2020年02月14日 | 怎样制作基本的ArduinoPC示波器

将简单的Arduino Uno（以及一些Python代码）转换为粗略的示波器，以查看波形和电压电平。

示波器非常有用，但通常带有很大的价格标签。幸运的是，有一些专用示波器的替代方案，所以在这个项目中，我们将把一个简单的Arduino Uno（以及一些Python代码）转换成可以用来查看波形和电压电平的粗略示波器！

工作原理：Arduino

示波器的硬件/固件端非常简单，并利用内置的模块Arduino，ADC。 ADC代表模拟数字转换器，是一个可以采用模拟电压（0V和5V之间）并将其转换为二进制数的模块。 Arduino有一个10位ADC，这意味着最大电压5V表示为1023（1111111111），最小电压0V表示为0（0000000000）。但是，由于Arduino是一个8位机器，无符号字符的大小为8位（稍后你会看到原因），我们只使用ADC结果中的前8位。这意味着5V现在表示为255，0V表示为0V。由于有256个可能的值，每个位代表5/256伏或0.02V（大约）。因此，0x0F的值表示0.3V，0x80的值表示2.56V，值0x3E表示1.22V。

虽然Arduino默认启用ADC，因此不需要设置代码，但我们仍将模拟引脚配置为输入。我们将用于获取读数的引脚为A0，即引脚编号14.除引脚配置外，我们还将配置UART模块以实现PC通信的快速波特率（115200波特），并初始化一些变量。

主循环中的代码首先从ADC模块中读取100个读数。从ADC读取模拟数据非常简单，可以使用函数analogRead（引脚号）完成，该函数返回一个整数，其中10位ADC结果来自引脚号指定的引脚。在我们的例子中，input0指的是引脚14，它是A0。一旦读取完毕，下一段要执行的代码就是延迟。延迟的大小（以微秒为单位）由timeBase定义，默认为100。尽管是100us延迟，但读数之间的真实间距是延迟的大小加上ADC转换时间（100us），这给出了200us的读取间隔。为简单起见，这个项目将被忽略。

一旦完成所有100个读数，就可以将这些数据发送到PC用于绘图。为确保接收器能够正确区分数据事务，Arduino只会在Arduino发送请求“R？”后接收方发送字母“K”后发送数据。

一次Arduino和PC已经成功地相互交谈，所有的数据都流出来了。但是，UART工作在8位，并且尝试在UART上发送整数将需要复杂的转换，这将使事情变得相当困难。因此，我们只将模拟读数作为单个字节发送，我们使用函数highByte（）来完成。 Arduino中的整数大小为16位，这意味着我们需要取10位结果并将它们向左移动，直到前8位包含我们的数据。为此，我们将数据向左移动六次，这意味着我们丢失了ADC读数的最低2位，但对于我们的基本示波器无关紧要。

使用8位结果发送，最后一项任务是等待计算机的响应通知Arduino结果已被正确读取。 Arduino只是停留在一个循环中，等待串口上的字符“K”。一旦读完，整个循环就会自行重复！

工作原理：Python代码

Python代码以及一些额外的库是什么一个简单的Arduino数据记录器到一个基本的示波器。但是，Python本身无法执行某些任务，如图形例程和串口通信，因此我们需要先获取几个库。幸运的是，如果安装了PIP，安装这些库是轻而易举的。如果你不这样做，请先在这里按照本教程获取点子。安装pip后，打开命令提示符并按顺序输入以下命令（一次一个）：

pip install pyserial

pip install PyGame

一旦成功安装了这两个软件包，我们就可以直接进入我们的图形应用程序！虽然串行包很容易理解，但pygame包有点复杂，所以这里只介绍基础知识。我们Python程序的第一个任务是导入所需的库，它们是pygame（用于生成图形界面），serial（用于Arduino通信）和时间（用于时间延迟）。下一个代码块用于变量声明和初始化，其中包括pygame的布尔值，字符串和颜色。 pygame中使用的颜色是RGB类型，其中三个字节（0-255）表示红色，绿色和/或蓝色的数量。

完成变量定义后，下一个任务是初始化pygame，这是通过调用pygame.init（）来完成的。由于我们计划将文本打印到我们的窗口应用程序，我们还需要初始化字体引擎，这是通过调用pygame.font.init（）来完成的。除了初始化字体引擎之外，我们还将创建一个字体对象，我们将使用它作为渲染字体（将是等宽字体）。 pygame初始化代码的最后一位将是创建一个窗口（大小为700×500）并将窗口的标题设置为“PyScopeUno”。

下一个任务涉及配置串行端口以使用与Arduino相匹配的波特率（在本例中为115200）。还必须选择正确的端口（在我的情况下为“COM8”）并指定超时，以便程序在串行端口循环期间不会挂起。配置串口后，最后一步是打开端口！

完成所有初始化代码后，主程序循环执行，即以while循环的形式，等待直到布尔变量applicationClose等于true。在窗口上单击关闭按钮时，此值设置为true，单击后，串口正常关闭，pygame关闭。

显示我们记录的数据的第一项任务是从Arduino获取串行数据。为此，我们要等到串口中有数据存在。如果此数据等于“R？”，我们将Arduino发送给字符“K”，这导致Arduino将100个字节流式传输到PC。程序等待直到收到所有100个字节，一旦完成，将这些字节传送到数据缓冲区。下一行代码涉及一些有用的基本操作，包括计算平均值和查找最小/最大值。

最后代码块涉及绘制数据，绘制文本和绘制线条，但由于代码的不言自明的特性，不会对此进行深入讨论。我们的示波器程序中的数据不是绘制为单个点，而是作为两个数据点之间的插值线，因为快速变化的信号将显示为散点图，这很难可视化。为此，绘制一条线，其中第一个点是第一个电压电平，而终点是下一个数据值。由于我们获取了100个读数但我们的图形宽度为400像素，因此我们将x坐标乘以4以拉伸图形。这样可以更容易地查看单个读数。

完整的图形化程序如下所示。

在不到15分钟的时间内完成并运行这个项目应该很容易和可行。可能导致最头疼的步骤是安装和运行Python库，因为命令行安装方法有抛出错误，无法找到所需文件或缺少权限的习惯。一旦Arduino加载了代码，它就会自动开始。假设Python程序有效（确保COM端口正确），那么项目应该可以正常工作。