基于STM32和CH9343的手机虚拟信号源设计

基于STM32和CH9343的手机虚拟信号源设计
作者：王鹏李红波苏加斌
来源：《无线互联科技》2018年第11期
摘要：文章利用Android智能手机作为应用平台，通过设计信号调理电路、主控电路和CH9343主机接口电路，实现DAC数模转换，使得模拟数据按照设定参数产生波形输出，通过编写手机APP应用软件，完成波形参数输入功能。

实验证明，该虚拟信号源实用新颖，使用方便。

关键词：CH9343； STM32；虚拟信号源；手机示波器
实验室信号源是电子实验中常用的仪器，目标电路通过接入信号评估测试电路参数或性能。

实验用信号源往往采用交流供电，体积大，功能多，使用起来也较为复杂。

本文设计了一种基于STM32和CH9343的手机配件，通过利用安卓手机和接入应用配件，制作了一款便携式虚拟信号源。

该信号源具有携带方便、新颖实用、即插即用等特点，较好地解决了工程技术人员的快速测试需要。

近年来，有关智能手机在虚拟信号源方面的应用，更多的只是论述硬件设计方面[1-5]，较少的结合智能手机平台方面的应用设计。

1 STM32单片机
本设计采用意法半导体（STMicroelectronics，ST）公司的STM32F103RC单片机，以ARM Cortex-M3为内核的增强型32位微控制器，专门为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计。

工作频率高达72 MHz，是同类产品中性能最高的；256 kB 片上FLASH ROM， 48 kB SRAM； 5个超高速USART；支持DMA操作的2通道12位同步DAC转换器；8个定时器；支持多路PWM带死区控制的通道等，其资源丰富，可以满足数据快速传输和复杂的数据运算等功能。

2 CH9343接口芯片
该芯片是沁恒公司的一个单芯片全速USB安卓主机接口芯片，符合Android开方文式配件（Android Open Accessory，AOA）规范，芯片内部配置有USB协议解析器，用于内置安卓设备对外部组件的访问。

该芯片提供了 USB转GPIO，UART，SPI和I2C等多种可配置硬件接口，可方便地实现安卓设备接口的扩展，用途广泛。

3 系统硬件设计
系统硬件主要包括智能手机和信号源配件两部分。

信号源配件由CH9343主机接口电路、STM32主控电路和信号调理电路组成。

系统框如图1所示。

3.1 信号调理电路
信号调理电路主要用来实现信号电流放大和极性变换功能，信号调理电路如图2所示，图中给出了其中1路。

输入信号uil范围为0〜+3 V，输出信号uol范围为-3〜+ 3 V。

由前级运放进行信号的双极性变换，后级进行了 2倍增益和50Ω阻抗输出等功能。

3.2 STM32主控电路
该电路完成用户参数到高速的数模转换，以产生需求的模拟信号。

主控电路如图3所示。

图中ui1和ui2分别是数字模拟转换器（Digital to analog converter，DAC）通道0和通道 1的输出信号，它们分别连接至信号调理电路上。

STM32控制器的串口（TXD和RXD）与
CH9343芯片的扩展串口（RXD和TXD）交叉相连。

3.3 CH9343主机接口电路
STM32控制器高速串口连接至CH9343的串口上，串口采用交叉连接。

CH9343芯片的USB端口信号连接至安卓手机的USB接口上。

当用户设定好波形参数后，数据从手机虚拟信号源软件中下传到CH9343的USB接口电路，后由CH9343主机接口电路转发至STM32的高速串口。

CH9343主机接口电路如图4所示。

4 固件程序设计
固件程序设计主要包括主程序和定时器中断程序两部分，其中主程序用于完成控制器初始化设置和数据接收功能，定时器中断程序主要完成波形产生等功能。

4.1 主程序设计
主程序主要包括初始化数据缓冲区、I/O口、串口 1、DAC模块和定时器TIM1及产生波形等。

主程序主要代码如下：
int main（）
{
ClearBuffer 。

； //数据缓冲区清零ConfigurationPort（）； //配置 I/O端口ConfigurationUart （）；//配置高速串口，波特率
921600bps
ConfigurationDAC（）； //配置DAC，12位分辨率ConfigurationTIMlO； //初始化定时器while（1）
4.2 定时器中断程序设计
在该子程序中，启用了定时器TIM1的中断功能。

当定时时间到达设定值时，进入
TIM2_IRQHandler。

中断服务程序，完成一次数据DAC数据发送工作。

定时周期与波形频率和周期采样点数有关，由下位机计算设置。

定时器中断服务程序主要代码如下：
void TIM2-IRQHandler（void）
{
DACSetChannel 1 Dat a（DAC-Align-l 2b-R，DA-ROMValue[0][k]）； //发出通道0数据
DAC- S etChannel 1 Dat a（DAC- Align- 12b-R ，D A-ROMValue[l][k]）； //发出通道 1 数据cnt++；
if（cnt>=Count）//每通道 20 个点
{
cnt=0；
flagOK=l；
……
}
}
5 应用软件设计
虚拟信号源应用软件采用Eclispe开发环境编写。

沁恒公司为安卓手机用户使用外部组件提供了固件支持，只要通过CH9343的安卓Demo模板，就可方便地完成手机APP界面设计和逻辑功能编写。

APP运行时，智能手机与CH9343的通信建立分4个过程：（1）检测安卓设备是否连接；（2）判断安卓设备是否支持AOA模式；（3）试图在AOA模式下启动设备；（4）支持AOA协议的情况下，建立通信连接。

运行在华为安卓智能手机上的虚拟信号源软件界面如图5所示，图中通道1为双极性，幅值1.0 V，频率为1 kHz的正弦波设定情况，通道2
为单极性，幅值2.0 V，频率为5 kHz的三角波设定情况。

如图6所示为图沖设定参数的实测波形，上面波形为通道1波形，下面为通道2波形。

由图可知本手机虚拟信号源工作效果良好。

6 结语
本文利用STM32控制器和安卓主机接口芯片，设计了一款手机虚拟信号源。

该信号源创新性地把传统信号发生器和智能移动终端相结合，扩展了信号源的应用空间，是传统信号源的有利补充，给工程技术人员带来便利。

实验证明，该信号源能较好地满足中低频信号的发生需要，使智能手机成为一种便携式信号源，可以较好地满足快速便捷测量需求。

[参考文献]
[1]张海鹏.简易信号发生器及手持信号检测仪[J].电子世界，2017（9）：85.
[2]姜建国.基于STM32的新型信号发生器设计[J].化工自动化及仪表，2017（3）：273.
[3]苏加斌，李红波.基于IAP15W和CH9343的手机虚拟示波器设计[J].电子世界，2016（5）：76.
[4]牟光红.STM32的双路信号源及其配置平台设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（10）：37.
[5]王永胜.USB+OTG在手持数字存储示波表中的应用研究[D].成都：电子科技大学，2009.。