將簡單的Arduino Uno（以及一些Python代碼）轉(zhuǎn)換為粗略的示波器，以查看波形和電壓電平。

示波器非常有用，但通常帶有很大的價格標(biāo)簽。幸運的是，有一些專用示波器的替代方案，所以在這個項目中，我們將把一個簡單的Arduino Uno（以及一些Python代碼）轉(zhuǎn)換成可以用來查看波形和電壓電平的粗略示波器！

工作原理：Arduino

示波器的硬件/固件端非常簡單，并利用內(nèi)置的模塊Arduino，ADC。 ADC代表模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是一個可以采用模擬電壓（0V和5V之間）并將其轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的模塊。 Arduino有一個10位ADC，這意味著最大電壓5V表示為1023（1111111111），最小電壓0V表示為0（0000000000）。但是，由于Arduino是一個8位機器，無符號字符的大小為8位（稍后你會看到原因），我們只使用ADC結(jié)果中的前8位。這意味著5V現(xiàn)在表示為255，0V表示為0V。由于有256個可能的值，每個位代表5/256伏或0.02V（大約）。因此，0x0F的值表示0.3V，0x80的值表示2.56V，值0x3E表示1.22V。

雖然Arduino默認(rèn)啟用ADC，因此不需要設(shè)置代碼，但我們?nèi)詫⒛M引腳配置為輸入。我們將用于獲取讀數(shù)的引腳為A0，即引腳編號14.除引腳配置外，我們還將配置UART模塊以實現(xiàn)PC通信的快速波特率（115200波特），并初始化一些變量。

主循環(huán)中的代碼首先從ADC模塊中讀取100個讀數(shù)。從ADC讀取模擬數(shù)據(jù)非常簡單，可以使用函數(shù)analogRead（引腳號）完成，該函數(shù)返回一個整數(shù)，其中10位ADC結(jié)果來自引腳號指定的引腳。在我們的例子中，input0指的是引腳14，它是A0。一旦讀取完畢，下一段要執(zhí)行的代碼就是延遲。延遲的大小（以微秒為單位）由timeBase定義，默認(rèn)為100。盡管是100us延遲，但讀數(shù)之間的真實間距是延遲的大小加上ADC轉(zhuǎn)換時間（100us），這給出了200us的讀取間隔。為簡單起見，這個項目將被忽略。

一旦完成所有100個讀數(shù)，就可以將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到PC用于繪圖。為確保接收器能夠正確區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)事務(wù)，Arduino只會在Arduino發(fā)送請求“R？”后接收方發(fā)送字母“K”后發(fā)送數(shù)據(jù)。

一次Arduino和PC已經(jīng)成功地相互交談，所有的數(shù)據(jù)都流出來了。但是，UART工作在8位，并且嘗試在UART上發(fā)送整數(shù)將需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換，這將使事情變得相當(dāng)困難。因此，我們只將模擬讀數(shù)作為單個字節(jié)發(fā)送，我們使用函數(shù)highByte（）來完成。 Arduino中的整數(shù)大小為16位，這意味著我們需要取10位結(jié)果并將它們向左移動，直到前8位包含我們的數(shù)據(jù)。為此，我們將數(shù)據(jù)向左移動六次，這意味著我們丟失了ADC讀數(shù)的最低2位，但對于我們的基本示波器無關(guān)緊要。

使用8位結(jié)果發(fā)送，最后一項任務(wù)是等待計算機的響應(yīng)通知Arduino結(jié)果已被正確讀取。 Arduino只是停留在一個循環(huán)中，等待串口上的字符“K”。一旦讀完，整個循環(huán)就會自行重復(fù)！

工作原理：Python代碼

Python代碼以及一些額外的庫是什么一個簡單的Arduino數(shù)據(jù)記錄器到一個基本的示波器。但是，Python本身無法執(zhí)行某些任務(wù)，如圖形例程和串口通信，因此我們需要先獲取幾個庫。幸運的是，如果安裝了PIP，安裝這些庫是輕而易舉的。如果你不這樣做，請先在這里按照本教程獲取點子。安裝pip后，打開命令提示符并按順序輸入以下命令（一次一個）：

pip install pyserial

pip install PyGame

一旦成功安裝了這兩個軟件包，我們就可以直接進入我們的圖形應(yīng)用程序！雖然串行包很容易理解，但pygame包有點復(fù)雜，所以這里只介紹基礎(chǔ)知識。我們Python程序的第一個任務(wù)是導(dǎo)入所需的庫，它們是pygame（用于生成圖形界面），serial（用于Arduino通信）和時間（用于時間延遲）。下一個代碼塊用于變量聲明和初始化，其中包括pygame的布爾值，字符串和顏色。 pygame中使用的顏色是RGB類型，其中三個字節(jié)（0-255）表示紅色，綠色和/或藍色的數(shù)量。

完成變量定義后，下一個任務(wù)是初始化pygame，這是通過調(diào)用pygame.init（）來完成的。由于我們計劃將文本打印到我們的窗口應(yīng)用程序，我們還需要初始化字體引擎，這是通過調(diào)用pygame.font.init（）來完成的。除了初始化字體引擎之外，我們還將創(chuàng)建一個字體對象，我們將使用它作為渲染字體（將是等寬字體）。 pygame初始化代碼的最后一位將是創(chuàng)建一個窗口（大小為700×500）并將窗口的標(biāo)題設(shè)置為“PyScopeUno”。

下一個任務(wù)涉及配置串行端口以使用與Arduino相匹配的波特率（在本例中為115200）。還必須選擇正確的端口（在我的情況下為“COM8”）并指定超時，以便程序在串行端口循環(huán)期間不會掛起。配置串口后，最后一步是打開端口！

完成所有初始化代碼后，主程序循環(huán)執(zhí)行，即以while循環(huán)的形式，等待直到布爾變量applicationClose等于true。在窗口上單擊關(guān)閉按鈕時，此值設(shè)置為true，單擊后，串口正常關(guān)閉，pygame關(guān)閉。

顯示我們記錄的數(shù)據(jù)的第一項任務(wù)是從Arduino獲取串行數(shù)據(jù)。為此，我們要等到串口中有數(shù)據(jù)存在。如果此數(shù)據(jù)等于“R？”，我們將Arduino發(fā)送給字符“K”，這導(dǎo)致Arduino將100個字節(jié)流式傳輸?shù)絇C。程序等待直到收到所有100個字節(jié)，一旦完成，將這些字節(jié)傳送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。下一行代碼涉及一些有用的基本操作，包括計算平均值和查找最小/最大值。

最后代碼塊涉及繪制數(shù)據(jù)，繪制文本和繪制線條，但由于代碼的不言自明的特性，不會對此進行深入討論。我們的示波器程序中的數(shù)據(jù)不是繪制為單個點，而是作為兩個數(shù)據(jù)點之間的插值線，因為快速變化的信號將顯示為散點圖，這很難可視化。為此，繪制一條線，其中第一個點是第一個電壓電平，而終點是下一個數(shù)據(jù)值。由于我們獲取了100個讀數(shù)但我們的圖形寬度為400像素，因此我們將x坐標(biāo)乘以4以拉伸圖形。這樣可以更容易地查看單個讀數(shù)。

完整的圖形化程序如下所示。

在不到15分鐘的時間內(nèi)完成并運行這個項目應(yīng)該很容易和可行?？赡軐?dǎo)致最頭疼的步驟是安裝和運行Python庫，因為命令行安裝方法有拋出錯誤，無法找到所需文件或缺少權(quán)限的習(xí)慣。一旦Arduino加載了代碼，它就會自動開始。假設(shè)Python程序有效（確保COM端口正確），那么項目應(yīng)該可以正常工作。