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简介：这是基于mini STM32（STM32F103RCT6）的简易示波器完整工程，面向嵌入式初学者、电子爱好者和课程设计学生，可用于学习ADC采样、LCD波形显示、按键交互、C/C++混合编程，也适合作为项目原型快速起步。压缩包共145个文件、约2MB，内容以C源码、头文件为主，覆盖STM32标准外设库的定时器、ADC、USART、FSMC等驱动，另有LCD显示驱动、启动汇编文件、Keil工程文件、hex烧录文件以及文本说明，方便查看、编译、烧录和按模块继续学习。目前已有675人学习下载。资源清晰展示了基于正点原子STM32F103RCT6开发板的示波器实现思路，包含从模拟信号采集、数据滤波到屏幕波形绘制的完整链路，可以帮助理解ADC采样率配置、触发方式和实时处理等设计要点。在此基础上，还可继续扩展触发、频率测量，或将驱动与界面迁移到其他STM32平台，适合做课程设计与项目预研。

1. 一块Mini板做示波器，难的不是采样而是把数据送出去

多数人第一次在mini STM32上写示波器，是把ADC读出来的数值直接画到OLED上，结果看到的不是波形而是一团乱码。问题不在AD转换本身，而在采样时刻是否均匀、数据有没有在绘制的过程中被新的采样覆盖。基于mini STM32的简易示波器，本质是ADC、定时器、DMA和显示刷新的一条流水线：定时器决定什么时候采，DMA负责把结果搬走，CPU只处理搬运完成之后的绘制和触发判断。这篇文章把这条链路上的每个环节拆开讲，从采样率怎么设定到触发怎么对齐，最后给两个能立刻验证板子好坏的实验。用的是C/C++，但核心是数据流的设计，语言只是表现层。

2. 采样链路设计：定时器触发ADC与DMA双缓冲

2.1 mini STM32做示波器，先认清三个硬指标

不管屏幕多大、按键多少，示波器的价值由三个参数决定：采样率、存储深度、垂直分辨率。STM32F103系列ADC最高约1Msps，12位分辨率，内置SRAM几十KB。用512点做一次显示缓冲，单通道连续采样时，理论最高显示刷新率约1Msps/512≈1953帧/秒，但OLED绘制一帧往往要几毫秒，所以实际瓶颈在显示端。

存储深度直接限制单次捕获的时间长度。采样率10kHz、512点只能记录51.2ms，想记录更长的信号要么降低采样率，要么扩大缓冲。扩大缓冲会影响绘制延迟，这也是简易示波器和商用示波器差距最大的地方。

垂直分辨率在F103上是满12位，但实际有效位数会被电源噪声、参考电压波动拉低。短路输入端看波形底噪，通常有2~4个LSB跳动。这个底噪值记下来，后续判断信号是真有毛刺还是板子本身噪声，非常有用。

2.2 为什么连续采样不能写在主循环里

如果ADC在主循环里按顺序轮询转换，采样时刻取决于循环里其他代码的执行时间，中断一多波形就会横向拉伸、压缩，频率读出来全错。

定时器触发ADC是标准做法。选择定时器的PWM输出作为ADC的外部触发源，ADC不在循环里启动，而是等定时器的上升沿到来。这样采样间隔严格等于(PSC+1)×(ARR+1)/TIM_CLK，波形在时间轴上是均匀的。

触发频率与采样率换算（以72MHz定时器时钟为例）：

2.3 DMA双缓冲让采样与绘制互不等待

采集过程中CPU一旦参与搬数，采样率就会抖动。DMA的作用是把ADC转换结果自动写入内存数组，传输完成再通知CPU。F103的DMA支持循环模式和半传输中断，配置成双缓冲后，前半段数据填充时CPU绘制后半段，反之亦然。

代码示意：

#define ADC_BUF_LEN 1024 static volatile uint16_t adc_buf[ADC_BUF_LEN]; void adc_dma_init(void) { /* ADC1 由 TIM2_CH1 触发，使用 DMA1 通道1 */ DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)&ADC1->DR; /* 源: ADC数据寄存器 */ DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)adc_buf; /* 目的地: 内存数组 */ DMA1_Channel1->CNDTR = ADC_BUF_LEN; /* 传输点数 */ DMA1_Channel1->CCR = DMA_CCR_MINC | /* 内存地址自增 */ DMA_CCR_CIRC | /* 循环模式 */ DMA_CCR_HTIE | /* 半传输中断 */ DMA_CCR_TCIE | /* 传输完成中断 */ DMA_CCR_EN; /* 使能DMA */ ADC1->CR2 |= ADC_CR2_DMA | ADC_CR2_CONT; /* 使能DMA请求和连续转换 */ }

循环模式下DMA装满1024点后自动从数组头重新开始，半传输中断表示前512点已就绪，完成中断表示后512点已就绪。CPU在中断里只设置标志位，不在中断里做绘制，主循环检测到标志后处理数据。

数组用volatile修饰，避免编译器把数据优化到寄存器里导致读到旧值。双缓冲的两个半区如果大小不同，只要在中断回调里按实际长度处理即可，但建议保持2的幂次，便于取模运算定位写入位置。

3. 在Mini STM32上跑通最小波形显示链路

3.1 CubeMX里勾选的最小外设集合

用STM32CubeMX生成工程时，只需要四类外设：ADC1、定时器、DMA、显示接口。显示用SPI OLED或并口LCD均可，建议先跑OLED，接线少，排查问题快。

关键配置点：

• ADC1开启两个通道：一个接被测信号，另一个悬空做参考，也可以只开一个通道减少DMA搬运压力
• ADC触发源选Timer 2 Trigger Out，不要选软件触发
• DMA选择Circular模式，数据宽度Half Word，内存地址自增
• 定时器PSC和ARR按第二章表格计算，先跑100kHz采样率，波形比较容易稳定
• OLED用硬件SPI时，时钟分频调到4分频以上，避免SPI速率过高导致花屏

生成代码后，把main函数里的HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buf, ADC_BUF_LEN)放到初始化末尾，采样链路就开始工作了。

3.2 主循环里画波形：先画网格再画曲线

绘制代码要短，因为每帧都要跑。128x64 OLED画网格用固定坐标常量，避免每次重新计算；画波形时把ADC码值映射到屏幕高度：

#define SCREEN_H 64 #define ADC_MAX 4095 int16_t value_to_screen_y(uint16_t adc_val) { /* 映射到屏幕中间20~52像素区域，留出上下边距 */ return (int16_t)(20 + (SCREEN_H - 40) * (1.0f - (float)adc_val / ADC_MAX)); } void draw_waveform(const uint16_t *buf, uint16_t count) { int16_t x0 = 0; int16_t y0 = value_to_screen_y(buf[0]); for (uint16_t i = 1; i < count; i++) { int16_t x1 = i * (128 - 1) / (count - 1); int16_t y1 = value_to_screen_y(buf[i]); oled_draw_line(x0, y0, x1, y1); x0 = x1; y0 = y1; } }

电平映射用浮点运算，实际工程里可以转成整数乘除法，例如20 + (24 * (4095 - val)) / 4096，减少CPU周期占用。画线函数如果逐点设置显存字节，1024次调用会明显拖慢刷新率，多数OLED驱动库的draw_line是Bresenham实现，开销可控。

3.3 双缓冲处理中断标志

中断里设置标志位，主循环查询标志后切换绘制半区：

volatile uint8_t dma_half_flag = 0; volatile uint8_t dma_done_flag = 0; void DMA1_Channel1_IRQHandler(void) { if (DMA1->ISR & DMA_ISR_HTIF1) { dma_half_flag = 1; DMA1->IFCR |= DMA_IFCR_CHTIF1; } if (DMA1->ISR & DMA_ISR_TCIF1) { dma_done_flag = 1; DMA1->IFCR |= DMA_IFCR_CTCIF1; } } void main_loop(void) { while (1) { if (dma_half_flag) { dma_half_flag = 0; draw_waveform((uint16_t*)adc_buf, ADC_BUF_LEN / 2); } if (dma_done_flag) { dma_done_flag = 0; draw_waveform((uint16_t*)adc_buf + ADC_BUF_LEN / 2, ADC_BUF_LEN / 2); } /* 按键扫描、菜单刷新放这里 */ } }

这样采样始终连续，绘制只消费DMA已经填好的半区数据。半传输中断触发时，后半区正在被DMA写入，前半区可以安全读取；完成中断触发时，前半区已经开始新一轮写入，后半区则处于稳态。两个半区交替使用，不存在同时读写同一块内存的问题。

提示：如果绘制耗时超过半区填充时间，波形会出现撕裂。解决办法是降低采样率，或者把绘制函数改成只在屏幕活动区域刷新。

4. 触发对齐、频率测量与C/C++封装

4.1 软件上升沿触发的迟滞处理

没有硬件比较器的简易示波器，只能用软件在缓冲区里找触发点。常见的做法是设定触发电平，扫描缓冲区分界点，找到信号从低于电平变为高于电平的索引，然后从该索引开始绘制固定长度窗口，让波形在屏幕上稳定。

直接比较前后两个点容易在噪声边缘反复触发，给触发电平加迟滞：

uint16_t find_trigger(const uint16_t *buf, uint16_t len, uint16_t level, uint16_t hyst) { uint16_t i; for (i = 1; i < len; i++) { if (buf[i - 1] < level - hyst && buf[i] >= level + hyst) { return i; /* 上升沿越过迟滞带 */ } } return 0; /* 没找到触发点 */ }

触发电平用ADC码值直接比较，不换算成电压，省去浮点运算。迟滞带hyst取level的2%~5%，底噪大的板子取上限。找不到触发时返回0，主循环可保持上一帧画面不动，避免波形乱跳。

4.2 频率测量：输入捕获与FFT选哪个

测量信号频率有两种路线：定时器输入捕获测周期，或者对采样数据做FFT找峰值谱线。

输入捕获的优点是精度高、代码量小，但对占空比过小的信号测不准。实现时让定时器在上升沿捕获计数值，两次捕获差值换算频率：

volatile uint16_t cap_t1, cap_t2; volatile uint8_t cap_count = 0; void TIM3_IRQHandler(void) { if (TIM3->SR & TIM_SR_CC1IF) { uint16_t now = TIM3->CCR1; if (cap_count == 0) { cap_t1 = now; cap_count = 1; } else { cap_t2 = now; cap_count = 0; } TIM3->SR &= ~TIM_SR_CC1IF; } }

两个捕获值做差，信号频率为TIM_CLK / ((PSC+1) * (cap_t2 - cap_t1))。注意cap_t2小于cap_t1的情况要加上计数器溢出值，否则换算结果偏大。

FFT路径适合显示频谱，但1024点FFT在72MHz主频下耗时约1~3ms，而且频率分辨率只有fs/N，在100kHz采样率下分辨率约98Hz，测50Hz市电工频信号根本不够看。结论是：只读数用输入捕获，看谐波结构才用FFT，两者不冲突。

4.3 用C++封装示波器逻辑的边界

工程里用C也能写完整个示波器，但代码规模一大，全局变量满天飞。C++封装能把缓冲区、触发状态、绘制参数收敛成类，模块边界更清晰。从C迁移到C++，注意三点：

第一，中断回调里不要调用成员函数，只置volatile标志位。成员函数可能访问非平凡对象，中断上下文中执行构造、析构、虚函数开销不可控。第二，不要在类构造里启动DMA，初始化顺序在全局对象构造阶段不受控。我一般先声明全局OScope对象，在main里显式调用init()和start()。第三，volatile成员变量改为std::atomic要谨慎，Cortex-M3不支持原子指令，最后还是靠关中断保护。

class OScope { public: enum Edge { RISING, FALLING }; void init(uint32_t sample_rate, uint16_t level); void start(); void stop(); bool getWaveform(uint16_t *out, uint16_t *out_len, Edge edge) { if (!ready_) return false; uint16_t trig_idx = findTrigger(edge); if (trig_idx == 0) return false; *out_len = copyWindow(out, trig_idx); return true; } private: uint16_t buf_[ADC_BUF_LEN]; volatile bool ready_; uint16_t level_; uint16_t triggerIndex(Edge edge); uint16_t copyWindow(uint16_t *out, uint16_t start); };

copyWindow内部用模运算把以触发点为中心的窗口平移到输出数组，实现水平移动时不需要搬动大缓冲区，只改起点索引，绘制和数据处理都基于相对位置。

5. 波形自检小实验：用PWM当信号源验证采样链路

板载定时器PWM输出就是现成的测试信号源。把TIM3_CH1配置为1kHz方波，用杜邦线短接到ADC输入，屏幕上应当出现稳定方波，频率读数1kHz±2%。这段代码放在一个独立测试函数里，平时注释掉：

void selftest_pwm_output(void) { RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN; RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; /* PA6 复用推挽输出 (CNF=10, MODE=11) */ GPIOA->CRL &= ~(0xFUL << 24); GPIOA->CRL |= (0xBUL << 24); TIM3->PSC = 72 - 1; /* 计数频率 1MHz */ TIM3->ARR = 1000 - 1; /* 周期 1ms -> 1kHz */ TIM3->CCMR1 = TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1; /* PWM模式1 */ TIM3->CCR1 = 100; /* 占空比 10% */ TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E; TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN; }

先看波形上沿是否出现毛刺。PWM输出与ADC共地，如果波形前几个点有尖峰，多半是PA6的IO翻转瞬间通过电源耦合到ADC输入，给PA6串一个1k电阻再接ADC可以抑制。再把占空比从10%改到50%，观察电平转换位置是否始终落在触发电平附近，验证触发的水平稳定性。

示波器根因排查的最后一步是软件校准。把ADC输入接地，记录底噪均值；再接到3.3V，记录满量程码值，用两个点做线性校准，之后所有电压读数都过这个函数。这样读数才真实，后续调试信号链时有据可查。

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