基于樹莓派的示波器項目

大家好，歡迎來到今天的帖子。成為創(chuàng)客最迷人的事情之一是知道如何開發(fā)臨時工具，當(dāng)您擁有這種多功能性時，您將永遠(yuǎn)不會陷入任何項目的工作。所以今天，我將分享如何構(gòu)建電氣/電子工程中最重要的工具之一的基于Raspberry Pi的臨時版本;示波器。

示波器是一種電子測試儀器，可以可視化和觀察變化的信號電壓，通常作為二維圖，其中一個或多個信號與時間的關(guān)系圖。今天的項目將尋求使用Raspberry Pi和模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊復(fù)制示波器的信號可視化功能。

項目流程：

使用 Raspberry Pi 復(fù)制示波器的信號可視化將需要以下步驟;

1. 執(zhí)行輸入信號的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換

2. 準(zhǔn)備結(jié)果數(shù)據(jù)以進行表示

3. 在實時圖上繪制數(shù)據(jù)

該項目的簡化框圖如下圖所示。

項目要求

該項目的要求可分為兩類：

硬件要求

軟件要求

硬件要求

要構(gòu)建此項目，需要以下組件/部件;

樹莓派 2（或任何其他型號）

8 或 16GB SD 卡

局域網(wǎng)/以太網(wǎng)電纜

電源或 USB 數(shù)據(jù)線

ADS1115 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

LDR（可選，用于測試）

10k 或 1k 電阻

跳線

面包板

監(jiān)視器或任何其他查看 pi 桌面的方式（包括 VNC）

軟件要求

該項目的軟件要求基本上是用于數(shù)據(jù)可視化的python模塊（matplotlib和drawnow）和用于與ADS1115 ADC芯片接口的Adafruit模塊。在我們繼續(xù)時，我將展示如何在樹莓派上安裝這些模塊。

雖然本教程無論使用哪種樹莓派操作系統(tǒng)都可以工作，但我將使用樹莓派拉伸操作系統(tǒng)，我假設(shè)您熟悉使用 Raspbian 拉伸操作系統(tǒng)設(shè)置 Raspberry Pi，并且您知道如何使用 putty 等終端軟件 SSH 進入樹莓派。如果您對此有任何問題，本網(wǎng)站上有大量的樹莓派教程可以提供幫助。

所有硬件組件就緒后，讓我們創(chuàng)建原理圖并將組件連接在一起。

電路圖：

為了將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為可以使用Raspberry Pi可視化的數(shù)字信號，我們將使用ADS1115 ADC芯片。該芯片變得很重要，因為Raspberry Pi與Arduino和大多數(shù)微控制器不同，沒有板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。雖然我們可以使用任何兼容樹莓派的ADC芯片，但我更喜歡這款芯片，因為它的高分辨率（16位）和Adafruit的有據(jù)可查的數(shù)據(jù)表和使用說明。您還可以查看我們的樹莓派ADC教程以了解更多信息。

ADC是基于I2C的器件，應(yīng)連接到樹莓派，如下圖所示。

為清楚起見，下面還介紹了兩個元件之間的引腳連接。

ADS1115 和樹莓派連接：

VDD – 3.3V

接地 – 接地

SDA – SDA

標(biāo)準(zhǔn)及校正實驗所 – 標(biāo)準(zhǔn)及校正實驗所

完成所有連接后，啟動您的 pi 并繼續(xù)安裝下面提到的依賴項。

安裝樹莓派示波器的依賴項：

在我們開始編寫 python 腳本以從 ADC 中提取數(shù)據(jù)并將其繪制在實時圖形上之前，我們需要啟用樹莓派的I2C 通信接口并安裝前面提到的軟件要求。這將在以下步驟中完成，以便于遵循：

第 1 步：啟用樹莓派 I2C 接口

要啟用 I2C，請從終端運行;

sudo raspi-config

當(dāng)配置面板打開時，選擇接口選項，選擇 I2C，然后單擊啟用。

第 2 步：更新樹莓派

在開始任何項目之前，我要做的第一件事就是更新 Pi。通過這個，我確信操作系統(tǒng)上的每件事都是最新的，我不會遇到與我選擇在 Pi 上安裝的任何最新軟件的兼容性問題。為此，請運行以下兩個命令：

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade

第 3 步：為 ADC 安裝 Adafruit ADS1115 庫

更新完成后，我們現(xiàn)在準(zhǔn)備從 ADS115 芯片的 Adafruit python 模塊開始安裝依賴項。通過運行確保您位于樹莓派主目錄中;

cd ~

然后通過運行安裝構(gòu)建要素;

sudo apt-get install build-essential python-dev python-smbus git

接下來，通過運行克隆庫的 Adafruit git 文件夾;

git clone

https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_ADS1x15.git

切換到克隆文件的目錄并運行安裝文件;

cd Adafruit_Python_ADS1x1z

sudo python setup.py install

安裝后，您的屏幕應(yīng)如下圖所示。

第 4 步：測試庫和 12C 通信。

在繼續(xù)項目的其余部分之前，測試庫并確保ADC可以通過I2C與Raspberry Pi通信非常重要。為此，我們將使用庫附帶的示例腳本。

當(dāng)仍在 Adafruit_Python_ADS1x15 文件夾中時，通過運行將目錄更改為示例目錄;

cd examples

接下來，運行 sampletest.py 示例，該示例以表格形式顯示ADC上四個通道的值。

使用以下方法運行示例：

python simpletest.py

如果啟用了I2C模塊并且連接良好，則應(yīng)看到如下圖所示的數(shù)據(jù)。

如果發(fā)生錯誤，請檢查以確保ADC與PI連接良好，并且在Pi上啟用了I2C通信。

第 5 步：安裝Matplotlib

為了可視化數(shù)據(jù)，我們需要安裝 matplotlib 模塊，該模塊用于在 python 中繪制所有類型的圖形。這可以通過運行來完成;

sudo apt-get install python-matplotlib

您應(yīng)該會看到如下圖所示的結(jié)果。

第 6 步：安裝Drawnowpython 模塊

最后，我們需要安裝 drawnow python 模塊。該模塊可幫助我們提供數(shù)據(jù)圖的實時更新。

我們將通過 python 包安裝程序安裝 drawnow;pip，所以我們需要確保它已安裝。這可以通過運行來完成;

sudo apt-get install python-pip

然后，我們可以使用 pip 通過運行以下命令來安裝 drawnow 包：

sudo pip install drawnow

運行它后，您應(yīng)該得到如下圖所示的結(jié)果。

安裝完所有依賴項后，我們現(xiàn)在可以編寫代碼了。

Raspberry Pi 示波器的 Python 代碼：

這個Pi示波器的python代碼相當(dāng)簡單，特別是如果你熟悉python matplotlib模塊。在向我們展示整個代碼之前，我將嘗試將其分解為一部分并解釋代碼的每個部分在做什么，以便您有足夠的知識來擴展代碼以執(zhí)行更多操作。

在此階段，切換到顯示器或使用VNC查看器非常重要，通過它可以看到Raspberry Pi的桌面，因為正在繪制的圖形不會顯示在終端上。

以監(jiān)視器為界面打開一個新的python文件。你可以叫它任何你想要的名字，但我會稱它為 scope.py。

sudo nano scope.py

創(chuàng)建文件后，我們要做的第一件事是導(dǎo)入我們將使用的模塊;

import time

import matplotlib.pyplot as plt

from drawnow import *

import Adafruit_ADS1x15

接下來，我們創(chuàng)建一個指定 ADS1115 ADC 的 ADS1x15 庫實例

adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115()

接下來，我們設(shè)置ADC的增益。有不同的增益范圍，應(yīng)根據(jù)ADC輸入端的預(yù)期電壓進行選擇。在本教程中，我們估計 0 – 4.09v，因此我們將使用 1 的增益。有關(guān)增益的更多信息，請查看 ADS1015/ADS1115 數(shù)據(jù)表。

GAIN = 1

接下來，我們需要創(chuàng)建數(shù)組變量，這些變量將用于存儲要繪制的數(shù)據(jù)，另一個變量用作計數(shù)。

Val = [ ]

cnt = 0

接下來，我們了解我們使繪圖具有交互性的意圖，以便我們能夠?qū)崟r繪制數(shù)據(jù)。

plt.ion()

接下來，我們開始連續(xù)ADC轉(zhuǎn)換，指定ADC通道，在本例中為通道0，我們還指定增益。

應(yīng)該注意的是，ADS1115上的所有四個ADC通道可以同時讀取，但1個通道足以進行本演示。

adc.start_adc(0, gain=GAIN)

接下來，我們創(chuàng)建一個函數(shù) def makeFig，以創(chuàng)建和設(shè)置將保存我們的實時圖的圖形的屬性。我們首先使用 ylim 設(shè)置 y 軸的極限，然后輸入繪圖的標(biāo)題和標(biāo)簽名稱，然后使用 plt.plot（） 指定要繪制的數(shù)據(jù)及其繪圖樣式和顏色。我們還可以聲明通道（如通道0所示），以便在使用ADC的四個通道時識別每個信號。plt.legend 用于指定我們希望在圖上顯示有關(guān)該信號的信息（例如通道 0）的位置。

plt.ylim(-5000,5000)

plt.title('Osciloscope')

plt.grid(True)

plt.ylabel('ADC outputs')

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

plt.legend(loc='lower right')

接下來，我們編寫 while 循環(huán)，該循環(huán)將用于不斷從 ADC 讀取數(shù)據(jù)并相應(yīng)地更新圖。

我們要做的第一件事是讀取ADC轉(zhuǎn)換值

value = adc.get_last_result()

接下來，我們在終端上打印值，只是為了給我們另一種確認(rèn)繪制數(shù)據(jù)的方法。我們在打印后等待幾秒鐘，然后將數(shù)據(jù)附加到為存儲該通道的數(shù)據(jù)而創(chuàng)建的列表 （val） 中。

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

time.sleep(0.5)

val.append(int(value))

然后我們調(diào)用 drawnow 來更新繪圖。

drawnow(makeFig)

為了確保最新數(shù)據(jù)是圖上可用的數(shù)據(jù)，我們在每 50 個數(shù)據(jù)計數(shù)后刪除索引 0 處的數(shù)據(jù)。

cnt = cnt+1

if(cnt>50):

val.pop(0)

就這樣！

完整的 Python 代碼在本教程末尾給出。

樹莓派示波器的實際應(yīng)用：

復(fù)制完整的 python 代碼并粘貼到我們之前創(chuàng)建的 python 文件中，請記住我們需要一臺顯示器來查看繪圖，因此所有這些都應(yīng)該通過 VNC 或連接的顯示器或屏幕完成。

保存代碼并使用運行;

sudo python scope.py

如果您使用了 scope.py 以外的其他名稱，請不要忘記更改此名稱以匹配。

幾分鐘后，您應(yīng)該會看到終端上打印的ADC數(shù)據(jù)。有時，您可能會收到來自 matplotlib 的警告（如下圖所示），該警告應(yīng)被禁止顯示，但它不會影響正在顯示的數(shù)據(jù)或繪圖。但是，為了禁止顯示警告，可以在代碼中的導(dǎo)入行之后添加以下代碼行。

Import warnings

import matplotlib.cbook

warnings.filterwarnings(“ignore”, category=matplotlib.cbook.mplDeprecation)

這就是本教程的伙計們，要全面測試示波器，您可以將電位計等模擬設(shè)備連接到ADC上的通道，您應(yīng)該看到數(shù)據(jù)隨著電位計的每一次轉(zhuǎn)動而變化。

import time

import matplotlib.pyplot as plt

#import numpy

from drawnow import *

# Import the ADS1x15 module.

import Adafruit_ADS1x15

# Create an ADS1115 ADC (16-bit) instance.

adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115()


GAIN = 1

val = [ ]

cnt = 0

plt.ion()

# Start continuous ADC conversions on channel 0 using the previous gain value.

adc.start_adc(0, gain=GAIN)

print('Reading ADS1x15 channel 0')

#create the figure function

def makeFig():

plt.ylim(-5000,5000)

plt.title('Osciloscope')

plt.grid(True)

plt.ylabel('ADC outputs')

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

plt.legend(loc='lower right')

while (True):

# Read the last ADC conversion value and print it out.

value = adc.get_last_result()

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

# Sleep for half a second.

time.sleep(0.5)

val.append(int(value))

drawnow(makeFig)

plt.pause(.000001)

cnt = cnt+1

if(cnt>50):

val.pop(0)