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    物聯(lián)網(wǎng)智能示波器研究與設(shè)計(jì)

    2017-11-27 20:30:09杜超林開偉陳曼雯高浩
    物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2017年11期

    杜超+林開偉+陳曼雯+高浩

    摘 要:示波器在工業(yè)和教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,使用方式均為在現(xiàn)場觀測波形并測試通道,功能相對單一。在很多場合,一方面測試人員不能長時間靠近設(shè)備;另一方面在做產(chǎn)品測試時需要長時間觀察波形,擾亂測試人員正常作息;再者在現(xiàn)場測試或產(chǎn)品開發(fā)測試時捕捉的波形需要和不在現(xiàn)場的技術(shù)人員進(jìn)行波形分析溝通,往往比較麻煩。針對目前示波器存在的上述問題,文中提出了一種物聯(lián)網(wǎng)智能示波器。該示波器集成了4G移動網(wǎng)絡(luò)、WiFi、藍(lán)牙、有線網(wǎng)絡(luò)接口、內(nèi)置開關(guān)電源輸出、麥克風(fēng)接口、耳機(jī)接口、溫濕度傳感器接口、紅外測溫接口、Mini USB、普通USB等豐富接口,并配套手機(jī)App與電腦配套軟件,可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)或PC機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)試示并觀察記錄波形,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對講,便于進(jìn)行技術(shù)交流。此外,該示波器設(shè)計(jì)了2路CAN接口,可以連接電梯等主板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將診斷分析的故障顯示到示波器屏幕,同時可以通過手機(jī)或PC機(jī)遠(yuǎn)程查看故障情況,做到故障分析與波形分析有效結(jié)合,快速高效地解決各種技術(shù)問題。

    關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)智能示波器;遠(yuǎn)程調(diào)試觀測;遠(yuǎn)程對講;遠(yuǎn)程智能診斷

    中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2017)11-00-04

    0 引 言

    示波器在工業(yè)測量、教育教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。針對示波器,相關(guān)技術(shù)人員對其進(jìn)行了諸多研究,包括示波器的應(yīng)用,二次開發(fā)以及為示波器配備的安卓系統(tǒng)和實(shí)時操作系統(tǒng)等[1-3]。對于示波器的應(yīng)用,現(xiàn)場測試人員一般在現(xiàn)場捕捉波形后進(jìn)行分析,如果需要遠(yuǎn)方的工程師共分析波形時,普遍做法是將波形進(jìn)行存儲(存儲到示波器或U盤),然后通過電腦遠(yuǎn)程將靜態(tài)圖片發(fā)送給遠(yuǎn)方配合分析的工程師。但此舉無法讓遠(yuǎn)方的分析人員看到現(xiàn)場的實(shí)時波形,且通過先存儲后發(fā)送圖片的方式很難在第一時間對波形進(jìn)行共享與分析,也很難實(shí)現(xiàn)清晰的技術(shù)交流。

    此外,對于某些需要現(xiàn)場長時間記錄波形或存在不適合人員在設(shè)備附近長期停留的強(qiáng)輻射環(huán)境的情況,使用傳統(tǒng)的示波器很難做到遠(yuǎn)離示波器的同時實(shí)時獲取波形。雖然有些示波器具備長期存儲功能,但是從存儲的大量波形中找到需要的數(shù)據(jù)比較麻煩。再者,在測試人員使用示波器時,如果需要搭建一個小的運(yùn)行平臺進(jìn)行測試,往往需要另外再找一個合適的開關(guān)電源作為系統(tǒng)的供電電源,使得搭建平臺的過程變得繁瑣,尤其在現(xiàn)場時,額外的開關(guān)電源往往不容易尋找且攜帶不便。

    當(dāng)然,有些現(xiàn)場可能不僅僅需要捕獲波形,往往還需要測量溫度、濕度等其他參數(shù),在這種情況下,一般需要攜帶多個設(shè)備分別測量,給測量人員帶來諸多不便。

    針對傳統(tǒng)示波器存在的諸多問題,結(jié)合目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展情況,本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)智能示波器設(shè)計(jì)方案。該智能示波器將4G核心板作為主控單元,集成了雙通道WiFi、4G網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏接口以及以太網(wǎng)接口,可實(shí)現(xiàn)無線或有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸并驅(qū)動觸摸屏進(jìn)行操作顯示,從而通過設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)對示波器的遠(yuǎn)程調(diào)試、觀測與對講功能,方便技術(shù)交流。同時,集成了內(nèi)置開關(guān)電源輸出、麥克風(fēng)接口、耳機(jī)接口、溫濕度傳感器接口、紅外測溫接口、Mini USB、普通USB等豐富的接口功能,并配套手機(jī)App與電腦配套軟件,在保證傳統(tǒng)示波器功能的基礎(chǔ)上,發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢,方便用戶省時地操作示波器,極大地提高現(xiàn)場解決問題的效率。當(dāng)某個身在現(xiàn)場的工程師需要和遠(yuǎn)在世界各地的相關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)交流時,只需在手機(jī)上裝載一個App或在電腦上裝載一個配套軟件,便可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時波形傳送與同步的語音、文字信息等技術(shù)交流。

    1 物聯(lián)網(wǎng)智能示波器設(shè)計(jì)

    1.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    物聯(lián)網(wǎng)智能示波器首先必須具備傳統(tǒng)示波器的所有功能,本文基于現(xiàn)場使用方便考慮,將占用空間且分布密集的操作面板更改為觸摸屏,通過觸摸屏可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置并配備安卓系統(tǒng),使得操作界面更人性化。在本文的設(shè)計(jì)中,原來密集的操作面板留出的空間被賦予了更加方便實(shí)用的功能。

    物聯(lián)網(wǎng)智能示波器包含了25個主要部件,分別為通道1~4、溫濕度傳感器接口、紅外測溫接口、示波器校準(zhǔn)掛鉤、外殼地掛鉤、Mini USB、USB、耳機(jī)接口、麥克風(fēng)、輔助調(diào)節(jié)旋鈕、CAN1、CAN2、開關(guān)電源、市電輸入、網(wǎng)口、4G網(wǎng)絡(luò)主天線、4G網(wǎng)絡(luò)輔天線、WiFi天線、藍(lán)牙天線、觸摸顯示屏、揚(yáng)聲器及內(nèi)置鋰電池。

    圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

    1.2 功能分析

    1.2.1 基本信號測試通道

    該智能示波器配置了4路基本信號測試通道,分別為圖1所示的1-通道1、2-通道2、3-通道3、4-通道4,這與目前普通示波器基本信號測試通道的配置數(shù)量和配置方法相同。不同之處在于本文設(shè)計(jì)的示波器可通過USB口外接的測試通道擴(kuò)展板進(jìn)行通道數(shù)擴(kuò)展。此外,4個通道的實(shí)時波形可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺并最終發(fā)送到手機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示或生成報表。

    1.2.2 傳感器接口

    本示波器設(shè)計(jì)了溫濕度傳感器和紅外測溫傳感器接口,分別為圖2所示的5-溫濕度傳感器接口、6-紅外測溫接口。其中5-溫濕度傳感器接口兼容普通探頭傳感器和數(shù)字輸出傳感器,在接口設(shè)計(jì)時將兩者做成一個接口以方便使用。6-紅外測溫接口提供標(biāo)準(zhǔn)的紅外測溫探頭接口,該設(shè)計(jì)主要考慮在很多工業(yè)現(xiàn)場,操作人員無法近距離接近待測物體進(jìn)行測量的情況。上述兩種傳感器的實(shí)時結(jié)果和測試曲線可通過23-觸摸顯示屏進(jìn)行設(shè)置顯示并實(shí)現(xiàn)測試顯示,浮動窗口的任意位置拖拽。

    1.2.3 校準(zhǔn)

    本示波器保留7-示波器校準(zhǔn)掛鉤,用于示波器的校準(zhǔn)。8-外殼地掛鉤一方面為示波器校準(zhǔn)探頭,接地,另一方面在通過USB擴(kuò)展通道時為擴(kuò)展板提供參考地平面。

    1.2.4 USB接口

    USB接口包含9-Mini USB和10-USB兩種接口。其中Mini USB接口可以與手機(jī)互連實(shí)現(xiàn)有線方式的通訊,示波器的顯示界面可以顯示在手機(jī)上,并可以通過手機(jī)操作示波器。此外,Mini USB口也可以作為示波器程序升級使用。10-USB接口具備以下三個功能:endprint

    (1)作為手機(jī)充電接口;

    (2)接U盤存儲當(dāng)前波形截圖;

    (3)作為擴(kuò)展通道的數(shù)據(jù)通訊口。

    10-USB接口的功能可以通過觸摸顯示屏進(jìn)行選擇。

    1.2.5 音頻接口

    音頻接口包括耳機(jī)接口、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器三個主要部分。麥克風(fēng)接口用于音頻輸入,當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程語音通話時需要此接口;揚(yáng)聲器一方面作為語音通話時的發(fā)聲部件,另一方面可以作為報警部件,是顯示鋰電池的電量、超過測量范圍的報警裝置;耳機(jī)接口是當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境比較嘈雜,麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器無法獲得良好音頻交互效果時使用的配置。

    1.2.6 電源接口

    電源接口一方面為市電輸入,如圖1中市電輸入所示。另一方面該示波器集成了直流開關(guān)電源輸出接口,如圖1中開關(guān)電源所示,可提供常用的24 V、5 V雙路直流電輸出,測試人員在進(jìn)行系統(tǒng)測試時無需再添加額外的開關(guān)電源。

    1.2.7 CAN接口

    本示波器提供了兩個CAN接口,用于采集電梯或其他設(shè)備具備CAN通訊接口的信息。示波器采集到相關(guān)信息后可以通過顯示屏顯示出相應(yīng)的諸如故障、運(yùn)行狀態(tài)等信息。同時該信息可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控設(shè)備或手機(jī)App上進(jìn)行實(shí)時顯示與存儲。

    1.2.8 以太網(wǎng)口

    本示波器集成了以太網(wǎng)接口,可以通過該接口連接以太網(wǎng)并將數(shù)據(jù)匯總到云平臺。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備或手機(jī)等智能設(shè)備可以實(shí)時監(jiān)控有效數(shù)據(jù)并將示波器的顯示界面實(shí)時顯示到監(jiān)控設(shè)備或手機(jī)App界面中。音頻通話數(shù)據(jù)也可以通過該以太網(wǎng)接口傳送到云平臺并通過云平臺轉(zhuǎn)接到相應(yīng)的監(jiān)控與智能手持設(shè)備中。

    1.2.9 無線網(wǎng)絡(luò)接口

    本示波器的無線網(wǎng)絡(luò)接口包含4G無線功能、WiFi功能以及藍(lán)牙功能。這三種無線網(wǎng)絡(luò)接口可分別用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與近距離的手持智能設(shè)備與示波器之間的實(shí)時通訊。

    其中4G模塊可通過移動通信網(wǎng)絡(luò)建立示波器、云平臺和手持智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互與語音對講交流。云平臺可以遠(yuǎn)程監(jiān)控示波器的運(yùn)行狀態(tài)并作為示波器與手持智能設(shè)備之間的交互媒介。通過云平臺授權(quán),位于世界各地的遠(yuǎn)端手持設(shè)備可以實(shí)時觀測現(xiàn)場示波器的顯示界面并遠(yuǎn)程操作示波器,從而獲取有效的采集信息。此外,通過4G模塊,遠(yuǎn)端手持設(shè)備的持有人員可以和現(xiàn)場測試人員通過智能設(shè)備的App進(jìn)行實(shí)時語音通話,實(shí)現(xiàn)更為高效便捷的技術(shù)交流,從而快而準(zhǔn)地解決現(xiàn)場問題。

    本示波器集成了WiFi模塊功能。該WiFi模塊一方面可以連接本地的無線路由,實(shí)現(xiàn)與云平臺和遠(yuǎn)程手持智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互,另一方面,當(dāng)本地不具備無線路由連接條件時,可與手持智能設(shè)備之間建立鏈接,組成局域網(wǎng),在100 m距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)示波器與手持智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。WiFi模塊的近距離應(yīng)用可以方便現(xiàn)場測試人員與被測設(shè)備之間保持一個安全的距離,且不會花費(fèi)任何一個設(shè)備的數(shù)據(jù)流量。在同一個較空曠的環(huán)境下,測試人員可以通過手持智能設(shè)備以一定的距離監(jiān)控或調(diào)節(jié)示波器,當(dāng)需要長時間觀測時,測試人員可以邊觀測邊處理其他工作,大大節(jié)省了測試監(jiān)控時間并提高了工作效率。

    本示波器集成了藍(lán)牙模塊功能。該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)更近距離(小于10 m)的手持智能設(shè)備與示波器之間的數(shù)據(jù)交互。當(dāng)被測設(shè)備具有較強(qiáng)的輻射或容易對人身安全產(chǎn)生威脅時,測試人員可以與被測設(shè)備保持一個相對安全的距離。持有手持智能設(shè)備的測試人員可在一個相對安全的位置對示波器的波形進(jìn)行監(jiān)控、存儲或?qū)κ静ㄆ鬟M(jìn)行操作。

    1.2.10 人機(jī)交互與云平臺管理

    人機(jī)交互主要涉及觸摸屏顯示界面、智能終端App以及云平臺管理三部分。觸摸屏顯示界面主要用于顯示各通道波形以及相關(guān)的菜單項(xiàng),通道、功能的選擇及波形查看均可在觸摸顯示屏上進(jìn)行,極大地簡化了傳統(tǒng)示波器諸多操作按鍵。

    對于每一臺物聯(lián)網(wǎng)智能示波器,其本身都可以設(shè)定一個專有的ID號,通過該ID號,智能終端App以及云平臺可以對該設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與實(shí)時操作,并實(shí)現(xiàn)云存儲。處于遠(yuǎn)端的智能終端持有者,打開App后可以選擇指定的設(shè)備并打開操控界面,進(jìn)入界面后可以通過網(wǎng)絡(luò)在智能終端實(shí)時觀察到現(xiàn)場的波形測試情況。智能終端持有者一方面可以觀察現(xiàn)場的實(shí)時波形,另一方面還可以通過App和處于現(xiàn)場的測試人員進(jìn)行語音對講,進(jìn)行最為直接有效的技術(shù)交流。此外,智能終端設(shè)備的持有者可以在App上設(shè)定其App編號并同步到云平臺,處于現(xiàn)場的測試人員可以輸入(或者事先錄入)指定的App編號,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場人員對指定遠(yuǎn)程技術(shù)人員的遠(yuǎn)程呼叫,遠(yuǎn)程技術(shù)人員持有的智能終端App會顯示被呼叫提示,從而建立遠(yuǎn)程波形傳送與實(shí)時語音對講系統(tǒng)。在進(jìn)行技術(shù)交流的過程中,智能終端持有者通過現(xiàn)場人員的授權(quán)操作,可以在線對示波器進(jìn)行調(diào)節(jié)操作,以獲取最佳顯示波形并選擇波形存儲,將現(xiàn)場波形存儲到遠(yuǎn)程智能終端設(shè)備上。

    諸多物聯(lián)網(wǎng)智能示波器可以在統(tǒng)一的云平臺上進(jìn)行管理、監(jiān)控,設(shè)置交互。辦公室的工作人員在PC機(jī)上打開指定的云平臺網(wǎng)頁,進(jìn)入云平臺管理界面。所有登記的設(shè)備均可在平臺上進(jìn)行監(jiān)控管理并選擇一個或幾個設(shè)備進(jìn)行實(shí)時技術(shù)交流。此外,對于每臺示波器,云平臺可以選擇是否生成長期數(shù)據(jù)報表,一旦被選擇,該臺示波器打開后會自動將波形數(shù)據(jù)傳送到云端,最終由云平臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表用于記錄長時間工作下的波形采集情況。

    1.2.11 內(nèi)置鋰電池

    內(nèi)置鋰電池主要實(shí)現(xiàn)以下兩方面的功能:

    (1)當(dāng)示波器掉電時保存當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)并備份到云平臺;

    (2)保持示波器網(wǎng)絡(luò)功能正常,此時仍可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對講。

    示波器供電正常情況下,鋰電池處于被充電狀態(tài)直至充電完畢。

    1.2.12 輔助調(diào)節(jié)

    輔助調(diào)節(jié)旋鈕用于顯示波形的微調(diào),以解決觸摸屏操作不方便的問題,和觸摸屏相互配合,實(shí)現(xiàn)波形的高精度微調(diào)。endprint

    1.3 核心硬件設(shè)計(jì)

    圖2所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的核心硬件框圖。核心硬件主要包含物聯(lián)模組和核心處理模組兩部分。核心處理模組為常規(guī)示波器模組,包含了示波器核心處理器和采集模塊,主要完成示波器的常規(guī)功能。物聯(lián)模組為本智能示波器的物聯(lián)核心,其包含了一個高度集成化的4G核心板,集成了WiFi、藍(lán)牙、4G網(wǎng)絡(luò)、音頻、觸摸屏驅(qū)動、以太網(wǎng)、USB等豐富接口,其SPI接口可以方便地進(jìn)行SPI轉(zhuǎn)CAN通訊的擴(kuò)展。該物聯(lián)模組以4G核心板為平臺,能夠以較小的體積實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的豐富功能。

    物聯(lián)模組和核心處理模組之間采用高速總線進(jìn)行通訊,兩者之間可以快速、穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)模組是遠(yuǎn)程平臺、遠(yuǎn)程智能設(shè)備與核心處理模組之間的媒介,通過該模組的嵌入使得示波器變得更加智能與方便。

    1.4 物聯(lián)系統(tǒng)分析

    圖3所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的物聯(lián)系統(tǒng)框圖。分布在各現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)智能示波器1-N通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)與云平臺互聯(lián),云平臺將獲取的每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納處理后與遠(yuǎn)程智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)架構(gòu)不局限于本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)智能示波器,對于所有的工業(yè)測量設(shè)備、儀器儀表都將是一個較為新穎的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)智能示波器作為測量領(lǐng)域的智能硬件,其將云平臺大數(shù)據(jù)的處理能力與智能終端進(jìn)行有效結(jié)合,使得技術(shù)溝通更為便捷。

    2 軟件流程

    2.1 云平臺注冊流程

    圖4所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的云平臺注冊流程。首先,通過云平臺注冊示波器的設(shè)備號,每臺設(shè)備的設(shè)備號唯一;其次,測試示波器與云平臺的連接情況,此處以心跳包的形式進(jìn)行檢測;再次,技術(shù)工程師被授權(quán)注冊登錄賬號;最后,技術(shù)工程師在其智能終端設(shè)備上安裝App并完成首次App登錄。

    2.2 物聯(lián)網(wǎng)智能示波器與遠(yuǎn)程技術(shù)人員交互流程

    圖5所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器與遠(yuǎn)程技術(shù)人員交互流程。首先啟動示波器,示波器啟動后會自動建立與云平臺的網(wǎng)絡(luò)連接。之后示波器會從云平臺自動更新已注冊的工程師列表?,F(xiàn)場測試波形人員可以查詢到已注冊且在線的工程師列表,并可選擇在線工程師進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)呼叫。遠(yuǎn)程在線工程師接收到呼叫后選擇接通,便建立了兩者之間的交互。交互一旦建立成功,云平臺會獲取現(xiàn)場示波器的實(shí)時界面,并將其發(fā)送到遠(yuǎn)程工程師的手機(jī)或PC機(jī)上,同時兩端還可以進(jìn)行語音技術(shù)交流。

    2.3 遠(yuǎn)程技術(shù)人員與現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)智能示波器交互流程

    圖6所示為遠(yuǎn)程技術(shù)人員與現(xiàn)場遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)智能示波器交互流程。該流程包括被動和主動兩種方式。對于被動方式,遠(yuǎn)程技術(shù)人員收到來自現(xiàn)場示波器的呼叫后會在手機(jī)或PC上得到振鈴提示。遠(yuǎn)程技術(shù)人員接通后便會與遠(yuǎn)程示波器建立連接,隨后示波器的實(shí)時波形便會被傳送到遠(yuǎn)程技術(shù)人員的手機(jī)或PC上。同時,語音通話機(jī)制也會建立,測試時便可以同時進(jìn)行語音技術(shù)交流。對于主動方式,遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以通過手機(jī)或PC等智能終端主動呼叫現(xiàn)場的示波器。遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以通過智能終端查詢在線示波器情況,隨后選擇相應(yīng)的在線示波器進(jìn)行呼叫請求。此時,現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)示波器會振鈴提示,當(dāng)其接通后便可以進(jìn)行實(shí)時的示波器界面?zhèn)魉团c語音技術(shù)交流。

    3 結(jié) 語

    本文設(shè)計(jì)了一種物聯(lián)網(wǎng)智能示波器,其集成的物聯(lián)模組能夠極大改善測量設(shè)備與人之間的交互。豐富的物聯(lián)網(wǎng)接口與觸摸屏的設(shè)計(jì)改變了人們對傳統(tǒng)示波器的認(rèn)識。云平臺與大數(shù)據(jù)處理的快速發(fā)展為該智能示波器和持有智能終端的人員提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)媒介。該智能示波器的設(shè)計(jì)思路可以推廣到工業(yè)測量、建筑測繪等諸多領(lǐng)域,為測量設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展壯大提供技術(shù)參考。

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