基于Arduino構(gòu)建的4通道實時示波器

示波器是任何電子工程師或制造商的工作臺上最重要的工具之一。它主要用于查看波形并確定施加在其輸入端的信號的電壓電平、頻率、噪聲和其他參數(shù)，這些參數(shù)可能會隨時間變化。嵌入式軟件開發(fā)人員還使用它進行代碼調(diào)試，技術(shù)人員使用它在維修期間對電子設備進行故障排除。這些原因使示波器成為任何工程師的必備工具。唯一的問題是它們可能非常昂貴，以最低精度執(zhí)行最基本功能的示波器可能高達 45 至 100 美元，而更先進和更高效的示波器的成本超過 150 美元。今天，我將演示如何使用Arduino和一款軟件，該軟件將使用我最喜歡的編程語言Python開發(fā)，以構(gòu)建低成本的4通道Arduino示波器，該示波器能夠執(zhí)行部署一些廉價示波器的任務，例如顯示波形和確定信號的電壓電平。

工作原理

這個項目有兩個部分;

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

繪圖儀

示波器通常涉及施加到其輸入通道的模擬信號的視覺表示。為此，我們需要首先將信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，然后繪制數(shù)據(jù)。對于轉(zhuǎn)換，我們將利用Arduino使用的atmega328p微控制器上的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將信號輸入的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換后，每次的值通過UART從Arduino發(fā)送到PC，在那里，將使用python開發(fā)的繪圖儀軟件將通過繪制每個數(shù)據(jù)與時間的關(guān)系將傳入的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為波形。

必需組件

生成此項目需要以下組件;

Arduino Uno（可以使用任何其他板）

面包板

10k 電阻器 （1）

LDR （1）

跳線

所需軟件

Arduino IDE

蟒

Python 庫：Pyserial、Matplotlib、Drawnow

圖表

Arduino示波器的原理圖很簡單。我們需要做的就是將要檢查的信號連接到Arduino的指定模擬引腳。但是，我們將在簡單的分壓器設置中使用LDR來生成要檢查的信號，以便生成的波形將根據(jù)LDR周圍的光強度描述電壓電平。

按照下面的原理圖連接組件;

連接后，設置應如下圖所示。

完成所有連接后，我們可以繼續(xù)編寫代碼。

ArduinoOsclloscopeCode

我們將為這兩個部分中的每一個編寫代碼。對于前面提到的繪圖儀，我們將編寫一個python腳本，通過UART和Plots接受來自Arduino的數(shù)據(jù)，而對于轉(zhuǎn)換器，我們將編寫一個Arduino草圖，該草圖從ADC接收數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為發(fā)送到繪圖儀的電壓電平。

Python（繪圖儀）腳本

由于 python 代碼更復雜，我們將從它開始。

我們將使用幾個庫，包括;drawnow，Matplotlib和Pyserial使用前面提到的python腳本。Pyserial 允許我們創(chuàng)建一個可以通過串行端口進行通信的 python 腳本，Matplotlib 使我們能夠從通過串行端口接收的數(shù)據(jù)生成繪圖，drawnow 為我們提供了一種實時更新繪圖的方法。

有幾種方法可以在您的 PC 上安裝這些軟件包，最簡單的是通過pip。Pip 可以通過命令行安裝在 Windows 或 Linux 機器上。PIP 與 python3 打包在一起，所以我建議您安裝 python3 并選中有關(guān)將 python 添加到路徑的框。如果您在安裝 pip 時遇到問題，請查看 Python 官方網(wǎng)站以獲取提示。

安裝 pip 后，我們現(xiàn)在可以安裝所需的其他庫。

打開Windows用戶的命令提示符，Linux用戶的終端，然后輸入以下內(nèi)容;

pip install pyserial

完成此操作后，請使用以下命令安裝 matplotlib;

pip install matplotlib

Drawnow 有時與 matplotlib 一起安裝，但可以肯定的是，運行;

pip install drawnow

安裝完成后，我們現(xiàn)在可以編寫 python 腳本了。

我們首先導入代碼所需的所有庫;

import time import matplotlib.pyplot as plt from drawnow import *

import pyserial

接下來，我們創(chuàng)建并初始化將在代碼期間使用的變量。數(shù)組 val 將用于存儲從串行端口接收的數(shù)據(jù)，cnt 將用于計數(shù)。每 50 個數(shù)據(jù)計數(shù)后，位置 0 處的數(shù)據(jù)將被刪除。這樣做是為了保持示波器上顯示的數(shù)據(jù)。

val = [ ] cnt = 0

接下來，我們創(chuàng)建串行端口對象，Arduino 將通過該對象與我們的 python 腳本進行通信。確保下面指定的 COM 端口與 Arduino 板與 IDE 通信的 COM 端口相同。上面使用的115200波特率用于確保與Arduino的高速通信。為防止錯誤，還必須啟用 Arduino 串行端口才能與此波特率通信。

port = serial.Serial('COM4', 115200, timeout=0.5)

接下來，我們使用;

plt.ion()

我們需要創(chuàng)建一個函數(shù)來從收到的數(shù)據(jù)生成繪圖，創(chuàng)建我們期望的上限和最小限制，在這種情況下，基于 Arduino's ADC 的分辨率為 1023。我們還設置了標題，標記了每個軸并添加了圖例，以便于識別情節(jié)。

#create the figure function def makeFig(): plt.ylim(-1023,1023) plt.title('Osciloscope') plt.grid(True) plt.ylabel('ADC outputs') plt.plot(val, 'ro-', label='Channel 0') plt.legend(loc='lower right')

完成此操作后，我們現(xiàn)在準備編寫主循環(huán)，該循環(huán)在可用時從串行端口獲取數(shù)據(jù)并繪制它。為了與Arduino同步，python腳本將握手數(shù)據(jù)發(fā)送到Arduino，以指示其準備讀取數(shù)據(jù)。當Arduino收到握手數(shù)據(jù)時，它會回復來自ADC的數(shù)據(jù)。沒有這種握手，我們將無法實時繪制數(shù)據(jù)。

while (True):

port.write(b's') #handshake with Arduino

if (port.inWaiting()):# if the arduino replies

value = port.readline()# read the reply

print(value)#print so we can monitor it

number = int(value) #convert received data to integer

print('Channel 0: {0}'.format(number))

# Sleep for half a second.

time.sleep(0.01)

val.append(int(number))

drawnow(makeFig)#update plot to reflect new data input

plt.pause(.000001)

cnt = cnt+1

if(cnt>50):

val.pop(0)#keep the plot fresh by deleting the data at position 0

Arduino 代碼

第二個代碼是Arduino草圖，用于從ADC獲取表示信號的數(shù)據(jù)，然后等待從繪圖儀軟件接收握手信號。一旦收到握手信號，它就會通過UART將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到繪圖儀軟件。

我們首先聲明將應用信號的Arduino模擬引腳的引腳。

int sensorpin = A0;

接下來，我們初始化并開始波特率為 115200 的串行通信

void setup() {

// initialize serial communication at 115200 bits per second to match that of the python script:

Serial.begin(115200);

}

最后，voidloop（） 函數(shù)處理數(shù)據(jù)的讀取，并通過串行將數(shù)據(jù)發(fā)送到繪圖儀。

void loop() {

// read the input on analog pin 0:

float sensorValue = analogRead(sensorpin);

byte data = Serial.read();

if (data == 's')

{

Serial.println(sensorValue);

delay(10); // delay in between reads for stability

}

}

完整的 Arduino 示波器代碼在下面以及本文末尾給出，如下所示。

int sensorpin = A0;

void setup() {

// initialize serial communication at 115200 bits per second to match that of the python script:

Serial.begin(115200);

}

void loop() {

// read the input on analog pin 0:########################################################

float sensorValue = analogRead(sensorpin);

byte data = Serial.read();

if (data == 's')

{

Serial.println(sensorValue);

delay(10); // delay in between reads for stability

}

}

Arduino 示波器的實際應用

將代碼上傳到Arduino設置并運行python腳本。您應該看到數(shù)據(jù)開始通過python命令行流入，并且繪圖隨光強度而變化，如下圖所示。

Python Code:





import time

import matplotlib.pyplot as plt

from drawnow import *

import serial

val = [ ]

cnt = 0

#create the serial port object

port = serial.Serial('COM4', 115200, timeout=0.5)

plt.ion()


#create the figure function

def makeFig():

plt.ylim(-1023,1023)

plt.title('Osciloscope')

plt.grid(True)

plt.ylabel('data')

plt.plot(val, 'ro-', label='Channel 0')

plt.legend(loc='lower right')


while (True):

port.write(b's') #handshake with Arduino

if (port.inWaiting()):# if the arduino replies

value = port.readline()# read the reply

print(value)#print so we can monitor it

number = int(value) #convert received data to integer

print('Channel 0: {0}'.format(number))

# Sleep for half a second.

time.sleep(0.01)

val.append(int(number))

drawnow(makeFig)#update plot to reflect new data input

plt.pause(.000001)

cnt = cnt+1

if(cnt>50):

val.pop(0)#keep the plot fresh by deleting the data at position 0





Arduino Code:


int sensorpin = A0;

void setup() {

// initialize serial communication at 115200 bits per second to match that of the python script:

Serial.begin(115200);

}

void loop() {

// read the input on analog pin 0:########################################################

float sensorValue = analogRead(sensorpin);

byte data = Serial.read();

if (data == 's')

{

Serial.println(sensorValue);

delay(10); // delay in between reads for stability

}

}