WAVE:
                next_adj = (dev_params.curr_adj == ADJ_FREQ) ? ADJ_POWER : ADJ_FREQ;
                break;
            case MODE_PWM:
                next_adj = (dev_params.curr_adj == ADJ_FREQ) ? ADJ_DUTY : ADJ_FREQ;
                break;
            default:
                next_adj = ADJ_NONE;
                break;
        }
        dev_params.curr_adj = next_adj;
        dev_params.step_gear = 0;
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
    }

    if(KEY_Scan(3) == KEY_PRESSED) {
        dev_params.step_gear++;
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
    }

    if(KEY_Scan(4) == KEY_PRESSED) {
        switch(dev_params.curr_adj) {
            case ADJ_POWER:
                dev_params.power_val += step;
                Power_Update();
                break;
            case ADJ_FREQ:
                dev_params.freq_val += (u32)step;
                if(dev_params.curr_mode >= MODE_SINE_WAVE && dev_params.curr_mode <= MODE_SQUARE_WAVE) {
                    AD9834_Set_Freq(FREQ_0, dev_params.freq_val);
                }
                if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM)
                    PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
                break;
            case ADJ_DUTY:
                dev_params.duty_val += step;
                if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM)
                    PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
                break;
            case ADJ_GAIN:
            case ADJ_NONE:
                break;
        }
        Limit_Params();
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
    }

    if(KEY_Scan(5) == KEY_PRESSED) {
        switch(dev_params.curr_adj) {
            case ADJ_POWER:
                dev_params.power_val -= step;
                Power_Update();
                break;
            case ADJ_FREQ:
                dev_params.freq_val -= (u32)step;
                if(dev_params.curr_mode >= MODE_SINE_WAVE && dev_params.curr_mode <= MODE_SQUARE_WAVE) {
                    AD9834_Set_Freq(FREQ_0, dev_params.freq_val);
                }
                if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM)
                    PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
                break;
            case ADJ_DUTY:
                dev_params.duty_val -= step;
                if(dev_params.curr_mode == MODE_PWM)
                    PWM_Update(dev_params.freq_val, dev_params.duty_val);
                break;
            case ADJ_GAIN:
            case ADJ_NONE:
                break;
        }
        Limit_Params();
        LCD_Display_All();
        delay_ms(100);
    }
		
			ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);	
	}

六、功能展示及详细说明

1. 2.4 寸 TFT 直流电压源界面

屏幕显示当前工作模式、实时电压值；
下方绘制 - 3V~+3V 刻度标尺与灰色指示光标；
支持 0.1V/0.5V/1V 多档位步进调节；
参数高亮显示，2.4 寸大屏观看清晰。

2. 正弦 / 三角 / 方波发生器界面

TFT 显示波形名称、实时频率、直流偏置电压；
屏幕中间自动绘制对应模拟波形；
频率 1Hz~1MHz 可调，偏置 - 3V~+3V 可调调用模式1的可调电源，通过开关来确认是否输入。
并且正弦波，三角波可通过开关和按键2直接进入示波器显示画面显示波形并通过可调电阻波形调幅度大小。

3. PWM 发生器界面

显示 PWM 频率、占空比百分比；
屏幕绘制 PWM 高低电平示意波形；
频率、占空比独立可调。

4. 2.4 寸 TFT 示波器界面

全屏波形显示区域，带边框网格；
顶部状态栏：实时电压、最大值、最小值、峰峰值、平均电压、波形频率；
右侧显示增益、时基、缩放档位、当前 DC/AC 耦合状态；
支持按键：切换增益大小、切换时基快慢、波形放大缩小、一键 DC/AC 切换；
通过开关可直接测量本机 DDS 输出波形，也可测量外部电路信号。

七、设计过程遇到的难题及详细解决方法

难题 1：2.4 寸 TFT 刷屏卡顿、波形闪烁

原因：每次全部清屏重绘，刷新量大；主循环同时处理按键、运算、刷屏。
解决：

采用局部区域清屏，只刷新变化部分；
示波器采用前后帧缓存差分绘制，只擦除旧轨迹、画新轨迹；
优化绘图函数，减少重复打点，提升 2.4 寸屏流畅度。

难题 2：ADC 采样干扰大，示波器波形杂乱抖动

原因：数字电路串扰、电源纹波、按键扫描干扰采样。
解决：

硬件：ADC 输入增加 RC 滤波、模拟地数字地分离；
软件：按键扫描期间临时关闭 ADC 转换，扫描结束再开启；使用 DMA 连续采样，减少 CPU 干预。

八、竞赛心得体会、意见与建议

通过本次项目，完整掌握了STM32 外设开发、2.4 寸 TFT 液晶屏绘图、DDS 芯片驱动、ADC+DMA 采样、数字电位器程控、光耦耦合控制等综合嵌入式技能。
理解了软硬件协同设计思想：硬件负责基础性能，软件通过算法补偿硬件误差、优化人机界面、实现功能扩展。
后续改进方向：升级为触摸屏操作，省去多按键。