基于WIFI網絡的無線虛擬示波器設計

盛文濤　樊明龍　錢靜

【摘 要】本文介紹了一種應用WiFi技術實現(xiàn)無線傳輸?shù)奶摂M示波器方案。使用RT5350芯片設計串口轉WiFi模塊，把數(shù)據(jù)采集模塊串口發(fā)出的數(shù)據(jù)轉換成WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)，再經無線網絡傳送給PC機，由PC機上的應用軟件對數(shù)據(jù)處理后顯示出對應的波形。該方案設計出的儀器開發(fā)成本低，使用方便，應用靈活，有一定的實用價值。

【關鍵詞】虛擬示波器;WIFI;無線傳輸;RT5350

中圖分類號：TM935 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）28-0029-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.009

【Abstract】This paper describes a program that uses WiFi technology to realize wireless virtual oscilloscopes. RT5350 chip is used for making module， which can change serial data into WiFi data. The data sent by the acquisition module serial is first transformed into WiFi protocol data， then transmitted to the PC through the wireless network. The application software on the PC processes the data and shows the corresponding waveform. The device made on the basis of this design is low-cost， easy to use， flexible application and has a certain practical value.

【Key words】Virtual oscilloscope; WiFi; Wireless transmission; RT5350

0 引言

與模擬示波器相比，數(shù)字示波器具有數(shù)據(jù)存儲、運算和分析功能，易于展現(xiàn)信號動態(tài)變化過程中的全部細節(jié)和異常現(xiàn)象。虛擬數(shù)字示波器一般由檢測模塊和微型計算機組成，應用微機強大的數(shù)據(jù)處理功能，完成對模擬信號的數(shù)字處理，可實現(xiàn)各種測試功能[1-2]。

儀器儀表中常用的通信方式是通過串行接口實現(xiàn)異步通信，串行通信一般使用有線傳輸方式，這種方式雖然能適應絕大多數(shù)的應用環(huán)境，但面對一些特殊的環(huán)境，例如布線難度大、強腐蝕性、設備存在交叉運動等，有線傳輸將無法適應[3]。而使用無線傳輸技術，就不需要考慮復雜的線路敷設問題，更易于選擇合理的檢測點，維護更方便，擴展性更強。

1 系統(tǒng)硬件設計

無線虛擬示波器的結構由下位機（由數(shù)據(jù)采集模塊、WiFi單元組成）和上位機組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊的控制核心是單片機，單片機與WiFi單元之間通過串口進行數(shù)據(jù)通信。WiFi單元構成了一個無線傳感節(jié)點。上位機（PC機）中的無線網卡與WiFi單元之間按照IEEE802.11協(xié)議進行雙向無線數(shù)據(jù)通信。上位機對下位機的控制命令有兩個：運行和停止。系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)采集模塊捕獲的信號數(shù)據(jù)，首先通過串行口發(fā)送給WiFi單元，再經無線網絡發(fā)送給PC機，最后由LabVIEW軟件進行處理，并以圖形模式顯示出所測信號的變化規(guī)律。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由信號調理電路[4]、A/D轉換電路、存儲器和單片機組成。

調理電路接受測試現(xiàn)場傳感器傳送過來的模擬量信號。A/D轉換使用TI公司的8位A/D轉換器TLC5510[5]。A/D轉換器與單片機之間要加上高速數(shù)據(jù)緩存器[6]。TI公司生產的SN74ACT7808是可以實現(xiàn)FIFO（先進先出）異步讀寫操作的雙端口緩沖存儲器，存儲深度為2048×9位，從 FIFO 中讀出數(shù)據(jù)的順序與寫入順序的相同。

單片機使用Atmel公司的ATmega128芯片，這是一款低功耗、高穩(wěn)定性、高性能的8位AVR微處理器，在嵌入式系統(tǒng)設計中得到了廣泛的應用[7]。在進行信號測試時，單片機使用讀指令從緩沖器取出數(shù)據(jù)，并通過串行口發(fā)送給WiFi模塊。當單片機接收到上位機發(fā)來的“停止”命令后，將封鎖TLC5510和SN74ACT7808的時鐘信號，A/D轉換停止工作直至被喚醒為止，這樣將大大降低模塊的待機功耗。

1.2 WiFi單元硬件結構

WiFi單元硬件系統(tǒng)的核心芯片使用RT5350[8]，此芯片集成了MIPS 24KC 360 MHz處理器，支持IEEE 802.11b/g/n標準協(xié)議，具有USB、SPI、UART等接口。在本系統(tǒng)中，上、下位機使用點對點通信，只需將制作好的WiFi單元塊配置成客戶端模式，上位機配置成服務器模式，就可實現(xiàn)串口轉WiFi點對點的數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 通信協(xié)議規(guī)定

上、下位機異步通信時，一個數(shù)據(jù)包由6個字節(jié)組成：1個字節(jié)包頭，4個字節(jié)數(shù)據(jù)和1個字節(jié)結束位。表1列出了通信雙方使用的數(shù)據(jù)包格式。

2.2 單片機應用軟件設計

數(shù)據(jù)采集模塊中的單片機ATmega128主要負責三個方面的工作。一是接收上位機的控制命令，并根據(jù)命令內容選擇控制策略;二是控制模塊中A/D轉換器、高速緩沖器等電路單元，使它們合理協(xié)調地工作;三是讀取轉換好的數(shù)據(jù)，按約定的協(xié)議經WiFi模塊發(fā)送給上位機。

下位機的喚醒和休眠使用中斷觸發(fā)控制方式。如果在休眠狀態(tài)接收到“運行”命令，下位機被喚醒。如果在數(shù)據(jù)傳送過程中接收到“停止”命令，下位機立即進入休眠狀態(tài)。

2.3 上位機程序設計

上位機中的無線網卡能自動搜索WiFi模塊并與之連接，一旦連接成功，就在兩者之間建立起無線通信鏈路。上位機程序開發(fā)平臺使用LabVIEW，該軟件使用圖形化的編程語言，是開發(fā)虛擬儀器的常用軟件之一。上位機程序按功能可分為兩部分：數(shù)據(jù)通信模塊和信號處理顯示模塊。

數(shù)據(jù)通信模塊的主要實現(xiàn)三個功能：（1）在LabVIEW與WiFi模塊之間建立數(shù)據(jù)通信，（2）接收數(shù)據(jù)并存儲，（3）發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理顯示模塊包括儀器的前面板設計和功能模塊程序設計。顯示區(qū)呈現(xiàn)信號波形的動態(tài)變化過程;控制區(qū)用于實現(xiàn)對輸入通道、觸發(fā)形式、時基幅值及信號處理形式的控制。程序中的軟件功能模塊主要有信號發(fā)生模塊、信號測量模塊和頻譜分析模塊等，通過這些功能模塊實現(xiàn)對被測信號波形的顯示、存儲和回放，同時具備信號處理與分析能力。

3 測試

測試實驗所用相關設備有：振動平臺，一體化振動變送器HSBG-V3200，WiFi模塊和PC機。測試時，讓振動平臺產生不同振動強度和頻率的正弦振動信號，在電腦上觀察所測信號的波形形狀、幅值和頻率，圖2所示為試驗過程中虛擬示波器顯示的信號波形。試驗結果表明，設計的虛擬示波器上、下位機之間無線通信順暢，能準確地再現(xiàn)振動平臺產生的正弦振蕩信號。

4 結束語

應用WiFi無線通信技術設計的虛擬示波器，檢測模塊結構緊湊，使用方面，功能強大，開發(fā)成本低。在工作環(huán)境相對復雜的場合使用，優(yōu)勢尤其明顯。微型計算機不僅是示波器的顯示設備，同時也能提供更多的計算、分析和決策功能。設計的儀器在教學、科研和工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測等領域有著廣泛的應用前景。

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