基于STEP Pico的嵌入式系统制作一个电压表

内容介绍

1. 项目需求 1.1. 具体要求

利用板上的电位计调节电压从0-3.3V之间变化，在OLED显示屏上显示电压值，可以以数字的方式，也可以以图形的方式来显示。

1.2. 实现方式

调节电位计产生0-3.3V之间变化的电压，树莓派Pico内部的ADC对该电压进行采集，得到0-4095之间的数值，经过计算以后对应到相应的电压值，再通过OLED显示屏显示出来。

2. 环境部署 2.1. 烧录固件

1. 点击https://micropython.org/download/rp2-pico/rp2-pico-latest.uf2 链接下载UF2文件；

如果连接失效，可以进入

https://www.raspberrypi.org/documentation/rp2040/getting-started/#getting-started-with-micropython官网下载。

2. 按住BOOTSEL键不放，将Pico插入电脑的USB串口，电脑上会弹出一个新的U盘文件夹，把刚刚下载的UF2文件拖拽到文件夹中，树莓派 PICO将会自动重启，此时，固件烧录完成。

2.2. 安装IDE（Thonny IDE）

1. 进入软件官网 https://thonny.org/下载软件，最好下载最新版的，否则可能不支持树莓派 PICO；

2. 安装Thonny，安装完成后打开Thonny软件，打开工具->设置-> 解释器，选择MicroPython(Raspberry Pi Pico)解释器，并在串口处选择树莓派PICO的串口号（如果板子已经连接在电脑上，软件一般会自动检测串口号）。

3. 重启软件，可以看到软件左下方显示了树莓派PICO中的文件；如果没有显示左侧文件树的话可以勾选视图->文件。

3. 设计思路 3.1. 硬件介绍

Raspberry Pi Pico 是一款低成本的微控制器。它可以像任何其他微控制器一样用于控制其他电子模块和传感器。Pico 不是 Linux 单板计算机，而是像 Arduino 一样的微控制器。因为，它是一个微控制器，它没有计算机带来的所有开销，因此消耗的电流要少得多。实际上它更像 Arduino 而不是 Raspberry Pi。Pico 不是 Raspberry Pi Zero 的竞争对手，它实际上可以与常规 Pi 配合使用。

硬禾学堂为“暑期一起练”制作了一个平台，这平台正是我视频中演示用到的板子。

Fr4bJoOd0UUlyxLAQOrlCzbWTp9d

板卡上的硬件包括：

2个按键输入
4个单色LED
12个WS2812B RGB三色灯
1个姿态传感器
1个128*64 OLED显示屏
1个蜂鸣器
1个可调电位计（用于电压表）
1路音频信号输入（用于示波器）
8位R-2R电阻网络构成的DAC（用于DDS信号发生器）

3.2. 硬件框图

本次设计主要用到的器件是可调电位器，用于采集电压；一个led，用于指示采集过程；另外一个是0.96寸OLED，用于显示采集的电压数。

FpWJ7C46Y9ftgxtMawOE8QdoVt0J

3.3. 软件流程图

软件流程图如下所示。首先会进行这次设计采用需要的硬件初始化，主要包括ADC和OLED。初始化结束之后会进行ADC的采集，经过计算，得出实际的电压。然后通过OLED的驱动函数，将实际电压显示出来，最后LED闪烁一次表示一次转换完成。然后会重复进行采集过程。

FmhYCg-We0pGCrIqMU2-BjJpUdhA

总体软件结构图：

FhRcwNh9-K9WmSepJtNys3iblrxW

4. 设计代码 4.1. 板载资源声明

为了能够便于后续的开发，首先对应step pico的引脚电路图，对pico的引脚进行了定义。在后续的开发当中，可以直接引入这个文件，利用有意义的名字操作引脚，而不再是数字。

FmtmIhaSHOfRy4SwAExWKdZDSRLh

以下代码作为一个单独文件存为board.py。

class pin_cfg:

    yellow_led = 20

    blue_led = 21

    green_led = 22

    red_led = 26

    

    buzzer = 19

    mic = 27

    

    i2c0_scl = 17

    i2c0_sda = 16

    

    i2c1_scl = 15

    i2c1_sda = 14




    spi1_mosi = 11

    spi1_sck = 10

    spi1_dc = 9

    spi1_rstn = 8

    spi1_cs = 29




    adc0 = 26

    adc1 = 27




    k1 = 12

    k2 = 13




pot = 28

4.2. OLED驱动

OLED，即有机发光二极管( Organic Light Emitting Diode )。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

FtWesRfqWByfpxKzY_30ESIgcj3w

本文采用的是7针的0.96寸OLED显示进行讲解，采用的是SPI协议，速度会比采用I2C协议的更快，但这两者的显示驱动都一样，本质上没有太大差别。屏幕整体分辨率为128*64，有黄蓝、白、蓝三种颜色可选，驱动芯片为SSD1306，下面是引脚功能介绍。

Fo4qqmwS1NDehCDPFA7SOrUJHF4o

micropython官方发布了ssd1306的驱动库，保存为ssd1306.py。使用方法如下：

首先是初始化配置：

  def __init__(self, width, height, external_vcc):

        self.width = width

        self.height = height

        self.external_vcc = external_vcc

        self.pages = self.height // 8

        # Note the subclass must initialize self.framebuf to a framebuffer.

        # This is necessary because the underlying data buffer is different

        # between I2C and SPI implementations (I2C needs an extra byte).

        self.poweron()

        self.init_display()

OLED断电：

    def poweroff(self):

        self.write_cmd(SET_DISP | 0x00)

OLED显示：

    def show(self):

        x0 = 0

        x1 = self.width - 1

        if self.width == 64:

            # displays with width of 64 pixels are shifted by 32

            x0 += 32

            x1 += 32

        self.write_cmd(SET_COL_ADDR)

        self.write_cmd(x0)

        self.write_cmd(x1)

        self.write_cmd(SET_PAGE_ADDR)

        self.write_cmd(0)

        self.write_cmd(self.pages - 1)

        self.write_framebuf()

OLED填充：

    def fill(self, col):

        self.framebuf.fill(col)

OLED写字：

    def text(self, string, x, y, col=1):

        self.framebuf.text(string, x, y, col)

4.3. ADC介绍

AD转换就是模数转换，就是把模拟信号转换成数字信号。D/A转换是把数字量转变成模拟的器件。模拟信号只有通过A/D转化为数字信号后才能用软件进行处理，这一切都是通过A/D转换器（ADC）来实现的。与模数转换相对应的是数模转换，数模转换是模数转换的逆过程。

确定转换的计算比例：

conversion_voltage = 3.3/65535

采集ADC的值并计算：

 Voltage = round(pot.read_u16()*conversion_voltage,1)

4.4. 主程序

主程序主要就是按照主程序流程图进行相关的编码。由于进行了模块化的设计，主程序编写起来就非常的方便，简洁易懂。

from board import pin_cfg
import time
import utime
from machine import Pin,ADC,PWM,SPI
from ssd1306 import SSD1306_SPI
import framebuf

spi = SPI(1, 100000, mosi=Pin(pin_cfg.spi1_mosi), sck=Pin(pin_cfg.spi1_sck))
oled = SSD1306_SPI(128, 64, spi, Pin(pin_cfg.spi1_dc),Pin(pin_cfg.spi1_rstn), Pin(pin_cfg.spi1_cs))
pot = ADC(Pin(pin_cfg.pot))
conversion_voltage = 3.3/65535

while True:
    Voltage = round(pot.read_u16()*conversion_voltage,1)
    
    oled.fill(0)
    
    oled.text("Voltage",40,0);
    oled.text("    ",50,30);
    oled.text(str(Voltage)+'V',50,30);
    oled.show()

    r = Pin(pin_cfg.red_led, Pin.OUT)
    r.on()
    time.sleep(1)
    r.off()
    time.sleep(1)

FmO5ndCaeXxY6-npezSNkexNBW0t

1, 引入必要的包；

2, 进行SPI初始化，OLED初始化；

3, ADC采集，获得电压；

4, 将电压显示在OLED上

5, LED闪烁指示一次转换完成。

5. 实际效果

FnFG2bnKWQRKzjIz0laSnXLT4lts

FgQe2iWjkimQwm7ViTYl-j74oYW9

6. 总结

在当下的大学生学习生活中，往往是重理论而轻实践。书本上的知识学了一大顿，最后真正实操起来发现还是什么都不会。非常幸运能参加这次寒假一起练的活动，锻炼了自己的python编码能力，还有硬件实操能力。树莓派pico板子上还有非常多的资源，计划在之后的学习中将课程能够仔细再学一遍，熟练掌握各种资源的操作。

再进一步，要锻炼自己的硬件设计能力。设计出自己的硬件系统并进行编码，这样就能拥有一个比较复杂的系统，而不是简单的例程。

Micropython的编程比起C/C++要简单的很多，而pico也提供了C方面完整支持。后续的学习中也会去体验一下C语言对pico进行开发。