基于Arduino Zero/MKR的示波器

描述

大多数基于 Arduino Zero/MKR 的示波器是：

• 使用计算机的声卡

• 使用 USB 端口，但受 Bulk USB 传输协议的限制，即。在每毫秒 27 字节的传输请求 (USB 2.0) 之后每毫秒 64 字节

Arduino Zero/MKR 具有一个 350kSps 12 位 ADC。考虑到它，这是很棒的规格。然而，释放这种能力是另一回事。托管在 Arduino Zero/MKR 中的 SAMD21G18 提供 USB2.0 全速。

因此，访问 350kSps ADC 需要示波器解决方案来捕获这些样本，通过 USB2.0 线路传输它们并以 60Hz 的速率将它们投射到屏幕上，即在 16ms 的时间范围内。此外，为了允许准确定时采样，ADC 读数需要伴随时间测量。

该项目继续寻求破解这一挑战！

下图列出了该应用程序的主要功能：

 

数字挑战：

每帧 60hz 或 16ms vs ADC：350kSps

=> 每 16 毫秒 5600 个样本，

1 个样本 = 开销字节（至少完整性）+ 12/16/8 位样本 + 12/16/8 位时间戳 = 3 到 6 个字节

=> 5600 x 3 到 6 字节每 16 毫秒 = 16 800 到 33 600 字节每 16 毫秒

USB2.0 全速提供：

• 在 USB 批量传输中：每毫秒 64 字节 ~ 每 16 毫秒 1024 字节 --> 很少！！

• 在 USB 同步传输中：1023bytes per ms ~ 16 368bytes per 16ms --> OK

以上（错误地）假设 USB 传输可以与 ADC 捕获并行发生。

=> 跨行实现多线程是可能的，因为有必要尽可能接近我们的目标。

openGL 要求：

• 将 ADC 读数和时间戳数据转换为 {-1;1} 数据。我们想在另一个线程中的 CPU（判断为最快）上执行此操作。

• 屏幕的建设。由 OpenGL 在 GPU 上完成

上述示例（假设读数准确）显示：

我们以 270kSps 采样（当我们采样时，请记住 Arduino 板上的 USB 传输也需要处理器时间）。

通过 USB 线收集和发送 1023 字节数据的时间大约需要 6.7 毫秒：这里的 1023 字节数据等于：1023 x 8 / (12 + 12 + 7) = 264 个样本重复 4 次以获得 1024 个样本（理论上它会只需 4 毫秒）。

这些数据在 15ms+.35ms+1.6ms ~2.1ms 内进行转换、构建和绘制。

openGL 的总帧速率为 9.2 毫秒（让程序尽可能快地运行）。因此，我们可以尝试将样本读数增加到 2048，而不会牺牲太多的屏幕刷新率。

正如我们上面所写的，我们需要实现多个线程以尽可能地允许并行处理。

该应用程序具有 3 个线程：

1) C#图形用户界面

（从其他线程中分离出来，让相对较慢的 UI 至少尽可能地干扰主任务，即捕获 USB 并在屏幕上投影）

2) C++ DLL OpenGL。用于包装 OpenGL 窗口的本机 C DLL。好处是代码易于移植到其他平台/ UI。OpenGL 是开源的，并且是目前最快的之一。

3) C++ DLL USB。用于包装 winUSB 驱动程序的本机 C DLL。选择的原因是 winUSB.sys USB 驱动程序安装在每台 Windows 计算机上，它支持同步数据传输。同步数据传输用于流数据。它为速度留下了数据完整性检查。通过这种方式，您可以每毫秒传输 1023 字节。

Wireshark 捕获同步数据传输

 

通过实施多线程方案，屏幕可以在另一个线程从 USB 线捕获新数据时构建，同时用户将鼠标悬停在用户界面上。

安装应用程序：

该应用程序不是那么用户友好的使用：

1) Arduino 板（或任何其他 ADC/USB 捕获设备）需要实现同步 USB 数据传输。默认情况下，ArduinoCore 不支持此功能。在本项目提供的草图中，我提供了 Arduino 代码，以使用等时 USB 接口扩展 ArduinoCore（同时不会失去仍然使用Serial.print功能的可能性）。该扩展可在常规 Arduino IDE 中使用（因此无需更改 ArduinoCore 本身）。

2) WinUSB.inf驱动文件需要在测试模式下运行Windows安装。这是因为没有驾驶证。

3) 目前我在 Github 上留下了未编译的 YetAnotherUSB 示波器软件。这是为了邀请用户进入代码并自行调整、编译和构建。

未来的改进：

YetAnotherUSB 示波器软件是在 VS 2019 上使用最新的 .NET 框架开发的，并在 64 位上进行了测试。换句话说，该应用程序相对未经测试且开发不足，无法在多个平台（32 位或 linux）上运行。

此外，多线程还没有变得超级健壮。（在极端情况下可能会出现无限循环，例如在读取时拔下 USB 等）

仍然缺少一些功能，即。FFT 分析、触发和记忆能力。

我希望这对您有所启发，并且您可以使用/借用代码进行自己的（进一步）开发。

继续制作！