基于ESP32实现示波器的制作教程

　　示波器是任何电子工程师必备的测试仪器。它用于可视化和观察各种信号，通常作为一个二维图，其中一个或多个信号随时间绘制。它们用于电子设备的设计和调试，以查看和比较波形，并确定施加在其输入端的信号随时间变化的电压电平、频率、噪声和其他参数。这使得示波器成为电子工程师或制造商办公桌上非常重要的工具。然而，示波器相当昂贵。入门级型号的价格从 500 美元到 2，000 美元不等。而先进的示波器则要花费数千美元，这使得它们超出了基本用户的承受能力。但是如果我们能创造出一种更便宜、更紧凑、并且容易制作？这就是导致今天教程的问题。

　　ESP32 示波器功能

　　单通道

　　1Msps

　　50000 @ 16bits 缓冲区（50ms 数据，1Msps）

　　在 1Msps 时从 10us/div 扩展到 5ms/div

　　1X 模式下的最大 VPP 3.3V 和 10X 模式下的 33V

　　使用触觉开关进行快速响应控制。

　　频率计算（20hz min 由于缓冲区大小）

　　简单均值滤波器开/关

　　最大、最小、平均和峰峰值电压

　　时间和电压偏移

　　模拟、数字/数据模式

　　单次触发

　　自动缩放

　　构建基于 ESP32 的示波器所需的组件

　　ESP32 开发套件

　　1.69” 240x280 圆角 TFT 显示器（ST7789s）

　　触觉开关

　　单刀双掷开关

　　100K电阻

　　10K电阻

　　100nF电容

　　覆铜板或穿孔板

　　焊接工具

　　ESP32示波器电路图

　　下面给出了基于 ESP32 的示波器的完整电路图。

　　ESP32 用作数据采集的控制器。我们将利用内置的 I2S 缓冲区来存储和 *** 作信号。这里使用 38 Pin 变体，但您也可以使用其他开发模块。

　　对于显示，我们使用的是 1.69” TFT 显示模块。它的分辨率为 240x280 像素。显示控制器是 ST7789S，为了驱动它，我们将使用 SPI 通信。

　　该模块还包含一个我们尚未使用的 SD 卡插槽。我们可以在未来的更新中将其用于波形捕获或类似应用。

　　键盘非常简单。带有上拉电阻的触觉开关用于此目的。我们正在使用硬件中断来检测每个按键。这将为我们提供一个非常灵敏的键盘。您可以了解我们之前介绍的ESP32 中断。

　　模拟输入部分相当简单。它由两个 SPDT 开关组成，用于范围选择和 AC/DC 耦合选择。对于范围选择，我们添加了一个分压器，可用于馈送峰值电压高于 3.3V 的信号。分压器将信号转换为 10:1 的比率。

　　构建和测试电路

　　您可以在 perfboard 中构建此项目，也可以使用页面底部链接中的文件制作 PCB。包括用于墨粉转移方法的 PDF 文件和用于制造的 Gerber 文件。这是示波器的 PCB 布局。

　　这是相同的PCB视图。

　　底部 PCB 视图。

　　用于示波器的 Arduino 代码

　　从本文底部给出的 Circuit Digest GitHub 存储库链接下载整个代码。在 GitHub 存储库中，您还可以找到一个名为TFT_eSPI的存档。这个修改后的库是驱动显示器所必需的。将其解压缩到 Arduino 库文件夹。如果您已经安装了TFT_eSPI 库，请确保在提取修改后的库之前将其删除。完成后，在板管理器中选择 esp32。然后编译代码并上传。就是这样，我们的 DIY 示波器就可以使用了。您可以使用底部的 Micro USB 端口为示波器供电。此端口仅用于供电。

　　代码

　　#include

 

#include <驱动程序/i2s.h>
#include <驱动程序/adc.h>
#include 
#include 
#include 
#include “esp_adc_cal.h”
#include “过滤器.h”
//#define DEBUG_SERIAL
//#define DEBUG_BUFF
#define 延迟 1000
//精灵的宽度和高度
#定义宽度 240
#定义高度 280
#define ADC_CHANNEL ADC1_CHANNEL_5 // GPIO33
#define NUM_SAMPLES 1000 // 样本数
#define I2S_NUM (0)
#define BUFF_SIZE 50000
#define B_MULT BUFF_SIZE/NUM_SAMPLES
#define BUTTON_Ok 32
#define BUTTON_Plus 15
#define BUTTON_Minus 35
#define BUTTON_Back 34
TFT_eSPI tft = TFT_eSPI(); // 声明对象“tft”
TFT_eSprite spr = TFT_eSprite(&tft); // 使用指向“tft”对象的指针声明 Sprite 对象“spr”
esp_adc_cal_characterisTIcs_t adc_chars；
TaskHandle_t 任务菜单；
TaskHandle_t task_adc;
浮动 v_div = 825;
浮动 s_div = 10;
浮动偏移量 = 0;
浮动toffset = 0;
uint8_t current_filter = 1;
//选项处理程序
枚举选项 {
  没有任何，
  自动缩放，
  分压，
  斯迪夫，
  抵消，
  偏移量，
  筛选，
  停止，
  模式，
  单身的，
  清除，
  重置，
  探测，
  更新F，
  光标1，
  光标2
};
int8_t volts_index = 0;
int8_t tscale_index = 0;
uint8_t opt = 无；
布尔菜单=假；
布尔信息=真；
布尔 set_value = false;
浮动率 = 1000；//以 ksps --> 1000 = 1Msps
bool auto_scale = false;
bool full_pix = true;
布尔停止=假；
bool stop_change = false;

uint16_t i2s_buff[BUFF_SIZE]；

bool single_trigger = false;
布尔数据触发器 = 假；

布尔更新屏幕=假；
布尔新数据=假；
布尔菜单 *** 作 = 假；
uint8_t digital_wave_opTIon = 0；//0-自动 | 1-模拟 | 2 位数据 (SERIAL/SPI/I2C/etc)
int btnok,btnpl,btnmn,btnbk;
无效 IRAM_ATTR btok()
{
  btnok = 1;
}
无效 IRAM_ATTR btplus()
{
  btnpl = 1;
}
无效 IRAM_ATTR btminus()
{
  btnmn = 1;
}
无效 IRAM_ATTR btback()
{
  btnbk = 1;
}
无效设置（）{
  序列号.开始（115200）；

  configure_i2s(1000000);

  设置屏幕（）；

  pinMode（BUTTON_Ok，输入）；
  pinMode（BUTTON_Plus，输入）；
  pinMode（BUTTON_Minus，输入）；
  pinMode（BUTTON_Back，输入）；
  attachInterrupt(BUTTON_Ok, btok, RISING);
  attachInterrupt(BUTTON_Plus, btplus, RISING);
  attachInterrupt(BUTTON_Minus, btminus, RISING);
  attachInterrupt(BUTTON_Back, btback, RISING);

  特征ADC（）；
#ifdef DEBUG_BUF
  调试缓冲区（）；
＃万一

  xTaskCreatePinnedToCore(
    core0_task,
    "menu_handle",
    10000, /* 以字为单位的堆栈大小 */
    NULL, /* 任务输入参数 */
    0, /* 任务的优先级 */
    &task_menu, /* 任务句柄。*/
    0); /* 任务应该运行的核心 */

  xTaskCreatePinnedToCore(
    core1_task,
    "adc_handle",
    10000, /* 以字为单位的堆栈大小 */
    NULL, /* 任务输入参数 */
    3、/*任务的优先级*/
    &task_adc, /* 任务句柄。*/
    1); /* 任务应该运行的核心 */
}


无效的core0_task（无效* pvParameters）{

  (void) pvParameters；

  为了 （;;） {
    菜单处理程序（）；

    如果（新数据 || 菜单 *** 作）{
      新数据=假；
      菜单 *** 作 = 假；

      更新屏幕=真；
      更新屏幕（i2s_buff，速率）；
      更新屏幕=假；
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
      Serial.println("CORE0");
    }

    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
  }

}

无效core1_task（无效* pvParameters）{

  (void) pvParameters；

  为了 （;;） {
    如果（！single_trigger）{
      而（更新屏幕）{
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1));
      }
      如果（！停止）{
        如果（停止更改）{
          i2s_adc_enable(I2S_NUM_0);
          stop_change = 假；
        }
        ADC_Sampling(i2s_buff);
        新数据=真；
      }
      别的 {
        如果（！stop_change）{
          i2s_adc_disable(I2S_NUM_0);
          i2s_zero_dma_buffer(I2S_NUM_0);
          stop_change = 真；
        }
      }
      Serial.println("CORE1");
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
    }
    别的 {
      浮动 old_mean = 0;
      而（single_trigger）{
        停止=真；
        ADC_Sampling(i2s_buff);
        浮动平均值 = 0;
        浮动 max_v, min_v;
        peak_mean(i2s_buff, BUFF_SIZE, &max_v, &min_v, &mean);

        //信号捕获（pp > 0.4V || 变化平均值 > 0.2V）-> 数据分析
        if ((old_mean != 0 && fabs(mean - old_mean) > 0.2) || to_voltage(max_v) - to_voltage(min_v) > 0.05) {
          浮动频率 = 0;
          浮动周期 = 0;
          uint32_t 触发器0 = 0；
          uint32_t 触发器1 = 0；

          //如果模拟模式或自动模式和波形识别为模拟
          布尔数字数据=！假；
          if (digital_wave_option == 1) {
            trigger_freq_analog(i2s_buff, RATE, mean, max_v, min_v, &freq, &period, &trigger0, &trigger1);
          }
          否则如果（digital_wave_option == 0）{
            数字数据=数字模拟（i2s_buff，max_v，min_v）；
            如果（！数字数据）{
              trigger_freq_analog(i2s_buff, RATE, mean, max_v, min_v, &freq, &period, &trigger0, &trigger1);
            }
            别的 {
              trigger_freq_digital(i2s_buff, RATE, mean, max_v, min_v, &freq, &period, &trigger0);
            }
          }
          别的 {
            trigger_freq_digital(i2s_buff, RATE, mean, max_v, min_v, &freq, &period, &trigger0);
          }

          单触发器 = 假；
          新数据=真；
          Serial.println("单机");
          //在停止模式下返回正常执行
        }

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1)); //其他任务开始的时间（低优先级）

      }
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
    }
  }
}
无效循环（）{}