内容介绍

“带屏的十二指神探” 作为一款极具创新性的设备，其硬件架构独具特色，拥有 12 个管脚。在这些管脚中，三根信号线被特别设计用于模拟信号的输入，为设备的核心功能实现奠定了基础。

该设备采用 RP2040 芯片，其自带的 ADC（模拟数字转换器）发挥着关键作用。通过 ADC 对模拟信号进行量化，将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便后续的处理和分析。

在本次设计中，目标是打造一个一通道示波器。值得注意的是，“带屏的十二指神探” 的 ADC 管脚直接引出，这一特性决定了其需要搭配专门的信号调理电路。该信号调理电路肩负着重要使命，它能够对外部信号进行更宽量程的采集。通过对输入信号进行放大、滤波、衰减等一系列处理，确保输入到 ADC 的信号处于合适的范围，从而保证采集的准确性和稳定性。

在显示方面，设备配备了 1.54 寸、分辨率为 240*240 的 LCD 显示屏。此显示屏承担着直观展示波形和参数的重任。经过 ADC 量化以及一系列处理后的信号，最终以波形的形式清晰地呈现在 LCD 屏幕上，同时相关的参数，如幅值、频率等也会一并显示，方便用户直观了解信号特征。

此外，为了提升用户操作的便捷性和交互性，设备还设置了按键功能。用户可以通过按键轻松实现对波形的放大和缩小操作。当需要观察波形细节时，可通过按键放大波形；而当想要整体把握信号走势时，则可缩小波形，极大地满足了不同场景下用户对信号观察的需求。通过这些硬件与软件的协同设计，“带屏的十二指神探” 成功构成了一个简易而实用的示波器。

开发平台选择与限制

1、这款主控芯片是RP2040，其主要支持三种开发平台，分别是Arudino、MicroPyhton以及官方的C-SDK开发模式，其实还有RT-Thread平台也支持RP2040的开发，但使用人数相较于前三种较少。Arduino使用C/C++语言开发，同时开发者也不需要编写复杂的编译脚本，只需做少许的设置便能使用，因此在本次开发中使用Arduino平台进行开发。

2、因为条件限制，在实现该功能时使用梅林雀输出正负交变的方波、三角波、正弦波作为示波器的输入源。输入的最大电压也变成4Vpp。

功能框图

信号调理电路：

鉴于项目对模拟信号量化处理的需求，选用自带 ADC 功能的 RP2040 芯片。其 ADC 模块能够高效地将模拟信号转换为数字信号，为后续的信号分析与处理提供基础。RP2040的ADC采集只能采集正电压。因此选择30k欧、10k欧、15k欧、LM358组成信号调制电路。可以将负电压转化为正电压显示出来

这是用proteus仿真的图，可以实现+-10V的电压转换为0-3.3V

在 “带屏的十二指神探” 示波器的电路设计中，对于输入信号的处理是关键环节。为了使 RP2040 的 ADC 能够有效采集外部信号，需要将 (-10V ~ 10V) 的电压转化为正向电压，这一过程巧妙地运用了基尔霍夫定律。

基尔霍夫定律包含电流定律（KCL）和电压定律（KVL）。在本电路设计中，基于基尔霍夫电压定律，通过合理构建电阻网络来实现电压的转化。设计一个由多个精密电阻组成的分压电路，利用电阻分压原理，将输入的 (-10V ~ 10V) 电压进行分压处理。当输入为负电压时，通过特定的电阻组合与电路连接方式，使得电压在经过电阻网络后，其极性发生改变并转化为正向电压输出。同时，依据基尔霍夫电流定律，确保电路中各节点的电流分配合理，保证整个电路的稳定性与准确性。经过电阻网络转化后的正向电压，虽然实现了极性的转换，但可能存在信号失真或输出阻抗不匹配等问题，无法直接被 RP2040 的 ADC 所采集。

此时，引入 LM358 运算放大器来构建电压跟随器。LM358 是一款常用的双运算放大器芯片，具有高输入阻抗、低输出阻抗等特性。在电压跟随器电路中，LM358 的同相输入端连接经过电阻网络转化后的正向电压，反相输入端与输出端直接相连，形成深度电压负反馈。这种连接方式使得输出电压能够精确地跟随输入电压的变化，即输出电压等于输入电压。同时，由于 LM358 的高输入阻抗特性，它从前面的电阻网络获取的电流极小，几乎不会对电阻网络的分压效果产生影响；而其低输出阻抗特性，则能够很好地与 RP2040 的 ADC 输入阻抗相匹配，确保输出的电压信号能够稳定、准确地传输至 RP2040 的 ADC 管脚，从而实现对外部 (-10V ~ 10V) 电压信号的有效采集与后续处理，为示波器的波形显示与参数计算提供可靠的数据基础。

这段代码就可以输出正确的电压，用RP2040测试时屏幕下方显示的实时电压。

LCD显示

屏幕的分辨率为240x240，使用的驱动芯片是ST7789，ST7789 是一款常见的彩色 TFT LCD 控制器芯片。它支持显示分辨率为 240x320 的图形和文本，并具有丰富的功能和接口选项。ST7789 芯片采用 SPI 接口进行通信，可以与微控制器或其他主控设备连接。它具有内置的显示控制器和图形加速器，能够快速渲染图像和文本，实现平滑的动画效果。我这里驱动屏幕使用的是TFT_eSPI库进行驱动，原因之一是这个库对各种屏幕的适配度高。

显示内容：

1、显示波形

2、显示最大电压

3、显示最小电压

4、显示实时电压

波形绘制原理：先将ADC测量的数值设置阈值，阈值是4095和0用来初步消除杂波。

屏幕的分辨率是240※240，因此将数值缩小21倍可以将波形显示在200※230的框内，一次性采集230个ADC值。将230个像素作为横坐标，缩小后的adc值作为纵坐标。即可完成波形图绘制。然后显示完230个点后刷新一次方框内的像素，开始下一次绘图。

按键交互

本项目按键交互全部采用在主循环中循环判断的方式实现。当选中了一个可以更改的状态，本次主要是更改横，纵坐标的状态，按键按下，横、纵坐标不再是一次画一个像素点而是成为一个根据函数变化的变量。

软件流程图

心得体会

通过此次 “带屏的十二指神探” 示波器的设计，我收获颇丰。在开发平台的抉择上，选择 Arduino 平台，因其简易的 C/C++ 开发模式及无需复杂编译脚本的特性，极大地降低了开发门槛，让我能更专注于核心功能的实现，这使我深刻认识到合适开发工具对项目推进的重要性。

信号调理电路的设计堪称关键且充满挑战。利用 RP2040 芯片自带 ADC 进行信号量化，却面临其只能采集正电压的难题。借助基尔霍夫定律搭建电阻网络，实现电压极性转换，再搭配 LM358 构建电压跟随器匹配阻抗，这一过程让我对电路原理有了更深入的理解与实践运用。从理论推导到实际电路搭建与仿真，每一步都需要严谨对待，任何一个参数的偏差都可能影响信号采集的准确性。

在 LCD 显示与按键交互设计方面，也积累了宝贵经验。选用 ST7789 驱动芯片搭配 TFT_eSPI 库驱动屏幕，依据屏幕分辨率及 ADC 测量值巧妙设计波形绘制算法，实现了波形及各类电压参数的清晰展示。按键交互采用主循环判断方式，虽原理简单，但在实际编写代码过程中，需仔细考虑按键响应的及时性与准确性，避免误判。这让我明白即使是看似基础的功能实现，也需要对细节进行精心打磨。

整个设计过程是一次理论与实践紧密结合的历练。从最初的方案构思，到硬件选型、电路设计、软件编程，再到最终的功能调试，每一个环节都考验着我的知识储备与问题解决能力。遇到的种种困难，如信号调理电路的设计难题、显示波形的优化等，都促使我不断查阅资料、深入思考，进而找到解决方案。这不仅提升了我的专业技能，更培养了我的创新思维与面对复杂问题时的耐心和毅力，为今后参与更具挑战性的项目奠定了坚实基础。