盛文濤　樊明龍　錢靜

【摘 要】本文介紹了一種應(yīng)用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)奶摂M示波器方案。使用RT5350芯片設(shè)計(jì)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，把數(shù)據(jù)采集模塊串口發(fā)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)，再經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳送給PC機(jī)，由PC機(jī)上的應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后顯示出對(duì)應(yīng)的波形。該方案設(shè)計(jì)出的儀器開發(fā)成本低，使用方便，應(yīng)用靈活，有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】虛擬示波器;WIFI;無線傳輸;RT5350

中圖分類號(hào)：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(chǔ)、運(yùn)算和分析功能，易于展現(xiàn)信號(hào)動(dòng)態(tài)變化過程中的全部細(xì)節(jié)和異?，F(xiàn)象。虛擬數(shù)字示波器一般由檢測(cè)模塊和微型計(jì)算機(jī)組成，應(yīng)用微機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，完成對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字處理，可實(shí)現(xiàn)各種測(cè)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(shí)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(yīng)絕大多數(shù)的應(yīng)用環(huán)境，但面對(duì)一些特殊的環(huán)境，例如布線難度大、強(qiáng)腐蝕性、設(shè)備存在交叉運(yùn)動(dòng)等，有線傳輸將無法適應(yīng)[3]。而使用無線傳輸技術(shù)，就不需要考慮復(fù)雜的線路敷設(shè)問題，更易于選擇合理的檢測(cè)點(diǎn)，維護(hù)更方便，擴(kuò)展性更強(qiáng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線虛擬示波器的結(jié)構(gòu)由下位機(jī)（由數(shù)據(jù)采集模塊、WiFi單元組成）和上位機(jī)組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊的控制核心是單片機(jī)，單片機(jī)與WiFi單元之間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。WiFi單元構(gòu)成了一個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)（PC機(jī)）中的無線網(wǎng)卡與WiFi單元之間按照IEEE802.11協(xié)議進(jìn)行雙向無線數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制命令有兩個(gè)：運(yùn)行和停止。系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊捕獲的信號(hào)數(shù)據(jù)，首先通過串行口發(fā)送給WiFi單元，再經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PC機(jī)，最后由LabVIEW軟件進(jìn)行處理，并以圖形模式顯示出所測(cè)信號(hào)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(hào)調(diào)理電路[4]、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器和單片機(jī)組成。

調(diào)理電路接受測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)傳感器傳送過來的模擬量信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換使用TI公司的8位A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510[5]。A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間要加上高速數(shù)據(jù)緩存器[6]。TI公司生產(chǎn)的SN74ACT7808是可以實(shí)現(xiàn)FIFO（先進(jìn)先出）異步讀寫操作的雙端口緩沖存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)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(jī)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(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。在進(jìn)行信號(hào)測(cè)試時(shí)，單片機(jī)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(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)來的“停止”命令后，將封鎖TLC5510和SN74ACT7808的時(shí)鐘信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換停止工作直至被喚醒為止，這樣將大大降低模塊的待機(jī)功耗。

1.2 WiFi單元硬件結(jié)構(gòu)

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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有USB、SPI、UART等接口。在本系統(tǒng)中，上、下位機(jī)使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，只需將制作好的WiFi單元塊配置成客戶端模式，上位機(jī)配置成服務(wù)器模式，就可實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)WiFi點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信協(xié)議規(guī)定

上、下位機(jī)異步通信時(shí)，一個(gè)數(shù)據(jù)包由6個(gè)字節(jié)組成：1個(gè)字節(jié)包頭，4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)結(jié)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(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

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

下位機(jī)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(yùn)行”命令，下位機(jī)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(jī)立即進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)中的無線網(wǎng)卡能自動(dòng)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(jī)程序開發(fā)平臺(tái)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(jī)程序按功能可分為兩部分：數(shù)據(jù)通信模塊和信號(hào)處理顯示模塊。

數(shù)據(jù)通信模塊的主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)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(chǔ)，（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(shè)計(jì)和功能模塊程序設(shè)計(jì)。顯示區(qū)呈現(xiàn)信號(hào)波形的動(dòng)態(tài)變化過程;控制區(qū)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入通道、觸發(fā)形式、時(shí)基幅值及信號(hào)處理形式的控制。程序中的軟件功能模塊主要有信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)測(cè)量模塊和頻譜分析模塊等，通過這些功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)波形的顯示、存儲(chǔ)和回放，同時(shí)具備信號(hào)處理與分析能力。

3 測(cè)試

測(cè)試實(shí)驗(yàn)所用相關(guān)設(shè)備有：振動(dòng)平臺(tái)，一體化振動(dòng)變送器HSBG-V3200，WiFi模塊和PC機(jī)。測(cè)試時(shí)，讓振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生不同振動(dòng)強(qiáng)度和頻率的正弦振動(dòng)信號(hào)，在電腦上觀察所測(cè)信號(hào)的波形形狀、幅值和頻率，圖2所示為試驗(yàn)過程中虛擬示波器顯示的信號(hào)波形。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的虛擬示波器上、下位機(jī)之間無線通信順暢，能準(zhǔn)確地再現(xiàn)振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生的正弦振蕩信號(hào)。

4 結(jié)束語

應(yīng)用WiFi無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的虛擬示波器，檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)緊湊，使用方面，功能強(qiáng)大，開發(fā)成本低。在工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)合使用，優(yōu)勢(shì)尤其明顯。微型計(jì)算機(jī)不僅是示波器的顯示設(shè)備，同時(shí)也能提供更多的計(jì)算、分析和決策功能。設(shè)計(jì)的儀器在教學(xué)、科研和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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