前言

软件介绍

本设计硬件部分首先利用NI Multisim 14.0搭建电路进行仿真调试，然后在Altium Designer 18中绘制本设计的原理图和PCB；软件部分首先采用首先利用TouchGFX 4.21.3构建信号源的GUI界面，然后在STM32CUBEMX6.9.2进行外设的配置，再在Keil5中进行程序的设计和编译，最后用STM32 ST-LINK Utility进行烧录。

一，NI Multisim 14.0介绍

NI Multisim是指一款由National Instruments（NI）公司开发的电子电路仿真软件，广泛应用于模拟和数字电路的仿真、电路实验、设计与课设应用。该软件为电子工程师和学生提供了一个易用且功能丰富的平台，用于设计和测试各种电路。Multisim软件的主要特点包括直观的图形用户界面、广泛的元件库、强大的虚拟仪器库和丰富的分析工具等。下面对此软件的主要模块和作用进行介绍。

（1）用户界面（User Interface）

作用：介绍软件的操作界面，包括工具栏（标准、主工具栏、仿真工具栏等）、弹出菜单、偏好设置（路径、保存选项、元件符号标准等）和设计工具箱（可见性、层次结构）。

关键功能：自定义工具栏布局、设置全局和页面属性（颜色、网格、字体）、锁定工具栏、管理多电路窗口。

（2）原理图绘制基础（Schematic Capture - Basics）

作用：指导用户创建电路图的基本操作，包括放置元件、连线、旋转/翻转元件、添加标签、注释、图形标注等。

关键功能：元件选择与放置（虚拟元件与真实元件的区别）。自动与手动布线、设置线宽和颜色。添加标题块、文字注释、图形元素（线、多边形、图片）。

（3）原理图绘制高级功能（Schematic Capture - Advanced Functions）

作用：深入讲解元件属性管理、表格视图、标题块编辑器、电气规则检查（ERC）。

关键功能：修改元件模型、封装、故障设置。使用表格视图批量编辑网络、元件参数。自定义标题块模板，插入动态字段（如日期、页码）。

（4）大型设计处理（Working with Larger Designs）

作用：支持复杂电路设计，包括分层设计、多页电路、总线、变体管理（Variant）和项目管理。

关键功能：分层模块（Hierarchical Block）和子电路（Subcircuit）的创建与替换。总线连接与命名规则。变体管理（不同配置的电路版本控制）。

（5）元件管理（Components）

作用：管理元件数据库，支持元件分类、搜索、过滤、导出/导入。

关键功能：数据库层级（主库、企业库、用户库）。元件属性编辑（标签、容差、制造商）。合并和更新数据库。

（6）元件编辑（Component Editing）

作用：创建和修改元件符号、模型、封装。

关键功能：使用元件向导创建模拟/数字/VHDL元件。编辑SPICE模型、引脚映射、封装关联。高级建模（如电机、变压器、代码模型）。

（7）仿真（Simulation）

作用：运行电路仿真，支持交互式调试、容差分析、电路向导（如滤波器设计）。

关键功能：仿真控制（启动/暂停/停止）。数字和射频（RF）仿真。收敛性辅助工具、仿真错误日志。

（8）仪器（Instruments）

作用：提供虚拟仪器仪表（万用表、示波器、逻辑分析仪等），用于实时数据采集。

关键功能：连接仪器到电路节点。配置仪器参数（如示波器时基、频谱分析仪范围）。LabVIEW自定义仪器集成。

（9）分析（Analyses）

作用：执行多种电路分析（直流工作点、交流分析、瞬态分析、蒙特卡洛分析等）。

关键功能：设置分析参数（频率范围、温度扫描）。使用后处理器（Postprocessor）自定义输出表达式。结果可视化（Grapher工具）。

（10）传输与通信（Transfer/Communication）

作用：与其他工具（如Ultiboard、MathCAD、Excel）的数据交互。

关键功能：导出PCB布局文件（Forward/Back Annotation）。导入/导出SPICE网表。仿真结果导出为测量文件。

图1.1 NI Multsim软件

二，Altium Designer 18介绍

Altium Designer 是一款功能强大的电子设计自动化（EDA）软件，广泛应用于电子工程师和设计师的电路设计、仿真、PCB布局和制造准备等全流程。以下是对 Altium Designer 各个模块的分类说明。

1. 原理图设计（Schematic Design） 功能：创建电子电路的逻辑表示，将元件符号连接起来形成电路。作用：元件放置：从库中选择并放置元件符号。布线：连接元件引脚，形成电路逻辑。仿真：进行电路仿真，验证设计功能。 注释和文档：添加设计说明、注释和文档信息。
2. PCB布局与设计（PCB Layout & Design） 功能：将原理图设计转换为物理可制造的印制电路板（PCB）。 作用： 元件布局：在PCB上放置元件。 布线：手动或自动布线，确保电气连接。 规则检查：执行设计规则检查（DRC），确保PCB符合制造要求。 3D可视化：提供3D视图，检查元件间距和机械适配性。
3. 数据管理（Data Management） 功能：管理和维护设计数据，确保数据的完整性和版本控制。 作用： 工作区管理：使用Altium 365工作区或企业服务器管理设计数据。 版本控制：跟踪设计变更，管理不同版本的设计。 数据发布：将设计数据发布到工作区，供团队成员使用。
4. 设计复用（Design Reuse） 功能：通过复用已有的设计模块和元件，提高设计效率。 作用： 库管理：创建和管理元件库，确保元件的准确性和一致性。 模板使用：使用预定义的设计模板快速启动新项目。 模块复用：在新设计中复用已有的设计模块。
5.  仿真与分析（Simulation & Analysis） 功能：通过电路仿真验证设计的功能和性能。 作用： 混合信号仿真：支持模拟和数字电路的混合信号仿真。 性能分析：分析电路的频率响应、瞬态响应等性能指标。 故障诊断：通过仿真诊断电路中的潜在问题。
6.  ECAD-MCAD协同设计（ECAD-MCAD Co-Design） 功能：实现电子设计（ECAD）与机械设计（MCAD）的协同工作。 作用： 数据同步：通过Altium CoDesigner插件，同步ECAD和MCAD数据。 机械适配性检查：确保PCB设计与机械外壳的适配性。 团队协作：促进电气和机械工程师之间的协作。
7. 文档生成（Documentation Generation） 功能：生成设计文档，包括原理图、PCB布局图、制造文件等。 作用： 原理图输出：生成原理图的PDF、Gerber等格式文件。 PCB输出：生成PCB的制造文件，如钻孔文件、丝印文件等。 装配文档：生成装配图和制造说明文档。
8. 系统级设计（System-Level Design） 功能：支持多板设计和系统级设计。 作用： 多板管理：管理多个互连的PCB，确保逻辑和物理连接的正确性。 系统验证：验证整个系统的功能和性能。 线束设计：支持线束设计，确保系统内各部件的连接。
9. 供应链管理（Supply Chain Management） 功能：管理设计的供应链，确保元件的可用性和成本控制。 作用： 元件采购：与供应商集成，确保元件的可用性。 成本估算：实时估算设计成本，优化设计以控制成本。 供应链跟踪：跟踪元件的采购和库存状态。

图1.2 Altium Designer软件

二，TouchGFX 4.21.3介绍

TouchGFX框架包含易于使用的拖放式图形构建PC工具TouchGFX Designer (TouchGFXDesigner)以及强大的优化图形处理内核TouchGFX引擎。结合WYSIWYG仿真器和自动代码生成功能，TouchGFX大大简化了GUI开发。TouchGFX Designer可作为独立的软件工具提供，便于快速轻松地进行图形评估和概念验证。TouchGFX框架（包括TouchGFX Designer）包含在STM32Cube MCU软件包中。它完全兼容STM32CubeMX初始化和代码生成工具，便于在统一项目环境中无缝地联合开发图形和主应用程序。以下是对该软件的主要模块和作用的介绍。

（1）TouchGFX Designer（图形界面设计工具）

作用：拖放式 GUI 构建工具，支持快速创建多屏幕界面、动态交互和过渡效果，提供丰富的可定制化部件（如滑动容器、进度条等）。

界面结构设计：多屏幕布局与切换逻辑。

预置部件库：30+ 可配置控件（按钮、图表、图像容器等）。

图形皮肤与主题：内置默认皮肤，支持自定义图形资源。

文本与多语言：统一管理字体、排版，支持多语言翻译（包括复杂脚本如中文、阿拉伯文）。

模拟与预览：WYSIWYG（所见即所得）模拟器实时预览界面效果。

（2）TouchGFX Engine（图形引擎）

作用：优化的图形渲染核心，利用 STM32 硬件加速功能（如 GPU、DMA2D）提升性能。

硬件加速渲染：通过 NeoChrom GPU 支持 2.5D 动画（缩放、旋转、透明度效果）。

低资源占用：针对嵌入式系统优化的内存管理和图形流水线。

跨平台兼容：适配不同 STM32 系列（Cortex-M 内核）。

（3）TouchGFX Generator（代码生成与集成工具）

作用：与 STM32CubeMX 深度集成，自动生成与硬件配置匹配的 C++ 代码。

项目初始化：根据 STM32 硬件配置生成 HAL（硬件抽象层）代码。

代码分离：工具生成代码与用户代码完全隔离，便于维护。

IDE 支持：兼容 IAR、Keil、GCC 等开发环境。

（4）TouchGFX Stock（资源库）

作用：提供免费商用图形资源库，加速界面设计。

主题与图标：预置 UI 主题、背景图、图标包。

开源许可：资源可免费用于 STM32 设备的商业项目。

（5）NeoChrom GPU（硬件加速模块）

作用：专用图形处理单元，提升复杂动画性能。

动画优化：支持高帧率动画（如翻转、缩放）。

能效比提升：减少 CPU 负载，延长嵌入式设备续航。

图1.3 TouchGFX软件

三，STM32CUBEMX6.9.2介绍

STM32CubeMX是一个功能强大的图形化配置工具，主要用于STM32微控制器的配置和初始化C代码生成。它通过提供直观的用户界面和自动化的代码生成功能，大大简化了STM32微控制器的开发过程。以下是该软件的各个模块的详细介绍，包括其分类、作用、主要使用方法。

（1）项目管理模块

作用：管理STM32CubeMX项目，包括创建、保存、加载和迁移项目配置。

主页：提供项目创建、加载和更新的入口。

新项目窗口：允许用户选择MCU或开发板，并进行项目初始化。

项目页面：包含引脚布局和配置、时钟配置、项目管理器等视图，用户可以在此进行详细的配置和代码生成。

主要用途：创建新项目并选择合适的STM32微控制器或开发板。加载和修改已保存的项目配置。将项目配置迁移到其他STM32微控制器。

（2）配置模块

作用：配置STM32微控制器的硬件资源，包括引脚、时钟树、外设和中间件。

引脚布局和配置视图：用于配置引脚分配、外设模式和GPIO设置。

时钟配置视图：用于配置时钟源、预分频器和倍频器。

外设和中间件配置：用于配置外设参数和中间件（如USB、FatFs、LwIP等）。

主要用途：配置引脚功能，解决引脚冲突。配置时钟树，满足应用的时钟需求。配置外设和中间件，生成相应的初始化代码。

（3）代码生成模块

作用：根据用户配置生成初始化C代码，支持多种开发环境。

项目管理器视图：用于配置项目设置，如工具链选择、代码生成选项等。

代码生成器：生成初始化C代码，支持HAL和LL驱动程序。

自定义代码模板：允许用户通过FreeMarker模板生成自定义代码。

主要用途：生成适用于不同开发环境的初始化C代码。支持HAL和LL驱动程序的代码生成。通过自定义模板生成特定的代码片段。

（4）功耗计算模块

作用：估算应用的功耗和电池寿命。

功耗计算器视图：用户可以定义功耗序列，估算平均功耗、电池寿命等。

功耗序列管理：保存、加载和比较不同的功耗序列。

主要用途：优化应用的功耗设计。估算电池寿命，帮助设计低功耗应用。

（5）更新与管理模块

作用：管理软件更新和嵌入式软件包。

更新程序设置：配置自动或手动更新，设置代理服务器。

嵌入式软件包管理器：安装、更新和删除嵌入式软件包。

主要用途：保持STM32CubeMX和嵌入式软件包的最新状态。管理第三方软件包，扩展项目功能

图1.4 STM32CubeMX软件

四，Keil MDK 5介绍

Keil是一个功能强大的集成开发环境（IDE），主要用于基于ARM微控制器（MCU）的嵌入式系统开发。它提供了全面的工具链，包括编辑器、编译器、调试器和仿真器，以支持嵌入式应用的开发。以下是对该软件主要模块和作用的介绍。

（1）开发工具链

μVision IDE：提供了一个直观的用户界面，用于编写、编译和调试代码。它支持多种编程语言，包括C、C++和汇编语言。

ARM Compiler：编译器负责将高级语言代码转换为机器代码。Keil支持多种编译器，包括免费的ARM Compiler 5和商业版的ARM Compiler 6。

调试器和仿真器：支持硬件调试和仿真，允许开发者在实际硬件或模拟环境中测试和调试代码。

（2）开发工具组件

Keil MDK（Microcontroller Development Kit）：这是一个完整的开发工具包，包含了μVision IDE、编译器、调试器和仿真器。MDK支持多种ARM Cortex-M处理器。

Keil RL-ARM：实时操作系统（RTOS）组件，提供任务调度、中断处理和资源管理等功能。

Keil RTX：另一个实时操作系统，适用于需要高性能和低延迟的应用。

KeilPack：提供设备支持包，包括启动代码、外设驱动和示例项目，帮助开发者快速开始开发。

其他工具：

Keil ARM Development Studio：一个高级开发工具，提供更强大的调试和性能分析功能。

Keil IP Explorer：帮助开发者探索和集成Arm IP（知识产权）到他们的项目中。

（3）主要使用方法

项目创建：在μVision IDE中创建新项目，选择目标微控制器和工具链。

代码编写：使用内置的代码编辑器编写源代码，支持语法高亮和代码补全。

编译和链接：使用ARM Compiler编译源代码，生成可执行文件。

调试和仿真：通过调试器和仿真器在硬件或模拟环境中测试和调试代码。

项目管理：使用IDE的项目管理功能组织和管理项目文件。

（4）主要部件

μVision IDE：提供用户界面和项目管理功能。

ARM Compiler：将源代码转换为机器代码。

调试器和仿真器：用于代码调试和硬件仿真。

设备支持包（KeilPack）：提供微控制器的启动代码和外设驱动。

（5）主要用途

嵌入式系统开发：适用于基于ARM Cortex-M处理器的微控制器开发。

实时操作系统（RTOS）开发：支持RL-ARM和RTX等RTOS的开发。

代码调试和仿真：提供强大的调试和仿真功能，帮助开发者测试和优化代码。

项目管理：帮助开发者组织和管理复杂的嵌入式项目。

图1.5 Keil MDK软件

附上所用软件官网链接，很多知识可以在官网中进行学习

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STM32Cube下载

Arm官网

Multsim官网下载