这是选自Hackaday上的一个项目：RPScope：100 MSps 2ch oscilloscope based on Raspberry Pi Pico

这个项目是一个基于RP2040控制器的双通道示波器，采用了一个100Msps的ADC，一个480*320 IPS TFT显示屏以及一个双通道100MHz带宽的前端。

软件使用MicroPython以及LVGL编程，并使用了DMA和PIO以获得最高的吞吐率。

RP2040是一个双核Arm Cortex M0+的微控制器，并有被称之为PIO的可编程输入输出端口。

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方案框图

从这个框图中可以看出构成示波器的所有主要元素：

电源由USB端口供电，数字和模拟部分分别稳压。
每级模拟电路由3个运放、一个增益选择以及一个用于直流偏移的DAC。交直流的切换是通过一个跳线手动操作的（在产品中一般都使用继电器）
数据采集部分由复用器、ADC以及触发电路构成，都由PIO来控制
3颗DAC都是通过I2C总线来配置，LCD的触摸控制器以及IO扩展器也都挂在这个I2C总线上
LCD也是通过PIO控制的

原理图

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电源部分的电路

电源部分从USB的5V供电中得到3组电压:

3V3用于所有的数字电路.
对称的3V3A用于所有的模拟电路
LM27762是一颗带有LDO的双路电荷泵变换器，给模拟电路部分提供+、-供电电压.

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控制器部分的电路

这一块包含了ADC,CPU,以及LCD.

所有的MCU的管脚都用上了:

8个管脚用于ADC总线
3个管脚用于MUX, ADC和TRIG控制.
8个管脚用于LCD总线
5个管脚用于LCD控制.
2个管脚用于I2C总线.
1个管脚用于LCD和TSC的复位.

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模拟前端电路

模拟输入级由一些无源器件、三个运放、一个模拟开关以及一个DAC构成
输入阻抗为电阻R24+R26, 值为780KOhm.
AC滤波器(由C27设置)的截止频率为20 Hz.
这级的增益为(100/(680+100)) = 0.12.运放由±3.3V供电, 最大输入电压为±27V.

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使用TI的仿真软件进行的仿真，带宽超过100MHz，在整个频率范围内增益基本为常数。

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其它模拟部分的电路

基准电压为2.048V的稳压二极管接到一个运放上配置为射极输出。

触发是通过一个8位的DAChe一个比较器来实现，TLV3501是一个高速比较器，延迟时间为4nS.

模拟开关由MCU控制。

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PCB的元器件布局

相同功能的元器件组在一起，从左到右分布，左侧为模拟部分，右侧为数字部分，电源和其它模拟电路在电路板顶层的上面部分。每一个部分的电路都是在顶层走线，通过过孔连接到电源平面，并通过底层走线连接到其它部分的电路。

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布线

模拟供电部分要尽可能干净，所有的网络上的连线要尽可能短，尤其是反馈网络，走线要尽可能宽，尤其是电源走线。从USB 5V来的电源在电路板的上面部分，±3V3走向下面的部分。

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模拟电源部分的布线

处于模拟和数值之间的ADC，它的左侧为模拟部分，右侧为数字部分。模拟部分由电源管脚、ADC输入以及基准构成，数字部分由数据及控制管脚构成。在模拟部分要优先对电源管脚进行布线，其次是信号管脚 - 通过底层进行连接。.

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ADC部分的布线

模拟前端有5个器件组成，信号从左到右，电源树状分布，模拟开关的控制线以及DAC的I2C线通过底层连接

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模拟前端部分的布线

由于每一个区域都是在顶层走线，电源管脚非常容易通过过孔连接到电源平面，不同区域之间的走线也比较容易。.

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内部各个区域的布线

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电源平面

电源平面也需要仔细分割，主要的原则 - 尽可能将所有的过孔通过比较大的铜区域覆盖。

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地平面

地平面的原则相同。

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LD总线的走线

LCD是通过8位的8080总线连接，能够达到20MHz的速率，这些信号可以在顶层和底层走线，但要尽可能短。

软件部分：

软件部分包括三层：

HAL,包含了针对板上每一个器件的python类.
GUI, 它由一些 LVGL 驱动程序和一些提供类似“亲爱的 pygui”API 的高层组成。
Scope, 它由对象的状态组成并允许获取过程。

HAL中最简单的元素之一是 DAC。它仅使用一个 I2C 端口和一个 GPIO。要设置输出值，此类只需要对 I2C 中的特定地址执行一次写入。板上有 3 个 DAC，都连接到同一个 I2C。 DAC 使用数字输入引脚来设置自己的地址，这用作仅选择一个 DAC 所需的启用引脚。由于 RP2040 没有足够的引脚，A0 引脚连接到 IO_EXP，软件处理它以访问所需的 DAC。

DAC class

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输入输出扩展器通过 I2C 总线控制并处理上述 3 个 DAC A0 引脚和模拟开关。该类提供了配置每个引脚的方法（但在本项目中所有引脚都应输出）以及设置值的方法。

IO扩展类

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TFT 是电路板中第二复杂的器件，仅次于 CPU。 LCD 支持不同的接口，但本硬件通过M0:2 引脚将其设置为8 位8080 接口。

该接口有 8 位数据和 4 位控制信号。 LCD 初始化需要设置大约 20 个寄存器的值来为 LCD 工作做准备。完成后，只需要 2 个操作：1 设置窗口和 2，发送数据。这是使用 LCD 的最佳方式。软件在缓冲区中绘制图像，然后将缓冲区传输到 LCD。由于 LCD 具有其定义的工作区域，因此可以使用 DMA 轻松快速地完成完整的数据传输。

当前版本仅支持之前使用SPI的原型版本，未来有望构建使用PIO的Intel 8bit 8080接口。

TFT类

ADC类

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ADC08100 使用 8 个数据信号和一个时钟信号，全部通过 PIO 处理。用户设置缓冲区地址、大小、采样率和采样计数，然后 PIO+DMA 进行捕获。捕获的样本数用于配置 DMA，采样率直接来自 CPU 时钟，注意样本数可以大于缓冲区大小，DMA 将以循环缓冲区的方式存储数据。 PIO 程序只有两条指令。 1 读取输入引脚和 2，将它们推送到 DMA。由于 PIO 端的“sideset”指令，与之前的指令同时生成 ADC 时钟，因此它可以在 ADC 输出可用的同一时刻读取。

一些关于 DMA 循环缓冲区对齐和 micropython 缓冲区对齐的注释。 DMA periferials 只能在 2s 补码对齐缓冲区中执行循环模式，这意味着如果您的缓冲区有 256 字节，它应该放在地址 0xXXXXXX00 到 0xXXXXXXFF 中。由于 micropython 不允许在特定地址分配缓冲区，绕过此限制的唯一方法是分配一个更大的缓冲区，该缓冲区肯定具有 00-FF 范围，然后使用它。

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在需要两个通道的情况下，应在转换期间管理多路复用器。这种管理可以通过 ADC PIO 程序完成。当我能够进行硬件测试时，我发现这个多路复用器不适合这个设计的目的。多路复用器有一个稳定时间，它会在改变通道时发生，这会阻止切换到 50MHz，因此如果同时使用两个通道，ADC 将无法在最大频率下工作。这是当前原型的局限性，也是未来需要改进的地方。

通道复用

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触发器基于 DAC 和比较器。我个人从来没有意识到运算放大器和比较器之间的区别。区别在于速度，当ADC饱和需要恢复到线性状态时，它有一个限制参数叫做Overload Recovery Time，量级为100nS。比较器从不在饱和区工作，所以它们根本没有这种影响。还有一个必须满足某些要求的传播延迟，但 TLV3501 可以轻松检测到 200MHz 的信号。 DAC 模块用于生成阈值。请注意，此 DAC 由数字域供电，这可能会在未来版本中更改。

触发

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触发 PIO 程序使用了一种特殊的操作技巧。用户可以对 PRE 和 POST 样本计数进行编程，然后停止 ADC PIO。预触发样本保留触发事件之前的数据。这样做是因为 ADC 数据存储在一个连续的循环缓冲区中。检测到触发后，计数器递减以存储触发后样本，然后将一个简单值推送到 DMA。诀窍在于，该 DMA 配置为将其值写入 ADC 使用的 DMA 的控制寄存器，从而停止它。这个简单的技巧让整机ADC+TRIGGER无需任何CPU干预。

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触摸屏控制

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TSC 是一个简单的 I2C 设备，可以处理电阻式触摸屏。它有一些寄存器来读取 X 和 Y 坐标的原始 ADC 值。该类还对这些值进行平均，并通过校准值将它们转换为像素坐标。

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DMA

DMA 类用于 ADC、触发器和 LCD 类。负责 DMA 配置和使用，是 DMA 控制寄存器的简化接口。

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使用非常简单：配置、启用、等待和禁用。这个简单的过程允许以最大时钟速度进行内存到内存或外设从/到内存的传输。

示波器

作用域类实现了所有作用域的内部结构，它在屏幕中的表示也处理了整个采集过程（所有都隔离在一个函数中）。

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初始操作是定义用户界面。这是通过创建一个由行和列组织的树来完成的，其中添加了一些元素，如按钮和标签。此 GUI 构建方法源自 dearpygui，并作为一项额外功能添加到 LVGL 中以简化应用程序设计。

GUI 在类的 build_ui 方法中定义，行为通过添加到 GUI 的回调定义。它们中的大多数只是简单地存储用户值（请注意，屏幕上的每个按钮几乎都有一个回调）。然后 cb_run 回调配置 ADC 并执行采集。

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显示驱动

显示驱动程序是 LVGL 和我们的 LCD 之间的粘合剂。它初始化 LVGL 库，设置其绘图缓冲区并定义显示刷新回调和触摸屏读取回调。

LVGL 使用绘图缓冲区来绘制 GUI 的特定部分。绘制完成后，它会调用其显示刷新回调以将此缓冲区绘制（发送）到 LCD。回调参数是绘图坐标和缓冲区地址，正是我们使用DMA绘制LCD所需要的参数。如果使用双缓冲区，我们可以互换缓冲区，这样 DMA 和 CPU 每次都交换缓冲区。

输入读取回调由 LVGL 定期调用。它应该读取触摸屏并简单地将状态（按下/未按下）和 X/Y 坐标返回给 LVGL 库。

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DearPyGUI
DearPygui 是一个 python 库，允许使用上下文管理器定义 GUI，此功能简化了 GUI 设计。这就是为什么我创建了一个简单的模块来为 LVGL 提供此功能。该模块定义了支持上下文管理的行和列类，以构建布局对齐的小部件树。

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按照这个你可以自己来试试: LVGL/MicroPython仿真器

捕获块当用户按下“运行”按钮时执行捕获。它是使用前面章节中评论的 ADC 和触发器对象执行的。配置完成后，启动ADC，然后触发。然后将触发读取功能状态，即等待 DMA 完成，即在 PIO 循环内等待检测上升/下降事件。发生这种情况时，采集会稍等片刻以填充缓冲区，然后停止，然后使用数据更新 LVGL 小部件图表。

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重复采样

重复采样是一项很酷的功能，如果您的前端具有宽带宽，则可以轻松实现。

发生器设置为 1MHz 周期的 100nS 脉冲。

左下方：100MSps 的 RPScope，信号“实时”显示。右边：在奈奎斯特频率下采样我们可以玩这个“放大效果”。采样频率为 1MHz，但生成的信号移动了几 KHz，因此 100nS 脉冲现在为 200 像素宽（并反转）。这相当于 2GSps。