2025寒假练 - 用RP2040实现模拟示波器

内容介绍

项目报告：基于RP2040的简易示波器设计

一、项目介绍

本项目基于RP2040微控制器设计了一款简易数字示波器，能够实时采集并显示两路模拟信号波形。通过ADC采样和SPI显示屏驱动，实现了信号电压的实时可视化，支持通道切换、波形参数显示（最大值、最小值）以及动态网格校准功能。项目代码采用MicroPython开发，结合硬件电路和软件算法，展示了嵌入式系统中数据采集与图形化显示的基本原理。

二、硬件介绍

1. RP2040：主控芯片，负责ADC采样、数据处理、屏幕驱动及用户交互。

使用GPIO26和GPIO27作为两路ADC输入通道。

通过SPI接口驱动ST7789显示屏。

2. ST7789显示屏：240x240分辨率彩色LCD，用于实时显示波形、网格及参数。

3. 面包板：用于连接RP2040、显示屏及外部信号输入电路。

4. ESP32方波生成器：作为外部信号源，生成测试波形（如方波、正弦波），用于验证示波器功能。

5. 按键模块：5个物理按键（M/S/L/PRESS/R），用于切换通道、清屏等交互操作。

三、方案框图和项目设计思路介绍

方案框图

设计思路：

多任务并行处理

任务1：ADC周期性采样

实现逻辑：使用RP2040的硬件定时器触发ADC采样，频率可配置（如1kHz10kHz）。

数据缓存：采用环形队列（array.array）存储最近N个采样点，实现实时数据流管理。

任务2：屏幕显示线程

波形绘制：基于st7789库，将ADC数据映射为屏幕坐标，通过线性插值绘制连续波形（红色为CH1，蓝色为CH2）。

参数显示：在屏幕底部区域实时更新最大值、最小值和采样频率（例如：“CH1: max=3.1V, min=0.2V”）。

任务3：用户输入响应

按键中断处理：通过Pin.irq实现按键事件捕获，触发通道切换或功能菜单。

波轮开关解析：读取旋转编码器的脉冲信号，调整时间轴缩放比例（例如：每格50ms→100ms）。

四、软件流程图及关键代码介绍

1. 初始化与显示驱动

# 初始化SPI和显示屏  
spi0 = SPI(0, baudrate=60000000, phase=1, polarity=1, sck=Pin(2), mosi=Pin(3))  
display = st7789.ST7789(spi0, 240, 240, reset=Pin(0), dc=Pin(1))  
display.fill(st7789.BLACK)  
display.text(font2, "OscilloScope", 20, 5)

通过高速SPI驱动显示屏，初始化后显示标题和网格。

2. ADC采样与数据处理

class adc_ch:  
    def __init__(self, pin_index, buff_size, sample_freq):  
        self.ch = ADC(Pin(pin_index))  
        self.buff = array.array('H', [0] * buff_size)  
        self.timer = Timer()  
        # ... 省略采样回调函数和数据滤波逻辑  
    def start_sample(self, start_index=0, count=SAMP_BUFF_SIZE):  
        # 定时器触发ADC采样，数据存入环形缓冲区

adc_ch类封装了ADC通道的配置、定时采样、数据滤波（滑动平均）及电压转换功能。

3. 波形绘制与交互

def draw_waveform(data1, data2, data_len, show_step=1, old_data=None):  
    # 根据电压值映射屏幕坐标，动态擦除旧波形并绘制新波形  
    display.line(x_prev, y_prev, x_current, y_current, color)

通过线性插值绘制波形，支持双通道显示（红色为CH1，蓝色为CH2）。

按钮触发通道开关逻辑（见buttonM和buttonS的中断处理）。

五、功能展示图及说明

面包板接线

Rp2040显示屏

整体电路

功能说明详见视频。

六、项目中遇到的难题与解决方法

1. 实时采样与显示同步

问题：高采样频率下，数据处理和显示刷新导致卡顿。

解决：采用环形缓冲区管理采样数据，异步定时器触发采样，主循环仅处理显示逻辑。

2. 波形抖动与噪声

问题：ADC采样存在噪声，波形抖动明显。

解决：在data_filter方法中实现滑动平均滤波（窗口大小=3），平滑波形。

3. 屏幕刷新效率

问题：全屏刷新导致闪烁。

解决：动态擦除旧波形（绘制黑色覆盖），仅更新变化区域，提升流畅度。

七、心得体会

实践与理论的结合

通过本次活动，深刻体会到嵌入式开发中理论与实践紧密结合的重要性。例如，ADC采样频率的计算、SPI通信的时序配置等理论知识，需通过实际调试才能验证其正确性。

收获：学会了如何将数据手册中的参数转化为实际代码配置，提升了问题分析与解决能力。

耐心与细节决定成败

项目中许多问题源于微小细节，如未接地的信号线导致ADC噪声、SPI相位配置错误导致花屏。需反复验证每一步操作，耐心排查问题。

收获：培养了细致严谨的工程思维，增强了抗压能力。

八、意见与建议

活动前期准备

理论培训：建议增加RP2040外设（如ADC、SPI）的专题培训，辅以实际案例（如“如何配置5kHz采样率”），降低上手门槛。

硬件清单标准化：提供明确的硬件连接图及推荐元件（如滤波电容、屏蔽线），减少因硬件问题导致的调试时间浪费。

开发工具支持

统一开发环境：提前为项目配置一致的MicroPython固件版本和IDE（如Thonny），避免兼容性问题。

调试工具共享：提供逻辑分析仪、示波器等工具，帮助团队快速定位通信或信号问题。

功能扩展引导

开放课题建议：在完成基础示波器功能后，提供扩展方向（如“实现频率测量”“增加FFT频谱显示”），鼓励创新探索。

参考案例分享：展示类似项目的优秀实现（如开源示波器设计），激发灵感并降低重复造轮子的成本。

活动后期总结

成果展示与评审：组织团队答辩或成果展示，邀请导师点评，促进经验共享和技术交流。

反馈收集：通过匿名问卷收集参与者对活动流程、内容难度的反馈，持续优化活动设计。