0.新版工程提示（MCU Project）

2022/07/15

• 新版支持MSP432和STM32(其中Stm32工程支持Keil仿真)。特点：代码比旧版优雅；采用分层思想编写，移植，有手就行。
• 新版经网友测试，定时器捕获必须接入幅值需要超过1V的信号才不会卡住，原因未知；测量信号频率拓宽到47Hz-200kHz。
• ADC采样点数、采样频率倍数、仿真信号输入等等,可去"config.h"头文件配置。
• 自带仿真输入信号，即 无需 ADC前端电路、信号发生器输入信号，可去"config.h"修改宏定义SIMULATION 为 1，即可开启也可测试算法。更多仿真输入信号配置，可去"simulation.h"和"simulation.c"文件中配置。
• 默认调试器串口会打印大量信息，可去"config.h"修改宏定义ENABLE_LOG_DRAW为0，来关闭打印大量内部信息，信息的查看可以使用在Tool文件夹里的纸飞机串口调试助手，选用ASCII协议，主函数死循环调用log_data_to_draw_ascii()打印；或者调用log_data_to_draw()打印，然后将信息复制后，粘贴到Doc文件夹里的AnalyzeData.xlsx表格，有多个分表，ADC采样点数不同请粘贴到对应位置。

旧版工程在 MSP32P4 Project 文件夹里。

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1.前言

2021/11/11 作者：@BILIBILI：m-RNA E-mail：[email protected]

本作品为2021电赛A题-信号失真度测量装置，获得山西省赛区一等奖，全国二等奖。本人在此次比赛中专门负责单片机代码的编写，故只开源单片机代码部分。

此工程为了让学过Stm32的电赛人，能更易上手MSP432平台，将单片机外设初始化函数的封装都采用了Stm32正点原子风格。而且电赛人一般对Keil比较熟，故使用了Keil配置工程，方便VScode与Keil联动。当然CCS也可，如果会的话（可能后续会支持CCS）

Doc文件夹有芯片数据手册以及单片机交互原型（xd文件用Adobe XD打开）
Tool文件夹有OLED取模软件。

视频演示：点击观看 （⚠️尚未录制上传）
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2.项目分析

2.1 基本要求
  （1）输入信号的峰峰值电压范围：300mV-600mV。
  （2）输入信号基频：1kHz。
  （3）输入信号失真度范围：5%-50%。
  （4）要求对输入信号失真度测量误差绝对值|THDx - THDo|≤5%，THDx和THDo分别为失真度的测量值与标称值。
  （5）显示失真度测量值THDx。
  （6）失真度测量与显示用时不超过10秒。
2.2 发挥部分
  （1）输入信号的峰峰值电压范围：30mV-600mV。
  （2）输入信号基频范围：1kHz-100kHz。
  （3）测量并显示输入信号失真度THDx值，要求|THDx - THDo|≤3%。
  （4）测量并显示输入信号的一个周期波形。
  （5）显示输入信号基波与谐波的归一化幅值，只显示到5次谐波。
  （6）在手机上显示测量装置测得并显示的输入信号THDx值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。
  （7）其他。
2.3 题目分析
首先这是一道Ti-MCU限定题，并且题目要求测量的最高信号基频为100kHz，而且还要测量到五次谐波（5*100k=500kHz），若要满足采样定理则采样频率至少达到1MHz，故MSP432系列与C2000系列可以满足此题要求，但由于MSP432采用了大家较为熟悉的Cortex-M4f内核，支持DSP指令集和浮点运算指令集，学习成本低，故最终使用了MSP432P401R作为主控。
对于信号的采集，可以使用自适应的采用频率来采集信号；可以将通过滞回比较器或者过零比较器整形信号，给单片机捕获信号，获取频率；其次可以将信号放大、偏置后给单片机ADC采集。

3.实物展示

1. 作品局部单片机特写：

2. 测量时OLED显示界面（电赛时匆忙拍的半成品）：

3. 整体合照：

4.程序设计

底层驱动SDK框架、波形数据处理、人机交互界面等（详细代码见附件）

• SDK提供基本的模块和外设驱动支持；
• 波形处理计算如FFT、THDx、归一化幅值、还原波形和测量频率等，并为数据与波形显示做准备；
• 人机交互界面提供屏幕显示（OLED和手机）和操作方式（按键）

程序流程示意：

单片机OLED交互原型设计示意(见附件，xd文件用Adobe XD打开)：

手机蓝牙APP界面展示：

5.赛后总结

此次比赛中印象较深的就是手机蓝牙APP编写，在通信协议的确定和手机端解析代码的编写浪费了好多时间。其次，由于比赛节奏较快，此次作品没能做到面面俱到，我总结出此作品可以优化的几点：

• 这道题是涉及“数字信号处理”的Ti-MCU限定题，MCU选型应该为C2000较有优势；
• 可以用滞回比较器来解决过零比较器的多零点问题，来减轻软件压力；
• 可以不用按键，改为连续测量，并多次测量，将测量结果去掉最值后求平均值，将单片机OLED的测量动画与手机显示动画去除，实时显示测量结果，增强实时性、减少误差；
• 可以使用等效采样，使得采集信号频率范围能更上一个层次；ADC超频之后，等效采样能采集至少1.6MHz以上的信号。
• 蓝牙通信协议应该添加包头包尾比较合理。

6.致谢名单

• 感谢B站UP主“CloudBoyStudio”一直无私奉献，耐心细致解答问题。本工程中很多代码，比如ADC的DMA传输配置等，参考了UP主“CloudBoyStudio”在MSP432学习交流群发出的示例代码，在此深表感谢😆
• 感谢积极细心的队友，硬件电路模块全部队友自制，而且在软件算法方面也给予了理论与实践帮助支持，在调试时帮忙揪出BUG，一起完成报告，给我瑜伽垫睡觉等；
• 感谢B站UP主“物联世界 ”视频教程；
• 感谢同学、老师、行知众创实验室提供的指导、仪器与场地支持；
• 感谢正点原子 在Stm32平台的贡献，使得我们方便将代码移植到MSP432平台上来；
• 感谢MiniDSO-Pro 项目，此工程的README与WaveBox()函数参考该项目；
• 感谢B站、UP主、B友、开源社区，让我发现了很多有趣且实用的项目，带给我很多欢乐、知识；
• 感谢爸妈，支持我烧钱打电赛；感谢未出现的女友，让我安心完成电赛；
• 感谢RNA 的MSP432速成课，让我电赛延期不懈怠，坚持复习并分享MSP432P401R知识，谢谢你，狗子；
• ......

附录：单片机工程说明

0.引脚连接

引脚可自行配置，OLED引脚更改下文有提示。

外设	引脚(外设)
ADC采样	P4.6
过零比较	P5.7
OLED显示	P3.6(SDA)
	P3.7(SCL)
蓝牙串口	P3.2(TXD)
	P3.3(RXD)

1.串口使用

• 使用串口0打印调试信息至电脑，调试助手的波特率是1382400；

• 使用串口2与蓝牙通信进而与手机通信。

// 可在main.c里的第52行代码直接更改波特率
uart_init(1382400);    // 第7讲 串口配置 （调试）
usart3_init(9600);     // 第7讲 串口配置 （蓝牙）

2.定时器A

• 定时器A0作为ADC触发时钟源；

• 定时器A2作为测量频率的输入捕获定时器。

过零比较器给定时器A2通道1，即P5.7捕获，以获信号的频率；不接过零比较器，默认以50x16kHz进行采样（此时测量50kHz的信号最准确。原因：算法中采样频率是根据信号频率自适应改变的，以获得最优的测量结果）

// 想要更改默认的fs，可以更改第54行代码
TimA0_Int_Init(60, 1); // 第8讲 定时器配置 （ADC触发时钟源 fs）

考虑了有多个过零点的情况，在软件算法有对此进行优化：

3.ADC采集+DMA传输

• P4.6输入 使用了内部2.5V参考电压源，放大后电压别超过2.5V。

• 开启了ADC通道DMA传输（特别感谢B站UP主：“CloudBoyStudio”，这一部分参考是CloudBoyStudio的配置）

4.双OLED显示 (硬件IIC)

• 使用了OLED图像库 [移植：项目地址]

• 2个IIC协议的OLED，从机地址分别为0X78、0X7C，需要2个4.7k或10k电阻作为IIC上拉电阻。

// 默认使用IIC_2 想更改硬件IIC引脚可以去oled_config.h第81行代码更改
#if (TRANSFER_METHOD==HW_IIC)
  //IIC_0: P1.7  -- SCL;  P1.6  -- SDA
  //IIC_1: P6.5  -- SCL;  P6.4  -- SDA
  //IIC_2: P3.7  -- SCL;  P3.6  -- SDA
  //IIC_3: P10.3 -- SCL;  P10.2 -- SDA
  #define USE_HW_IIC  IIC_2

使用两个小OLED的原因: 我们之前是做电源题的，考虑到降低功耗提高效率就使用了小OLED，怕OLED坏了，就买了很多备着，于是比赛时没有SPI协议或者IIC协议的较大屏幕，只能配合着OLED图形库，稍微添加了几条函数，使用IIC驱动两个小OLED。

5.无线通信 使用了HC-05蓝牙模块作为单片机与手机的无线通信模块。简易通信协议如下：

内容	开始	THD	波形	归一化幅值	结束
长度(字)	NULL	1	1x128	1x5	NULL
备注	空	放大1千倍	幅值为0-64	频率由低到高	空

6.外围电路

• 线性稳压芯片（如：7805、7905）

• 仪表放大器（如：INA128）

• 过零比较器（如：TLV3501）