内容介绍

2026年寒假在家一起练：OLED数字温度与电压表

2026寒假练 - 基于RP2350实现OLED数字温度与电压表

任务介绍

在本次寒假综合训练中，任务目标是开发一个基于RP2350B核心板的OLED数字温度与电压表。该任务需要实现以下功能：

SPI ADC读取电位器电压，获取实时电压数据。
DS18B20温度传感器读取温度，用于显示实时环境温度。
SPI OLED显示器同时显示数值与条形图，用户可以直观地看到温度与电压的变化。
按键设置温度上限，当温度超过设定上限时，蜂鸣器发出警报，LED灯指示告警状态。
双位七段数码管显示当前工作模式或显示页面，帮助用户快速识别当前操作状态。

项目采用树莓派Pico系列开发板和VSCODE开发环境进行开发，主要通过PIO编程实现硬件接口，解决了硬件接线不匹配的问题。

项目介绍

本项目基于RP2350B核心板，使用树莓派Pico的PIO（可编程输入输出）模块来实现SPI和UART接口的功能。项目包括温度与电压读取、数据处理、显示和警报功能。通过开发定制的C++类封装外设驱动，简化了硬件与软件的交互，并且能够灵活地调整各个模块的功能。

硬件介绍

RP2350B核心板

RP2350B核心板是树莓派Pico系列的一个变种，提供多个I/O接口，适用于嵌入式应用开发。开发过程中主要利用了其SPI、UART、GPIO等接口。

ADS7868 ADC

该模数转换器（ADC）用于通过SPI接口读取电位器的电压值。ADS7868支持8位分辨率输出，通过SPI接口进行数据传输，数据按MSB（最重要位）优先传输。

DS18B20温度传感器

DS18B20是一款单总线温度传感器，可以通过一根数据线与主机通信。项目中使用PIO编程来读取温度数据。

SSD1306 OLED显示器

该OLED显示器使用四线SPI接口，显示温度、电压及条形图。与RP2350B核心板的GPIO接口连接，显示效果清晰直观。

蜂鸣器（Beeper）

蜂鸣器通过PWM控制发出2KHz的方波，达到报警的目的。当温度超过设定的上限时，蜂鸣器启动报警。

双位七段数码管

该数码管用于显示当前工作模式或页面，方便用户查看系统状态。

方案框图和项目设计思路

项目框架设计如图所示，采用SPI接口与多个外设进行数据交互，PIO模块模拟UART与其他模块通信。系统主要分为温度读取、电压读取、数据处理、显示与警报模块。

系统框图

项目设计思路

硬件接口与驱动封装：使用C++编写SPI、UART、GPIO等硬件接口的封装类，简化硬件与软件的交互。
PIO编程：由于硬件接线不匹配，采用树莓派Pico的PIO模块来模拟SPI和UART接口的时序，确保外设与核心板的兼容性。
数据读取与处理：通过SPI读取电位器的电压值，读取DS18B20传感器的温度，实时处理并更新显示。
显示与警报：OLED显示实时数据，当温度超过上限时，蜂鸣器和LED进行警报，提醒用户。

调试软件及编程语言说明

编程语言

本项目主要使用C++语言进行开发，利用树莓派Pico的官方SDK进行硬件控制。通过PIO模块编写硬件接口的时序控制，完成对外设的操作。

调试软件

使用VSCODE作为开发环境，通过插件Raspberry Pi Pico支持C/C++编程和调试。调试过程中使用DAP调试器，切换到Debug模式，方便进行代码单步调试。

软件流程图及关键代码介绍

软件流程图

初始化阶段：初始化SPI、GPIO、UART等硬件接口。
数据读取：通过SPI接口读取电位器数据，使用PIO读取DS18B20的温度数据。
数据处理：处理读取到的电压和温度数据，并将其格式化为显示内容。
显示阶段：将处理后的数据实时显示在OLED上。
警报处理：当温度超过设定上限时，启动蜂鸣器发出警报，并点亮LED指示灯。

添加STEP board

在pico sdk中添加小脚丫RP2350B STEP开发板，新建pico2_step.h`，放到目录：

C:\Users\[user]\.pico-sdk\sdk\2.2.0\src\boards\include\boards\pico2_step.h

[user]修改为自己电脑的用户名，修改了：

#define PICO_RP2350A 0 表示使用RP2350B
#define PICO_FLASH_SIZE_BYTES (2 * 1024 * 1024) FLASH大小为2MB

详细内容如下：

/*
 * Copyright (c) 2020 Raspberry Pi (Trading) Ltd.
 *
 * SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
 */

// -----------------------------------------------------
// NOTE: THIS HEADER IS ALSO INCLUDED BY ASSEMBLER SO
//       SHOULD ONLY CONSIST OF PREPROCESSOR DIRECTIVES
// -----------------------------------------------------

// This header may be included by other board headers as "boards/pico2.h"

#ifndef _BOARDS_PICO2_H
#define _BOARDS_PICO2_H

pico_board_cmake_set(PICO_PLATFORM, rp2350)

// For board detection
#define RASPBERRYPI_PICO2

// --- RP2350 VARIANT ---
#define PICO_RP2350A 0

// --- UART ---
#ifndef PICO_DEFAULT_UART
#define PICO_DEFAULT_UART 0
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_UART_TX_PIN
#define PICO_DEFAULT_UART_TX_PIN 0
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_UART_RX_PIN
#define PICO_DEFAULT_UART_RX_PIN 1
#endif

// --- LED ---
#ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN
#define PICO_DEFAULT_LED_PIN 25
#endif
// no PICO_DEFAULT_WS2812_PIN

// --- I2C ---
#ifndef PICO_DEFAULT_I2C
#define PICO_DEFAULT_I2C 0
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_I2C_SDA_PIN
#define PICO_DEFAULT_I2C_SDA_PIN 4
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_I2C_SCL_PIN
#define PICO_DEFAULT_I2C_SCL_PIN 5
#endif

// --- SPI ---
#ifndef PICO_DEFAULT_SPI
#define PICO_DEFAULT_SPI 0
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_SPI_SCK_PIN
#define PICO_DEFAULT_SPI_SCK_PIN 18
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_SPI_TX_PIN
#define PICO_DEFAULT_SPI_TX_PIN 19
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_SPI_RX_PIN
#define PICO_DEFAULT_SPI_RX_PIN 16
#endif
#ifndef PICO_DEFAULT_SPI_CSN_PIN
#define PICO_DEFAULT_SPI_CSN_PIN 17
#endif

// --- FLASH ---

#define PICO_BOOT_STAGE2_CHOOSE_W25Q080 1

#ifndef PICO_FLASH_SPI_CLKDIV
#define PICO_FLASH_SPI_CLKDIV 2
#endif

pico_board_cmake_set_default(PICO_FLASH_SIZE_BYTES, (2 * 1024 * 1024))
#ifndef PICO_FLASH_SIZE_BYTES
#define PICO_FLASH_SIZE_BYTES (2 * 1024 * 1024)
#endif
// Drive high to force power supply into PWM mode (lower ripple on 3V3 at light loads)
#define PICO_SMPS_MODE_PIN 23

// The GPIO Pin used to read VBUS to determine if the device is battery powered.
#ifndef PICO_VBUS_PIN
#define PICO_VBUS_PIN 24
#endif

// The GPIO Pin used to monitor VSYS. Typically you would use this with ADC.
// There is an example in adc/read_vsys in pico-examples.
#ifndef PICO_VSYS_PIN
#define PICO_VSYS_PIN 29
#endif

pico_board_cmake_set_default(PICO_RP2350_A2_SUPPORTED, 1)
#ifndef PICO_RP2350_A2_SUPPORTED
#define PICO_RP2350_A2_SUPPORTED 1
#endif

#endif

修改CMakeLists.txt中的PICO_BOARD变量为pico2_step

set(PICO_BOARD pico2_step CACHE STRING "Board type")

清理缓存，重新编译。

PIO

本次设计几个核心模块采用pio实现。RP2350B有三个独立的PIO模块，每个模块有四个状态机，共享32条指令。由于pio模块和寄存器深度集成，真正需要写的汇编代码非常少。

ADS7868

引脚功能，数据只有SDO输出

时序图，前四个时钟采样，后面8位输出，所以一次传输共计12bit。

实现spi功能只需要两条指令，后面的c-sdk为c语言初始化函数。

.program spi_cpha0
.side_set 1

    out x, 1 side 0 [1]    ; Stall here on empty (sideset proceeds even if
    in pins, 1  side 1 [1] ; instruction stalls, so we stall with SCK low)

% c-sdk {
#include "hardware/gpio.h"
static inline void pio_spi_init(PIO pio, uint sm, uint prog_offs, uint n_bits,
        float clkdiv, bool cpha, bool cpol, uint pin_sck, uint pin_miso) {
    pio_sm_config c = cpha ? spi_cpha1_program_get_default_config(prog_offs) : spi_cpha0_program_get_default_config(prog_offs);
    sm_config_set_in_pins(&c, pin_miso);
    sm_config_set_sideset_pins(&c, pin_sck);
    // Only support MSB-first in this example code (shift to left, auto push/pull, threshold=nbits)
    sm_config_set_out_shift(&c, false, true, n_bits);
    sm_config_set_in_shift(&c, false, true, n_bits);
    sm_config_set_clkdiv(&c, clkdiv);

    // SCK output are low, MISO is input
    pio_sm_set_pins_with_mask(pio, sm, 0, (1u << pin_sck));
    pio_sm_set_pindirs_with_mask(pio, sm, (1u << pin_sck), (1u << pin_sck) | (1u << pin_miso));
    pio_gpio_init(pio, pin_miso);
    pio_gpio_init(pio, pin_sck);

    // The pin muxes can be configured to invert the output (among other things
    // and this is a cheesy way to get CPOL=1
    gpio_set_outover(pin_sck, cpol ? GPIO_OVERRIDE_INVERT : GPIO_OVERRIDE_NORMAL);
    // SPI is synchronous, so bypass input synchroniser to reduce input delay.
    hw_set_bits(&pio->input_sync_bypass, 1u << pin_miso);

    pio_sm_init(pio, sm, prog_offs, &c);
    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);
}

封装为C++ 头文件，使用时直接包含头文件。注意这里初始化pio为12bit

pio_spi_init(_pio, _sm, _offset, 12, 31.25f, false, false, _sclk, _miso);

#pragma once
#include "hardware/pio.h"
#include "ads7868_spi.pio.h"
#include "hardware/clocks.h"
#include "pico/stdlib.h"
#include "uart_tx.hpp"

class ADS7868
{
public:
    ADS7868(uint pin_sclk, uint pin_miso, uint pin_cs);

    void init();
    uint32_t read();
    void pio_info()
    {
        UartTX &tx = UartTX::getInstance();
        tx.println("ADS7868 initialized on PIO:%p, SM:%d, offset:%d", _pio, _sm, _offset);
    }

private:
    PIO _pio;
    uint _sm, _offset;
    uint _sclk, _miso, _cs;
};

ADS7868::ADS7868(uint pin_sclk, uint pin_miso, uint pin_cs)
    : _sclk(pin_sclk), _miso(pin_miso), _cs(pin_cs) {}

void ADS7868::init()
{
    // cs pin
    gpio_init(_cs);
    gpio_put(_cs, 1);
    gpio_set_dir(_cs, GPIO_OUT);

    bool success = pio_claim_free_sm_and_add_program(&spi_cpha0_program, &_pio, &_sm, &_offset);
    hard_assert(success);

    // float div = (float) clock_get_hz(clk_sys) / (12 * 1000 * 1000);
    pio_spi_init(_pio, _sm, _offset, 12, 31.25f, false, false, _sclk, _miso);
}

uint32_t ADS7868::read()
{
    uint32_t dst;

    gpio_put(_cs, 0);

    size_t tx_remain = 1, rx_remain = 1;
    io_rw_32 *txfifo = (io_rw_32 *)&_pio->txf[_sm];
    io_rw_32 *rxfifo = (io_rw_32 *)&_pio->rxf[_sm];
    while (tx_remain || rx_remain)
    {
        if (tx_remain && !pio_sm_is_tx_fifo_full(_pio, _sm))
        {
            *txfifo = 0;
            --tx_remain;
        }
        if (rx_remain && !pio_sm_is_rx_fifo_empty(_pio, _sm))
        {
            dst = *rxfifo;
            --rx_remain;
        }
    }

    sleep_us(1);
    gpio_put(_cs, 1);

    return dst;
}

逻辑分析仪采集的时序图（图中标识标注有误，蓝色的应该为SCLK，紫色的为MISO）

DS18B20

官方SDK有ds18b20 pio模块实现，这里引用自example中的例子。

class onewire
{
private:
    PIO _pio;
    OW _ow;
    static constexpr int kMaxDevices = 10;
    uint64_t _romcode[kMaxDevices];

public:
    onewire(PIO pio, uint dq_pin);
    float read_temperature();
    ~onewire();
};

onewire::onewire(PIO pio, uint dq_pin) : _pio(pio)
{
    uint offset;

    UartTX& tx = UartTX::getInstance();

    if (pio_can_add_program (pio, &onewire_program)) {
        offset = pio_add_program (pio, &onewire_program);

        // claim a state machine and initialise a driver instance
        if (ow_init (&_ow, pio, offset, dq_pin)) {

            // find and display 64-bit device addresses
            int num_devs = ow_romsearch (&_ow, _romcode, kMaxDevices, OW_SEARCH_ROM);

            tx.println("Found %d ds18b20 devices", num_devs);
            for (int i = 0; i < num_devs; i += 1) {
                tx.println("\t%d: 0x%llx", i, _romcode[i]);
            }
        } else {
            tx.println ("could not initialise the driver");
        }
    } else {
        tx.println ("could not add the program");
    }
}

float onewire::read_temperature() 
{
    float temperature = 0.0f;
    // start temperature conversion in parallel on all devices
    // (see ds18b20 datasheet)
    ow_reset (&_ow);
    ow_send (&_ow, OW_SKIP_ROM);
    ow_send (&_ow, DS18B20_CONVERT_T);

    // wait for the conversions to finish
    while (ow_read(&_ow) == 0);

    // read the result from first device
    ow_reset (&_ow);
    ow_send (&_ow, OW_MATCH_ROM);
    for (int b = 0; b < 64; b += 8) {
        ow_send (&_ow, _romcode[0] >> b);
    }
    ow_send (&_ow, DS18B20_READ_SCRATCHPAD);
    int16_t temp = 0;
    temp = ow_read (&_ow) | (ow_read (&_ow) << 8);
    temperature = temp / 16.0f;

    return temperature;
}

SSD1306 SPI OLED

采用四线SPI接口

和RP2350 GPIO连接如下：

#define OLED_PIN_CS     41
#define OLED_PIN_DC     42
#define OLED_PIN_RST    43
#define OLED_PIN_MOSI   44
#define OLED_PIN_SCK    45

Beeper

需要使用2KHz的方波驱动才能发声。BEEPER引脚连接到RP2350 GPIO20，通过PWM模块生成所需的2KHz信号。

class Beeper {
private:
    uint _slice_num, _pin;
public:
    Beeper(uint pin) :
        _pin(pin)
    {
        gpio_set_function(_pin, GPIO_FUNC_PWM);
        _slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(_pin);
        pwm_config config = pwm_get_default_config();
        pwm_config_set_clkdiv(&config, 150.0f); // 设置频率
        config.top = 500; // 设置PWM周期
        pwm_init(_slice_num, &config, true);  // 启动PWM
        pwm_set_chan_level(_slice_num, PWM_CHAN_A, 250); // 50%占空比
    }

    void ctrl(bool on) {
        pwm_set_enabled(_slice_num, on);  // 控制蜂鸣器开关
    }

    ~Beeper() {};
};

功能展示图及说明

实物展示

展示了RP2350B核心板、OLED显示器、温度传感器、蜂鸣器等硬件组件的连接与运行情况。温度、电压及警报状态清晰显示，系统响应快速。

软件调试

在调试过程中，通过VSCODE中的调试工具，成功实现了各个硬件模块的交互，确保了系统的稳定运行。

项目中遇到的难题及解决方法

难题1：硬件接口不匹配

由于RP2350B核心板的硬件接口与外设不完全匹配，导致无法直接使用硬件SPI和UART接口。为了解决这个问题，采用了PIO模块来模拟SPI和UART接口，确保了数据的正确传输。

难题2：蜂鸣器驱动问题

蜂鸣器需要2KHz的方波信号进行驱动，刚开始通过GPIO驱动，发现无法输出声音。查询后才发现必须使用2KHz方波才能驱动，最终通过调整PWM配置和占空比，最终实现了蜂鸣器的正常发声。

心得体会

通过本项目的开发，我深入理解了树莓派Pico的硬件接口及PIO编程的强大功能。虽然面临了一些硬件不匹配和驱动配置的问题，但通过调试和查阅资料，我成功解决了这些问题。通过该项目，我不仅提升了硬件调试的能力，还对嵌入式开发和C++编程有了更深入的理解。