项目概述

本项目用一块 ESP32 与 XR2206 函数信号发生器 组成一台简易的频率计 + 真实波形监视器：

1. 测频：XR2206 的方波输出接入 ESP32 的 GPIO34，使用 ESP32 硬件脉冲计数器（PCNT）对脉冲累加，再用"闸门计数法"换算成频率。
2. 波形显示：XR2206 的当前波形输出（正弦 / 三角 / 方波）接入 GPIO35，通过 ADC 真实采样，在 ST7789 屏幕上画出"真实 ADC 波形"，附带上升沿触发、自动量程与削波检测。
3. 双界面：按 GPIO27 键在 数据界面（大字频率） 与 波形界面（滚动示波） 之间切换。
4. 网页监视：ESP32 开启软 AP（SSID ESP32-XR2206），手机连上热点后访问 http://192.168.4.1，可看到频率数字 + 由真实采样数据绘制成网页 canvas 波形（300ms 轮询刷新）。

项目亮点

• PCNT 硬件计数测频，几乎不占 CPU：脉冲计数交给 ESP32 硬件外设完成，主循环只需要几十毫秒读取一次计数。
• 自适应闸门：闸门时长会在 1s ~ 4s 之间自动调整——计数太少自动加倍闸门提高精度，计数太多恢复 1s 保证响应速度。
• 真实 ADC 波形，不是"画出来的正弦"：屏幕和网页都显示 GPIO35 的真实采样点，方波就是方波、削波就提示削波。
• 触发与防混叠兼顾：采集前先"摸底"找电平范围，用中值 + 滞回做上升沿触发，保证每帧波形起点一致；采样间隔又按频率自适应，高频不延时连续采。
• 自动量程 + 削波报警：波形幅度过小时自动切全量程；当采样值大量贴着 0 / 4095 两端时判定为输入削波，屏幕红色提示 CLIP! turn AMP down。
• 网页端与屏幕端双界面：软 AP + HTTP JSON 接口，手机浏览器即可实时看频率与波形，无需额外上位机软件。
• 代码分层极简：FreqCounter / ModeButton / Display / WebUI 四个类各司其职，主程序只负责初始化与调度。

项目难点及解决方案

难点	具体表现	解决方案（代码对应）
16 位计数溢出	PCNT 计数器寄存器是 int16，上限 32767，高频时几十毫秒就溢出丢数	update() 每 50ms 搬运一次 readAndClear()，累计到 32 位 accumCount_（FreqMeter.cpp update）
固定闸门无法兼顾精度与响应	闸门太长高频响应慢，太短低频精度差	自适应闸门：count<100 且闸门<4s 则翻倍；count>1000 则恢复 1s（update() 末尾）
波形画面抖动 / 起点乱	不触发直接采，每帧波形相位随机，画面乱跳	captureRealScope() 先 64 次采样摸 max/min，取中值 + 1/20 滞回做上升沿触发（等待 40ms），保证每帧从同相位开始
波形残影叠加	新波形叠在旧波形上，画面重影	绘制前 tft.fillRect() 整块清空绘图区，再画边框与中线
输入削波或幅度贴边	输入超出 ADC 量程被"削平"，正弦被削成方波	nearLo<80 / nearHi>4015 各超过 1/8 样本判为削波，波形转红色并提示调低幅度；量程自适应加 1/12 边距
混叠与采样率矛盾	频率高时延时采样会混叠，频率低时又要等	sampleIntervalUs()：目标覆盖约 2 个周期；<5Hz 固定 500us；>20kHz 不延时连续采样
按键抖动 / 长按误触	机械按键抖动导致一次变两次	按下瞬间记录 downMs_，抬起时要求按住时长 >30ms 且 <800ms 才记短按（ModeButton::update()）
屏幕与 WiFi 库 depcomp	编译期可能报 FS/WiFi/WebServer 与 TFT_eSPI 相互冲突	包含顺序固定：FS.h、WiFi.h、WebServer.h 在前，TFT_eSPI.h 在后
大批量数据上网页	200 个采样点 + 频率要每 300ms 传输	网页只请求一个 /api/wave，返回紧凑 JSON（字符串预留 reserve(1600)），JS 用 canvas 绘制

一、硬件系统部分

1.1 硬件清单

器件	型号/规格	用途
主控	ESP32 开发板	测频、ADC 采样、显示驱动、软 AP
扩展板	ESP32扩展板	方便接线
信号发生器	XR2206 函数信号发生器	被测信号源（输出方波/正弦/三角，可调频率、幅度）
显示	ST7789 240×240 SPI 彩屏	本地数据显示
分压	电阻分压	把 XR2206 输出幅度降到 0~3.3V 时序之内，保护 ESP32 模拟输入
连接	杜邦线 / 面包板	接线

1.2 接线方案

ESP32 引脚	作用	连接对象	代码宏
GPIO34	测频输入（方波）	XR2206 方波输出 → 分压 → 此脚	PIN_FREQ_IN
GPIO35	真实 ADC 波形采样	XR2206 波形输出（任意波形）→ 分压 → 此脚	PIN_WAVE_ADC
GND	共地	XR2206、ESP32、屏幕、按键全部共地	—

⚠️ 分压电路横向：XR2206 输出幅度可能超过 3.3V，必须分压到 ≤3.3V 才能接 GPIO34/GPIO35，否则可能损坏 ESP32。

1.3 硬件连接图

1.4 实物连接图

二、软件架构设计

2.1 系统初始化（setup()）

初始化顺序（ESP32_XR2206_Simple.ino setup()）
├─ Serial.begin(115200)            启动串口调试
├─ counter.begin(34)               初始化 PCNT（硬件计数 + 滤波 + 清零）
├─ modeBtn.begin(27)               按键输入上拉
├─ display.begin()                 TFT 初始化 / 旋转 + ADC 设置(12bit,11dB) + 绘制数据界面骨架
└─ web.begin(&counter)             软 AP 模式 + 注册路由 + 启动 HTTP

要点：

• ADC 配置集中：display.begin() 里调用 analogReadResolution(12); analogSetAttenuation(ADC_11db); 后面所有 analogRead() 均为 12 位（0~4095），量程约 0~3.3V 的俾斯。
• web 回调持指针：web.begin(&counter) 传入频率计的指针，网页接口实时读取最新频率。

2.2 主循环逻辑（loop()）

loop() 每一轮：
├─ counter.update()      // 搬计数 + 判断闸门结束 → 算频率
├─ web.update()          // 处理网页 HTTP 请求（异步轮询）
├─ modeBtn.update()      // 读取按键，检测短按事件
├─ 若短按 → mode 切换（MODE_DATA ↔ MODE_WAVE），forceRedraw=true
└─ 屏幕刷新调度：
     interval = (mode==WAVE) ? 50ms : 200ms
     若 forceRedraw 或超过 interval → display.render(模式, 频率, AP地址)

• 刷新率按模式分：波形界面 50ms（快速更波形），数据界面 200ms（大数字不用太勤）。
• 强制重绘：切换模式的按键瞬间除 lastMode 变化外，还用 forceRedraw 保证重新画一遍新界面的"骨架"。

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三、代码拆分讲解

3.1 头文件（FreqMeter.h）

把配置宏与接口集中，四个类对应四个功能模块：

#define PIN_FREQ_IN   34        // 测频输入
#define PIN_WAVE_ADC  35        // 波形 ADC
#define PIN_MODE_BTN  27        // 切换按键
#define WIFI_AP_SSID  "ESP32-XR2206"   // AP 名
#define WIFI_AP_PASS  "12345678"       // AP 密码
#define SCOPE_SAMPLES 200       // 波形采样点总数

类职责：

类	职责	关键成员
FreqCounter	闸门计数测频	gateLengthMs_（闸门时长）、accumCount_（累计脉冲）、freqHz_
ModeButton	短按检测	wasDown_/downMs_/shortEvent_
Display	TFT 渲染	render(mode, hz, ip, forceRedraw)
WebUI	软 AP + HTTP	begin(FreqCounter*) / ipString()

3.2 频率计（FreqCounter）

初始化——配置 PCNT 单元 0：GPIO34 输入、仅上升沿计数（PCNT_COUNT_INC）、清零计数上下限 ±外层控制在 int16 范围，再加 100 个单位输入滤波：

cfg.pos_mode = PCNT_COUNT_INC;    // 上升沿 +1
cfg.neg_mode = PCNT_COUNT_DIS;    // 下降沿不计
cfg.counter_h_lim = 32767;        // 计数上限（防 int16 溢出）
pcnt_set_filter_value(PCNT_UNIT, 100);  // 滤除毛刺

闸门测频流程（update()）——本项目最核心的换算逻辑：

// 每 50ms 搬运一次计数，防止 16 位计数溢出
if (elapsed >= 50) accumCount_ += readAndClear();

// 闸门结束：频率 = 累计脉冲数 / 实际闸门时间
if (elapsed >= gateLengthMs_) {
    freqHz_ = accumCount_ * 1000.0f / elapsed;
    // 自适应闸门：计数<100 翻倍闸门；>1000 恢复 1s
    if (accumCount_ < 100 && gateLengthMs_ < 4000) gateLengthMs_ *= 2;
    else if (accumCount_ > 1000 && gateLengthMs_ > 1000) gateLengthMs_ = 1000;
    accumCount_ = 0;
    gateStartMs_ = now;
}

测出的是实际经过时间（elapsed 毫秒），用真实计数 ÷ 真实耗时，避免了闸门边界误差。

3.3 按键（ModeButton）

上拉输入 + 边沿检测 + 时间窗判定：

if (down && !wasDown_) { downMs_ = now; }        // 按下瞬间记录时刻
else if (!down && wasDown_) {                     // 抬起
    if (now - downMs_ > 30 && now - downMs_ < 800)
        shortEvent_ = true;                       // 30ms~800ms = 短按
}
wasDown_ = down;

3.4 显示（Display）

• 数据界面：大号数字（6号字）+ 单位 + AP 地址 + 提示条。
• 波形界面：REAL ADC 标题、绘图区边框（x:20, y:55, 宽=采样点数, 高140）、垂直中线、底部频率与提示。

频率格式化 splitFreq()：

≤0   → "---"
≥100kHz → 2 位小数 kHz      ≥1000Hz → 3 位小数 kHz
否则 → 1 位小数 Hz（原值）

3.5 采集与波形绘制（captureRealScope / drawRealScope）——核心难点处理

第一步：摸底找电平：连续读 64 次，找 min/max。

第二步：设定触发阈值：mid = (min+max)/2，滞回宽 = 幅跨度/20（下限 15）。可适配带直流偏置的正弦/三角波（因为用的是相对中值，不是绝对 0V）。

第三步：等上升沿：波形先低于 mid-滞回，再穿过 mid+滞回 才启动采样（40ms 超时）。

第四步：按频率自适应采样间隔：

if (hz  < 5)     return 500;    // 极低频 固定 500us
if (hz  > 20000) return 0;      // 超高频 连续采样
interval = 周期(μs) * 2 / 200;  // 目标窗口 = 2 个周期
clamp(0, 2000)                  // 最长 2000us

第五步：自动量程与削波检测：幅度跨度 <40 用全量程；否则上下留 1/12 边距。统计贴边样本（<80 和 >4015），两端都超 1/8 判为 削波 → 画红色 + 提示 CLIP!。

坐标系换算（ADC 值 → 屏幕 Y）：

y = SCOPE_Y + SCOPE_H - 1 - (v - lo) * (SCOPE_H - 2) / span;

（lo/span 为自动量程后的下限与跨度，SCOPE_H-2 留 1 像素上下边界。）

3.6 网页模块（WebUI）

• 软 AP：WiFi.mode(WIFI_AP); WiFi.softAP(SSID, PASS);
• 路由：/ 返回内嵌 HTML；/api/wave 与 /api/status 都返回 同一份 JSON（实测频率 + 200 个采样点）。
• 网页 JS 每 300ms fetch('/api/wave')，canvas 画网格线 + 波形曲线。

{"measured":1000.5,"samples":[1234,1333,...,1024]}

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四、操作过程及数据展示

4.1 操作步骤

1. 接线：按 1.2 表格连接 XR2206、ESP32、按键、屏幕，确保共地。

2. 烧录：零知派导入工程，选择 零知ESP32烧录，串口监视器 115200 波特率。

3. 上电：屏幕先显示"数据界面"；串口打印：

   ESP32-XR2206 meter + real ADC scope
   WiFi AP: ESP32-XR2206  http://192.168.4.1
   

4. 手机端浏览：手机连接 WiFi ESP32-XR2206（密码 12345678），浏览器打开 192.168.4.1，即可看到网页频率与实时波形（每 300ms 刷新）。

5. 切换界面：短按 GPIO27 按键，屏幕在 数据 ↔ 波形 间切换。

6. 调节信号源：旋转 XR2206 频率/幅度旋钮，观测频率数字与波形变化。

4.2 数据展示

XRR2206 输出不同频率时的屏幕 / 网页显示效果（以实测为准）：

输入设置	屏显数据	网页波形	闸门行为
低频（约 50 Hz）	50.0 Hz	完整几个周期	闸门自动加倍拉长至 1s/2/4s 提精度
中频（约 1 kHz）	1.000 kHz	2 个周期窗口	默认 1s 闸门，3 位小数
高频（约 10 kHz）	10.000 kHz	高频密集波	1s 闸门
超高频（>20 kHz）	100.320 kHz	连续采样，可能混叠	采样间隔=0，连续采集
幅度过大	数值不变，波顶/底贴边	波形上下削平	屏幕提示 CLIP!，波形变红

观察点：低频段数字末尾会因闸门变化"慢慢变稳定"；幅度太大时屏幕右下角变红提示，此时应调小 XR2206 输出幅度。

4.3 演示视频

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五、技术原理

5.1 工作原理

频率测量 = 硬件计数 + 闸门时间法

1. PCNT 硬件在 34 引脚每次上升沿 +1，不做软件轮询（省 CPU）。
2. 软件每 50ms 搬运一次计数值到 32 位累加器，解决 16 位溢出。
3. 闸门（默认 1s）结束后：频率 = 累计脉冲 ÷ 实际闸门毫秒 × 1000。
4. 自适应：统计过程中脉冲太少（<100 个）就加倍闸门，让计数更多 → 相对误差降低；脉冲过多（>1000 个）说明取样足够，闸门回到 1s 保持响应。

波形显示 = 真实 ADC 采样 + 软件触发 + 自动缩放

采样流程:
  摸底(min/max) → mid=(min+max)/2 → 滞回判定(跨中线) → 等上升沿 → 间隔采样×200点
绘制流程:
  清空区域 → 自动量程(留边距) → ADC值→屏幕Y映射 → 折线绘制 → 削波检测→红色

• 触发保证波形稳定不滚屏；自动量程避免幅度小波形贴边；削波检测保护使用者了解幅度是否过载。
• 采样率自适应：目标是在 200 个采样点里尽量铺满约 2 个周期；低频把采样拉长（塞多个周期），高频只能连续采（受 ADC 转换时间与主循环延时限制，高频可能混叠是正常现象）。

5.2 工作模式配置

软件模式

模式	枚举值	界面	刷新间隔
数据模式	MODE_DATA = 0	大字频率 + 单位 + AP IP	200ms
波形模式	MODE_WAVE = 1	标题 + 示波器波形 + 频率	50ms

切换：GPIO27 短按（30~800ms）在两者间翻转；长按 >800ms 不计。

硬件参数配置（改宏即可适配不同板子 / 接线）：

宏	默认	作用
PIN_FREQ_IN	34	测频输入脚（须为 PCNT 可接的引脚）
PIN_WAVE_ADC	35	ADC 采样脚（GPIO32-39 等 ADC1 允许，内部 µF 电压范围允许）
PIN_MODE_BTN	27	按键脚（输入上拉）
WIFI_AP_SSID/PASS	ESP32-XR2206 / 12345678	软 AP 凭据
SCOPE_SAMPLES	200	波形点数（与绘图区宽度一致）
ADC 分辨率	12bit	analogReadResolution(12)
ADC 倍率	11dB	analogSetAttenuation(ADC_11db)，量程约 0~3.3V

PCNT 选择注意：GPIO34/35 为模拟 ADC 通道（不可用于 PCNT？实际上 34/35 是纯输入脚，可用于 PCNT；而 GPIO27 不能重复用于 PCNT 而同时被 ADC 使用等）。若换脚，须查阅 ESP32 PC NT 引脚表确保该 GPIO 支持 PCNT 通道。

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六、常见问题指引

现象	可能原因	解决办法
频率一直为 0 / 不变	方波没接对 / 分压太弱 / 输入脚不对	检查 GPIO34 接入、分压、接地；串口观察
频率跳变严重	滤波太弱 / 没共地 / 共模噪声	检查接线电感；滤波值已开 100；确认 XR2206 GND 与 ESP826 共地
屏幕波形残影/跳	触发没生效	排查贡献：检查信号幅度、滞回配合；触顶时间 40ms 超时则等不到波形
屏幕显示 CLIP!	输入幅度过大 / 削波	调小 XR2206 输出幅度（或重新分压）
高频波形紊乱/混叠	采样率低于奈奎斯特	属正常高频现象，可观察频率值；网页提示"高频可能混叠"
网页打不开	手机没连热点 / IP 错 / 密码错	连 ESP32-XR2206，密码 12345678，浏览 http://192.168.4.1；串口看 AP 是否启动
屏幕白屏/花屏	ST7789 SPI 接线或 User_Setup.h 引脚配置不符	核对 SCL/SDA/RES/DC/CS 与 User_Setup.h；检查供电电流
按键没反应	接线 / 按压时间窗口	确认接住 GPIO27 与 GND；按 30~800ms
低频精度不足	数据太少	等闸门自适应至 4s（此时数据更新慢但更准）
.ino 编译报 TFT_eSPI 冲突	库包含顺序	保持 FS.h/WiFi.h/WebServer.h 在 TFT_eSPI.h 之前