基于WIFI网络的无线虚拟示波器设计

来源：博源学术分类：电子论文发布时间：2019-11-08

　　【摘要】本文介绍了一种应用WiFi技术实现无线传输的虚拟示波器方案。使用RT5350芯片设计串口转WiFi模块，把数据采集模块串口发出的数据转换成WiFi协议数据，再经无线网络传送给PC机，由PC机上的应用软件对数据处理后显示出对应的波形。该方案设计出的仪器开发成本低，使用方便，应用灵活，有一定的实用价值。

　　【关键词】虚拟示波器;WIFI;无线传输;RT5350 中图分类号：TM935 文献标识码： A

　　文章编号： 2095-2457(2019)28-0029-002

　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.009 Virtual oscilloscope; WiFi; Wireless transmission; RT5350

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　　0 引言

　　與模拟示波器相比，数字示波器具有数据存储、运算和分析功能，易于展现信号动态变化过程中的全部细节和异常现象。虚拟数字示波器一般由检测模块和微型计算机组成，应用微机强大的数据处理功能，完成对模拟信号的数字处理，可实现各种测试功能[1-2]。仪器仪表中常用的通信方式是通过串行接口实现异步通信，串行通信一般使用有线传输方式，这种方式虽然能适应绝大多数的应用环境，但面对一些特殊的环境，例如布线难度大、强腐蚀性、设备存在交叉运动等，有线传输将无法适应[3]。而使用无线传输技术，就不需要考虑复杂的线路敷设问题，更易于选择合理的检测点，维护更方便，扩展性更强。

　　1 系统硬件设计

　　无线虚拟示波器的结构由下位机(由数据采集模块、WiFi单元组成)和上位机组成，如图1所示。数据采集模块的控制核心是单片机，单片机与WiFi单元之间通过串口进行数据通信。WiFi单元构成了一个无线传感节点。上位机(PC机)中的无线网卡与WiFi单元之间按照IEEE802.11协议进行双向无线数据通信。上位机对下位机的控制命令有两个：运行和停止。系统工作时，数据采集模块捕获的信号数据，首先通过串行口发送给WiFi单元，再经无线网络发送给PC机，最后由LabVIEW软件进行处理，并以图形模式显示出所测信号的变化规律。

　　1.1 数据采集模块

　　数据采集模块主要由信号调理电路[4]、A/D转换电路、存储器和单片机组成。调理电路接受测试现场传感器传送过来的模拟量信号。A/D转换使用TI公司的8位A/D转换器TLC5510[5]。A/D转换器与单片机之间要加上高速数据缓存器[6]。TI公司生产的SN74ACT7808是可以实现FIFO(先进先出)异步读写操作的双端口缓冲存储器，存储深度为2048×9位，从 FIFO 中读出数据的顺序与写入顺序的相同。单片机使用Atmel公司的ATmega128芯片，这是一款低功耗、高稳定性、高性能的8位AVR微处理器，在嵌入式系统设计中得到了广泛的应用[7]。在进行信号测试时，单片机使用读指令从缓冲器取出数据，并通过串行口发送给WiFi模块。当单片机接收到上位机发来的“停止”命令后，将封锁TLC5510和SN74ACT7808的时钟信号，A/D转换停止工作直至被唤醒为止，这样将大大降低模块的待机功耗。

　　1.2 WiFi单元硬件结构

　　WiFi单元硬件系统的核心芯片使用RT5350[8]，此芯片集成了MIPS 24KC 360 MHz处理器，支持IEEE 802.11b/g/n标准协议，具有USB、SPI、UART等接口。在本系统中，上、下位机使用点对点通信，只需将制作好的WiFi单元块配置成客户端模式，上位机配置成服务器模式，就可实现串口转WiFi点对点的数据传输。

　　2 系统软件设计

　　2.1 通信协议规定

　　上、下位机异步通信时，一个数据包由6个字节组成：1个字节包头，4个字节数据和1个字节结束位。表1列出了通信双方使用的数据包格式。 2.2 单片机应用软件设计数据采集模块中的单片机ATmega128主要负责三个方面的工作。一是接收上位机的控制命令，并根据命令内容选择控制策略;二是控制模块中A/D转换器、高速缓冲器等电路单元，使它们合理协调地工作;三是读取转换好的数据，按约定的协议经WiFi模块发送给上位机。下位机的唤醒和休眠使用中断触发控制方式。如果在休眠状态接收到“运行”命令，下位机被唤醒。如果在数据传送过程中接收到“停止”命令，下位机立即进入休眠状态。

　　2.3 上位机程序设计

　　上位机中的无线网卡能自动搜索WiFi模块并与之连接，一旦连接成功，就在两者之间建立起无线通信链路。上位机程序开发平台使用LabVIEW，该软件使用图形化的编程语言，是开发虚拟仪器的常用软件之一。上位机程序按功能可分为两部分：数据通信模块和信号处理显示模块。数据通信模块的主要实现三个功能：(1)在LabVIEW与WiFi模块之间建立数据通信，(2)接收数据并存储，(3)发送数据。数据处理显示模块包括仪器的前面板设计和功能模块程序设计。显示区呈现信号波形的动态变化过程;控制区用于实现对输入通道、触发形式、时基幅值及信号处理形式的控制。程序中的软件功能模块主要有信号发生模块、信号测量模块和频谱分析模块等，通过这些功能模块实现对被测信号波形的显示、存储和回放，同时具备信号处理与分析能力。

　　3 测试

　　测试实验所用相关设备有：振动平台，一体化振动变送器HSBG-V3200，WiFi模块和PC机。测试时，让振动平台产生不同振动强度和频率的正弦振动信号，在电脑上观察所测信号的波形形状、幅值和频率，图2所示为试验过程中虚拟示波器显示的信号波形。试验结果表明，设计的虚拟示波器上、下位机之间无线通信顺畅，能准确地再现振动平台产生的正弦振荡信号。

　　4 结束语

　　应用WiFi无线通信技术设计的虚拟示波器，检测模块结构紧凑，使用方面，功能强大，开发成本低。在工作环境相对复杂的场合使用，优势尤其明显。微型计算机不仅是示波器的显示设备，同时也能提供更多的计算、分析和决策功能。设计的仪器在教学、科研和工业现场监测等领域有着广泛的应用前景。

　　【參考文献】

　　[1]杨程，尹超，冯辉宗，等.压铸设备运行实时监控系统研究及应用[J].现代制造工程，2015(11)：113-118.

　　[2]陈昌鑫，勒鸿，冯彦君，等.数据采集卡和虚拟示波器系统[J].仪表技术与传感器，2012(3)：67-69，72.

　　[3]唐林林，赵秋明.LabVIEW的串口转WiFi数据传输实现方法[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15(9)：26-28.

　　[4]刘畅，刘修权，黄平.胶囊内窥镜弱磁场测量系统设计与实验研究[J].现代制造工程，2016(7)：95-100.

　　[5]姜虎强，姜平，杜亚江，等.基于ATmega128的无线数据采集系统[J].微计算机信息，2007，23(26)：129-130.

　　[6]马英杰，万文杰，陈可.高速核脉冲信号数字存储示波器的研制[J].核电子学与探测技术，2015(10)：1017-1022

　　[7]樊明龙，赵剑峰，周杰.基于双处理器的消防应急电源控制系统研制[J].消防科学与技术，2015(6)：786-788.

　　[8]闫巧，李保广.嵌入式3G路由器实用功能的设计与实现[J].计算机工程与设计，2014，35(5)：1634-1638.undefined

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