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基于Arduino Zero/MKR的示波器

2512969 2022-12-15 | zip | 0.03 MB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

描述

大多數(shù)基于 Arduino Zero/MKR 的示波器是：

使用計(jì)算機(jī)的聲卡

使用 USB 端口，但受 Bulk USB 傳輸協(xié)議的限制，即。在每毫秒 27 字節(jié)的傳輸請(qǐng)求 (USB 2.0) 之后每毫秒 64 字節(jié)

Arduino Zero/MKR 具有一個(gè) 350kSps 12 位 ADC。考慮到它，這是很棒的規(guī)格。然而，釋放這種能力是另一回事。托管在 Arduino Zero/MKR 中的 SAMD21G18 提供 USB2.0 全速。

因此，訪問 350kSps ADC 需要示波器解決方案來捕獲這些樣本，通過 USB2.0 線路傳輸它們并以 60Hz 的速率將它們投射到屏幕上，即在 16ms 的時(shí)間范圍內(nèi)。此外，為了允許準(zhǔn)確定時(shí)采樣，ADC 讀數(shù)需要伴隨時(shí)間測(cè)量。

該項(xiàng)目繼續(xù)尋求破解這一挑戰(zhàn)！

下圖列出了該應(yīng)用程序的主要功能：

數(shù)字挑戰(zhàn)：

每幀 60hz 或 16ms vs ADC：350kSps

=> 每 16 毫秒 5600 個(gè)樣本，

1 個(gè)樣本 = 開銷字節(jié)（至少完整性）+ 12/16/8 位樣本 + 12/16/8 位時(shí)間戳 = 3 到 6 個(gè)字節(jié)

=> 5600 x 3 到 6 字節(jié)每 16 毫秒 = 16 800 到 33 600 字節(jié)每 16 毫秒

USB2.0 全速提供：

在 USB 批量傳輸中：每毫秒 64 字節(jié) ~ 每 16 毫秒 1024 字節(jié) --> 很少?。?/font>

在 USB 同步傳輸中：1023bytes per ms ~ 16 368bytes per 16ms --> OK

以上（錯(cuò)誤地）假設(shè) USB 傳輸可以與 ADC 捕獲并行發(fā)生。

=> 跨行實(shí)現(xiàn)多線程是可能的，因?yàn)橛斜匾M可能接近我們的目標(biāo)。

openGL 要求：

將 ADC 讀數(shù)和時(shí)間戳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 {-1;1} 數(shù)據(jù)。我們想在另一個(gè)線程中的 CPU（判斷為最快）上執(zhí)行此操作。

屏幕的建設(shè)。由 OpenGL 在 GPU 上完成

上述示例（假設(shè)讀數(shù)準(zhǔn)確）顯示：

我們以 270kSps 采樣（當(dāng)我們采樣時(shí)，請(qǐng)記住 Arduino 板上的 USB 傳輸也需要處理器時(shí)間）。

通過 USB 線收集和發(fā)送 1023 字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)間大約需要 6.7 毫秒：這里的 1023 字節(jié)數(shù)據(jù)等于：1023 x 8 / (12 + 12 + 7) = 264 個(gè)樣本重復(fù) 4 次以獲得 1024 個(gè)樣本（理論上它會(huì)只需 4 毫秒）。

這些數(shù)據(jù)在 15ms+.35ms+1.6ms ~2.1ms 內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、構(gòu)建和繪制。

openGL 的總幀速率為 9.2 毫秒（讓程序盡可能快地運(yùn)行）。因此，我們可以嘗試將樣本讀數(shù)增加到 2048，而不會(huì)犧牲太多的屏幕刷新率。

正如我們上面所寫的，我們需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程以盡可能地允許并行處理。

該應(yīng)用程序具有 3 個(gè)線程：

1) C#圖形用戶界面

（從其他線程中分離出來，讓相對(duì)較慢的 UI 至少盡可能地干擾主任務(wù)，即捕獲 USB 并在屏幕上投影）

2) C++ DLL OpenGL。用于包裝 OpenGL 窗口的本機(jī) C DLL。好處是代碼易于移植到其他平臺(tái)/ UI。OpenGL 是開源的，并且是目前最快的之一。

3) C++ DLL USB。用于包裝 winUSB 驅(qū)動(dòng)程序的本機(jī) C DLL。選擇的原因是 winUSB.sys USB 驅(qū)動(dòng)程序安裝在每臺(tái) Windows 計(jì)算機(jī)上，它支持同步數(shù)據(jù)傳輸。同步數(shù)據(jù)傳輸用于流數(shù)據(jù)。它為速度留下了數(shù)據(jù)完整性檢查。通過這種方式，您可以每毫秒傳輸 1023 字節(jié)。

Wireshark 捕獲同步數(shù)據(jù)傳輸

通過實(shí)施多線程方案，屏幕可以在另一個(gè)線程從 USB 線捕獲新數(shù)據(jù)時(shí)構(gòu)建，同時(shí)用戶將鼠標(biāo)懸停在用戶界面上。

安裝應(yīng)用程序：

該應(yīng)用程序不是那么用戶友好的使用：

1) Arduino 板（或任何其他 ADC/USB 捕獲設(shè)備）需要實(shí)現(xiàn)同步 USB 數(shù)據(jù)傳輸。默認(rèn)情況下，ArduinoCore 不支持此功能。在本項(xiàng)目提供的草圖中，我提供了 Arduino 代碼，以使用等時(shí) USB 接口擴(kuò)展 ArduinoCore（同時(shí)不會(huì)失去仍然使用Serial.print功能的可能性）。該擴(kuò)展可在常規(guī) Arduino IDE 中使用（因此無需更改 ArduinoCore 本身）。

2) WinUSB.inf驅(qū)動(dòng)文件需要在測(cè)試模式下運(yùn)行Windows安裝。這是因?yàn)闆]有駕駛證。

3) 目前我在 Github 上留下了未編譯的 YetAnotherUSB 示波器軟件。這是為了邀請(qǐng)用戶進(jìn)入代碼并自行調(diào)整、編譯和構(gòu)建。

未來的改進(jìn)：

YetAnotherUSB 示波器軟件是在 VS 2019 上使用最新的 .NET 框架開發(fā)的，并在 64 位上進(jìn)行了測(cè)試。換句話說，該應(yīng)用程序相對(duì)未經(jīng)測(cè)試且開發(fā)不足，無法在多個(gè)平臺(tái)（32 位或 linux）上運(yùn)行。

此外，多線程還沒有變得超級(jí)健壯。（在極端情況下可能會(huì)出現(xiàn)無限循環(huán)，例如在讀取時(shí)拔下 USB 等）

仍然缺少一些功能，即。FFT 分析、觸發(fā)和記憶能力。

我希望這對(duì)您有所啟發(fā)，并且您可以使用/借用代碼進(jìn)行自己的（進(jìn)一步）開發(fā)。

繼續(xù)制作！