【摘 要】本文介紹了一種應(yīng)用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(kāi)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(wú)線(xiàn)傳輸;RT5350 中圖分類(lèi)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 Virtual oscilloscope; WiFi; Wireless transmission; RT5350
《電子世界》雜志由中國(guó)電子學(xué)會(huì)主辦，創(chuàng)刊于1979年，讀者遍及全國(guó)30個(gè)省、市、自治區(qū)。本刊全方位推崇E時(shí)代大眾電子科學(xué)意識(shí)，傳播電子與信息領(lǐng)域的新知識(shí)、新技術(shù)，發(fā)表最新科研成果和展示技術(shù)進(jìn)展?fàn)顩r，始終注重扶持學(xué)術(shù)新人，尤其關(guān)注廣大青年科技工作者，優(yōu)先發(fā)表理工科青年教師和研究生中的優(yōu)秀學(xué)術(shù)稿件。
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(guò)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(guò)串行接口實(shí)現(xiàn)異步通信，串行通信一般使用有線(xiàn)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(xiàn)難度大、強(qiáng)腐蝕性、設(shè)備存在交叉運(yùn)動(dòng)等，有線(xiàn)傳輸將無(wú)法適應(yīng)[3]。而使用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，就不需要考慮復(fù)雜的線(xiàn)路敷設(shè)問(wèn)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(wú)線(xiàn)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(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。WiFi單元構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)(PC機(jī))中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡與WiFi單元之間按照IEEE802.11協(xié)議進(jìn)行雙向無(wú)線(xiàn)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(guò)串行口發(fā)送給WiFi單元，再經(jīng)無(wú)線(xiàn)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(guò)來(lái)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(xiě)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(xiě)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(guò)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(lái)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(hù)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(guò)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信鏈路。上位機(jī)程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用LabVIEW，該軟件使用圖形化的編程語(yǔ)言，是開(kāi)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(guò)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(guò)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(guān)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(guò)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(wú)線(xiàn)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(yǔ)
應(yīng)用WiFi無(wú)線(xiàn)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(kāi)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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文章名稱(chēng)：基于WIFI網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)虛擬示波器設(shè)計(jì)
