内容介绍

项目需求

与外部触发信号同步的多通道单脉冲信号发生器：

1个输入源，8个输出源
8个通道的输出延迟时间，需要能够单独分别调整，调整范围为100ns-1ms，调整分辨率为10ns
输入信号的单次脉宽测试范围为：10us-500ms
示意图：

需求分析

同步脉冲延迟时间的调整精度为10ns，即频率为100MHz，常规GPIO方法难以满足，需要使用PIO。当PIO状态机频率设定为100MHz时，一条PIO汇编指令的时长为10ns，因此只需调整指令执行次数即可达到对脉冲延时精确控制的目的。
题目要求输出8路，考虑到RP2040共有两个PIO模块（PIO0、PIO1），且每个PIO模块有4个独立的状态机，正好满足8个输出端口输出延迟时间能够单独分别调整的需求。
人机交互方面，在LCD上显示的引脚示意图通过形象的字符组成，并利用彩色（颜色对应于端口导线颜色）显示增强可读性。

实现方式及代码说明

一、LCD显示

屏幕显示驱动部分使用板卡自带的st7789.py，以下对各部分进行说明：

彩色显示：屏幕采用565编码方式，可通过st7789驱动程序中的“color565”函数将红色，绿色和蓝色值（0~255）转换为16位565编码（在屏幕显示中加入彩色的目的是用颜色标记对应端口）：

st7789.color565(225,0,255)   # 紫色

显示逻辑：在本项目中，被选中的参数使用反显（白底黑字，正常显示情况为黑底白字）突出光标位置，而可选位置通过“x“和”y“存储，当移动光标时，原先的光标位置通过”x_old“和”y_old“储存，恢复为正常显示状态，而新光标位置进行反显，大致逻辑如下：

x_old = x_pos
y_old = y_pos
display.text(font1, str((delays[y_pos] // 10**(5-x_pos)) % 10), x[x_pos], y[y_pos], BLACK, WHITE)
display.text(font1, str((delays[y_old] // 10**(5-x_old)) % 10), x[x_old], y[y_old], WHITE, BLACK)

二、按键交互

本项目按键交互采用中断方式实现。当选中了一个参数（某通道延时时间的某一位），对应位置会被高亮，此时按下左上方的按钮（A按钮），对应位数的数字加一；按下中间上方的按钮（B按钮），对应位数的数字减一；左右拨动右上方的按钮可在同一行左右移动，而居中按下可切换到下一个输出通道。同时，选中不同通道时，被选中的通道会在示意图中以叉表现出来（往右拨动按钮的代码逻辑示意如下，其他按钮对应代码的结构相同）。

if(x_pos == 5):
		x_pos = 0
else:
		x_pos = x_pos + 1

三、PIO实现

由PIO生成与外部触发信号同步的单脉冲信号主要由以下三个部分组成：

1、PIO汇编程序

完整PIO汇编程序如下：

## PIO程序
@rp2.asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)
def pulse_gen():
    wrap_target()
    wait(1, gpio, 20)        # 等待GPIO20上升沿
    mov(x, osr)              # 加载延迟参数
    label("delay_loop")
    jmp(x_dec, "delay_loop") # 延时循环
    set(pins, 1) [9]         # 输出10ns脉冲
    set(pins, 0)             # 脉冲结束
    wait(0, gpio, 20)        # 结束流程，等待下一个上升沿
    wrap()

首先，等待GPIO20端口（即CH0）给出输入脉冲的上升沿：

wait(1, gpio, 20)        # 等待GPIO20上升沿

接下来将OSR中的延时时长数据移动到X寄存器中（注意，这是一个复制过程，OSR中的数据不会消失）：

mov(x, osr)              # 加载延迟参数

进入延时——通过”jmp“指令循环执行跳过预定的指令周期，”x_dec“表示对X寄存器中的数据自减：

jmp(x_dec, "delay_loop") # 延时循环

最后将对应引脚拉高后再拉低，此处设定脉冲宽度为10ns，并等待低电平以结束整个流程：

set(pins, 1) [9]         # 输出10ns脉冲
set(pins, 0)             # 脉冲结束
wait(0, gpio, 20)        # 结束流程，等待下一个上升沿

其中，”wait(1, gpio, 20)“指令实际上只是等待输入信号的高电平，需要配合最后的”wait(0, gpio, 20)”以达到效果上检测上升沿的目的。

2、状态机的初始化

完整代码如下：

# 初始化状态机
state_machines = []
for i, pin in enumerate(OUTPUT_PINS):
    pio = rp2.PIO(0 if i < 4 else 1)
    sm = pio.state_machine(
        i % 4,                # 分配PIO
        pulse_gen,
        freq=100_000_000,     # 频率为100MHz
        set_base=Pin(pin),    
        in_base=Pin(20)       # 设置输入基准为GPIO20
    )
    sm.active(1)
    state_machines.append(sm) # 便于sm管理

将2×4个状态机分配到八个输出端口，并利用Python的一些语法特性使管理便捷。

3、refill_fifo函数：更改延时

每次更改延时时间时，调用此函数，将新的时间放入FIFO并拉取：

# FIFO管理
def refill_fifo():
    for i, sm in enumerate(state_machines):
        #while sm.tx_fifo() == 0:
            delaytime = delays[i] - 6
            sm.put(delaytime)
            sm.exec("pull()")