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[项目] 尝试树莓派Pico制作示波器

尝试树莓派Pico制作示波器

缘起

看到一篇RRoy大佬的帖子，非常欢喜，打算复现该帖子的过程，制作属于自己的示波器。同时示波器是电子学生和爱好者的必备工具，但高昂的成本让人望而却步。为了降低成本，我们可以利用手机作为替代品。通过树莓派 Pico 作为中继，利用 USB 接口传输数据，可以获得清晰的波形。
pico示波器1.png

准备材料

智能手机（作为示波器的屏幕） × 1
树莓派 Pico × 1
10Ω电阻 × 1
面包板、跳线和 USB 数据线 × 1
干电池、电池座       × 1
滑动变阻器       × 1
万能表（可选）       × 1
PCB 板和焊接设备（可选） × 1
OTG 线 × 1

树莓派Pico简介

树莓派 Pico是一款低成本、高性能的微控制器板，具有灵活的数字接口。它集成了Raspberry Pi自己的RP2040微控制器芯片，运行速度高达133 MHz的双核Arm Cortex M0+处理器，并内置了264KB SRAM和2MB板载闪存以及26个多功能GPIO引脚。RP2040是Raspberry Pi的首款微控制器，将高性能、低成本和易用性的标志性价值观带入微控制器领域。
RP2040具有大容量片上存储器、对称双核处理器复合体、确定性总线结构和丰富的外设集，以及独特的可编程I/O（PIO）子系统，为专业用户提供了无与伦比的功能和灵活性。此外，RP2040采用现代40nm工艺节点制造，提供高性能、低动态功耗和低泄漏，具有多种低功耗模式，支持电池供电长时间运行。

树莓派Pico可以使用Raspberry Pi的C/C++或MicroPython进行控制，并且具有详细的文档和完善的MicroPython端口，为初学者和业余爱好者提供了尽可能低的入门门槛。
技术规格
       外形尺寸：21 mm×51 mm
       采用了 Raspberry Pi 官方自主设计的RP2040 微控制器芯片
       多达 26 个多功能的 GPIO 引脚，包括3个模拟输入引脚
       2 ×UART, 2 ×SPI controllers, 2 ×I2C controllers, 16 ×PWM channels
       USB 1.1控制器和PHY，支持主机和设备
       8 个可编程 I/O (PIO) 状态机，用于自定义外设支持
       输入电源：1.8–5.5V DC
       工作温度： -20℃ to +85℃
       可通过 USB 识别为大容量存储器进行拖放式下载程序
       支持低功耗睡眠和休眠模式
       精确的片上时钟
       温度传感器
       片上加速整数和浮点库
如上所述该微控制器具有 RP2040 ARM Cotex-M0 双核处理器和高达 133MHz 的灵活时钟。 264KB SRAM，26 个 GPIO 引脚 - 3 个模拟引脚。2 个 UART、2-SPI、2-I2C 和 16 个 PWM 通道。此外，还有片上时钟和温度传感器。电源电压范围为 1.8-5.5 伏。
引脚排列如图：

树莓派pico固件刷写

首先、下载固件，下载地址https://github.com/fhdm-dev/scpdl1/raw/master/a/v15/scoppy-pico-v15.uf2，并存到个人硬盘中。
其次、把树莓派 Pico 连上电脑，按住引导按钮开机。电脑资源管理器会出现一个名为RPI-RP2的磁盘。

设备管理器会出现位置硬件的提示。
管理器.jpg
最后、把下载的固件复制到树莓派 Pico 的磁盘中。当你看到板载指示灯开始闪烁，就表明完成了固件刷写。

信号源连接树莓派pico

树莓派pico上GPIO26 是通道 1，而 GPIO27 是通道 2。向任意通道提供 0 ～ +3 V 信号，并将该信号的 GND 接到树莓派的 GND 接口上，再通过 USB 接口连接手机即可完成所有连接。
对于高电压，我们可以在通道引脚上添加一个100 kΩ 电阻。如果需要测量负电压和信号（例如 -3.3 V ～ +3.3 V），你可以使用 1.3 V 电阻在 3.3 V 和地之间组成电阻分压网络，这样就可以完美地完成相关工作了，我们使用初中物理常用的电路，使用滑动变阻器改变定值电阻电压。

但是我们没有显示设备，该怎么办呢？

“示波器” 显示模块

我们使用手头拥有的安卓手机屏幕作为显示模块，这里需要一款专用的 App 来显示树莓派 Pico 收到的波形和信号。我们把它命名为 Scoppy，每个人都可以免费使用它。

通过此 App，你可以访问第一个通道，但第二个通道需要付费才能使用。App获取网址如下https://play.google.com/store/apps/details?id=xyz.fhdm.scoppy。

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这个 App 拥有易于使用的用户界面，我相信这一定能为分析波形带来便利。我们可以调整波在 X-Y 方向上的位置，也可以增加或减少每个区域的时间或电压。此 App 可以在安卓手机上运行，最低系统要求为 Android 5.0。

本 App 提供了一个占空比为 50% 的正弦 50Hz 演示信号，用于检查通道或进行校准。

此外，左下角显示信号的实时值，包括电压、频率、时间和占空比。

另外，本 App还具有信号发生器和逻辑分析仪功能，这些功能为你免费提供。请注意，信号发生器仅支持 1.25MHz 频率范围内的正弦波和方波。

树莓派Pico连接手机
由于树莓派 Pico 有 Micro USB 接口，而手机并没有标准 USB 接口，所以我们需要借助 OTG 线来连接树莓派和手机。连上后，选择“USB”作为信号的输入源。

简单电路测试电压
我使用简单的分压电路，并使用滑动变阻器控制电压信号的大小，从Scoppy软件观察电压信号的变化。
照片.jpg
照片2.jpg
我们发现移动滑动变阻器，万用表电压值变化，接着查看app上的图像

据了解借助这个 App，我们可以测量高达250KHz的信号的频率和占空比。我们 DIY 的示波器虽然无法处理更高频率的信号，但出于成本考虑，我觉得它还是不错的，适合小众电子爱好者使用。