如何设计一款模拟电压表？2022年寒假在家练RP2040游戏机项目分享（七）

电子森林 2022-03-15 21:56

如何提升高压系统的实时性能? 如何增强电动汽车的实时控制能力？

模拟电压表也能用RP2040 Game Kit制作？这个寒假同学们玩的很开心，我们也收货了很多有趣的项目。

今天欣赏来自北方工业大学的大一学生【pvfcd】所做的模拟电压表。项目已开源在电子森林，可点击“阅读原文”获取链接，转载请注明出处。

项目介绍

感谢大家观看我制作的项目。目前我是一名大一的学生，平时对电子电路较为感兴趣，但是学校暂时还没有学习此类知识，所以对于对应的知识难免有些地方了解不够全面，系统。有什么讲解错误的，还望老师们指正。

这是我使用树莓派rp2040完成的电压表，显示的是测量2v电压。经过校准，精度还不错，只是最后两位会有几个字的跳动。12位ADC能达到这种精度，我还是很满意的。

设计思路

开机后先检测按键是否按下，按下后进校准程序，未按下进主程序。校准程序完成后也会进入主程序。

测量程序会一直读取ADC值，分散到0-3.3区间内，然后传到屏幕上。指针是将ADC值分散到140个区间内，正好是设定表针长度的两倍。然后利用勾股定理算出坐标，传到屏幕上。

流程图：

板卡介绍

电路由xt3406电压转换管为rp2040片内ADC提供电源，ADC部分需要高稳定性的电源供应，xt3406芯片指标很不错，纹波很低，虽然不能和专用的高精度电压芯片相比，但是对于这种精度还是很够用的。

ADC输入排针部分，电路板上没有标注丝印，听工作人员说是为了电路板设计美观。第一次测试的时候，因为没发现交互式物料清单这种好东西，我就直接把板子翻了面对照电路图看，结果插错线，不知道连到了什么地方，导致电脑弹出“USB端口上的电泳”，还好没有造成什么损失。不过后期分析电路，发现5v电源线明显粗，于是找对了正确的方向，应该是翻到背面，USB口朝下，才和电路图相匹配

模拟摇杆，原理就是两个滑动变阻器组成的分压电路，这为我测试提供了方便。

显示屏，采用st7789主控，spi总线，片选信号接地，无需特殊操作。还有一根复位线连接在单片机上。

quadspi线驱动的flash，由于器件替换的问题，用的Flash实际上是2MB的。使用过程中并未感觉到空间不足的情况。

到这里，我使用的电路部分分析完毕，我还录制了一个更详细的视频，有兴趣的可以看下。

程序分析


import machinefrom machine import ADC, Pin,Timerimport utimeimport st7789 as st7789from fonts import vga2_8x8 as font1from fonts import vga1_16x32 as font2import math

插入的库文件，可见使用了ADC，io，定时器这三种硬件，还使用了utime库来控制延时，math库来反解指针位置，st7789库即为板子中提供的示例库（这个库使用起来很慢，但是GitHub上的原作者也说这个库很慢）这个库中，我增加了一个划半圆的函数，即为：

    def drawcircle(self, x,y,r,color=WHITE):        '''画半圆        传入参数:        x,y:圆心坐标        r:半径        color:颜色        '''        a = 0        b = r        while (2 * b * b) >= (r * r):            self.pixel(x + a, y - b,color)            self.pixel(x - a, y - b,color) #           self.pixel(x - a, y + b,color) #           self.pixel(x + a, y + b,color)     #           self.pixel(x + b, y + a,color)             self.pixel(x + b, y - a,color)             self.pixel(x - b, y - a,color) #           self.pixel(x - b, y + a,color)                     a = a + 1;            num = ((a * a) + (b * b) )- (r*r);#计算画的点离圆心的距离            if num > 0:                b = b - 1                a = a - 1

这是我从stm32单片机上移植过来的代码，原作者应该是淘宝上的中景园电子。注释掉的两段是画整个圆的代码，释放后即可画出一个圆。

头文件中的font1和font2是两套字库，分别是8*8和16*32大小的字体。


"""pin设置部分"""pinout = Pin(22, Pin.OUT)calib = Pin(6, Pin.IN, Pin.PULL_UP)#即为板子上的按键A

io设置部分，使用了一个输入端口，即为板子上的按键a，来作为校准按键，按住此按键开机即可进入校准。还有一个输出端口，是用于输出pwm波的。


'''ADC选择部分'''# 排针CH1 = ADC(Pin(26))     CH2 = ADC(Pin(27))adc  = 0  
# 摇杆 # CH1 = ADC(Pin(28))     # CH2 = ADC(Pin(29))# adc = 1

ADC选择部分，通过此段程序的屏蔽和释放，可以切换输入源，以满足可以切换到12Pin扩展排针上的两个模拟通道输入端的要求。

'''st7789设置部分'''st7789_res = 0st7789_dc  = 1disp_width = 240disp_height = 240spi_sck=machine.Pin(2)spi_tx=machine.Pin(3)spi0=machine.SPI(0,baudrate=40000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_height,reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),xstart=0, ystart=0, rotation=0)

st7789设置部分，设置spi线对应的引脚


'''测试用io口中断驱动程序'''timer = Timer()def timer_callback(timer):  pinout.toggle()timer.init(period=2000, mode=Timer.PERIODIC , callback=timer_callback)#创建一个定时器，用于反转电平

io口驱动程序，就是一直翻转一个io口的电平，以输出低频率的数字波形。rp2040没有dac，所以没法输出更多样的电压。


def adcread():  global dmm1,dmm2  dmm1 = CH1.read_u16()      dmm2 = CH2.read_u16()

ADC读取部分，就是调用两个read函数。dmm是digital multimeter的简写，意为数字多用表，未来可能会增加一些外围电路将其改造为数字多用表


def adcshow():  global dmm1voltshow,dmm2voltshow  adcread()  # print("dmm")  # print(dmm1)  # print(dmm2)  if (adc == 0):    dmm1volt = dmm1*(3.3/ADC0_full_range)    dmm1voltshow = round(dmm1volt,3)    dmm2volt = dmm2*(3.3/ADC1_full_range)    dmm2voltshow = round(dmm2volt,3)  else:    dmm1volt = dmm1*(3.3/ADC2_full_range)    dmm1voltshow = round(dmm1volt,3)    dmm2volt = dmm2*(3.3/ADC3_full_range)    dmm2voltshow = round(dmm2volt,3)  print("volt")  print(dmm1volt)  print(dmm2volt)  display.text(font2,"CH1:",0,10,st7789.WHITE)  display.text(font2,"CH2:",0,40,st7789.WHITE)  display.text(font2,str(dmm1voltshow),63,10,st7789.WHITE)   display.text(font2,str(dmm2voltshow),63,40,st7789.WHITE)  # print("show")  # print(dmm1voltshow)  # print(dmm2voltshow)  display.text(font2,"Volts",149,10)  display.text(font2,"Volts",149,40)

ADC读数展示部分，可以用来展示ADC的读数，程序大概就是把0-65536之间的数值分散到0-3.3之间，然后保留三位小数，再转换成字符串形式，送至屏幕输出。


def draw_point(value):  '''   value:ADC读取的电压值,例如32768之类的数字  46811:adc满量程为3.3v分散到140的区域上,正好是表针的长度  然后利用勾股定理,计算出y的位置  '''  global lastxposi,lastyposi,lastvalue  tvalue = value*100  if (value > 0):    # print(value)    if (adc == 0):      xposi = (tvalue//(int((ADC0_full_range/140)*100)))+50    else:      xposi = (tvalue//(int((ADC2_full_range/140)*100)))+50    if xposi != 0:      yposi = 200-int((math.sqrt(4900-((120-xposi)**2))))    else:      yposi = 200    # print(xposi,yposi)    display.line(120,200,xposi,yposi,st7789.RED)    if xposi != lastxposi:      display.line(120,200,lastxposi,lastyposi,st7789.BLACK)    lastxposi = xposi    lastyposi = yposi

表针显示部分，思路就是把ADC读出的数值分散在140个区间内，这个作为直角三角形的底边，斜边长度即为表针长度，这里我设为70像素，使用斜边长度的平方减去指针长度的平方就是高，再加上对应的偏移量就是表针尽头的坐标，把这一组坐标送入屏幕显示函数，就可以帮我画出指针。（没找到公式编辑器，不过这里应该不是很难）

有几个细节，就是为什么传入数据要乘100，因为可以试着使用python计算下


>>> 32768//327.6899.0>>> 3276800//32768100

虽然两组算式结果应该一模一样，但是因为浮点数运算的精度问题，导致了结果偏差较大。于是手动乘100修复它。

if判断是防止除数等于零的报错。本来有对于除数等于零的处理，但是经过测试，除数接近于零的时候，勾股定理反解出的指针位置和除数等于零的指针位置完全相同，所以删去除数等于零的处理。

还有一个保存上一位置的函数，这是用于清屏。因为前文提到过，这个驱动库很慢，所以当ADC数据改变时，我直接在原位置上画一条黑线，以达到变相加速的作用。


      display.text(font2,"CALIB ADC2",10,10,st7789.WHITE)      while(ADC2.read_u16() <55000):        if(ADC2.read_u16() > 55000):          display.text(font2,"WAIT......",10,10,st7789.WHITE)          utime.sleep_ms(5000)          ADC2_full_range = ADC2.read_u16()          print("ADC2",ADC2_full_range)          break

校准程序，有四段这样的程序，但除了ADC通道不同以外都一样，所以挑一段解释，就是把最大值记录至单片机内。因为测试中发现，ADC最大值经常不同，甚至有一组ADC输入3.3v，ADC只读出了60000多的数据，这是ADC精准度的一大影响。所以使用这个程序修正它。开机时会判断一下a键的电平，是低电平就会进入校准程序。


while(True):#主循环    adcshow()    draw_point(dmm1)

主循环，就是调用两个展示函数。

心得体会

记得第一次参加硬核学堂的活动，是我高二升高三的时候。当时是nxp的一款芯片，好像叫lpc824。当时我高估了我的水平，以为可以很快的做完，但是最终只做了ADC，就被轰去复习了。今年我大学，又看到硬核学堂的活动，当场决定参加。拿到板子后，微信群里的氛围非常好，所有人都在咨询项目相关的内容，也有些人在交流着我听不懂的话题，让我看到了我和大佬的差距。

接下来说下我做的这个项目。首先，为什么选ADC，因为我之前大一上参加了电赛，做的是那个用电器检测的题，对ADC有了一些相关的开发经验。但是后来发现，microPython的开发真的很简单，可以简单的使用。而且microPython调试程序也很方便，不用编译直接跑程序节省了大量的时间。

项目过程中，其实我是拿到板子后现学习的python，python有很多方便的函数库，我之前不知道，本来自己写了类似的，不完美的功能，然后上网一查，有个内置标准函数库就是干这个事情的。还有数学问题（毕竟数学一直很差），那个画圆的函数想了我好久，不过最后的结果还是很满意的。还有调库的问题，一开始我感觉自带的st7789的库太慢，而且没有gui库。而且可用的函数比较少，所以尝试使用GitHub上的microgui开发。总卡在spi总线的部分，虽然有逻辑分析仪，但是也很难定位问题所在，屏幕就是不显示。后来自己完成了一些gui的设计，虽然不是很完美，但最后呈现的效果还是不错的。

最后，感谢硬禾学堂带给我们这么好的活动，有了一个玩转就退钱的正向激励，督促着我在不想干的时候爬起来继续研究这个东西。这次也翻看了电子森林上的许多项目，感觉这个网站真的很神仙，中文的资料，还有完整的解释，让我受益匪浅。

代码分享

把这个仓库中所有文件克隆下来，上载到游戏机中，然后运行adcproject.py：https://github.com/pvfcd/rp2040_adc_mpy
也可以直接把下面网盘里的程序全部上载到板子中
链接：https://pan.baidu.com/s/1tNoPVDpSRnQeoIsb-Uqejg?pwd=fhh2
提取码：fhh2

END

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