【摘 要】本文介紹了一種應用WiFi技術實現無線傳輸的虛擬示波器方案。使用RT5350芯片設計串口轉WiFi模塊，把數據采集模塊串口發出的數據轉換成WiFi協議數據，再經無線網絡傳送給PC機，由PC機上的應用軟件對數據處理后顯示出對應的波形。該方案設計出的儀器開發成本低，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 Virtual oscilloscope; WiFi; Wireless transmission; RT5350
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0 引言
與模擬示波器相比，數字示波器具有數據存儲、運算和分析功能，易于展現信號動態變化過程中的全部細節和異常現象。虛擬數字示波器一般由檢測模塊和微型計算機組成，應用微機強大的數據處理功能，完成對模擬信號的數字處理，可實現各種測試功能[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的應用環境，但面對一些特殊的環境，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 系統硬件設計
無線虛擬示波器的結構由下位機(由數據采集模塊、WiFi單元組成)和上位機組成，如圖1所示。數據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據通信。WiFi單元構成了一個無線傳感節點。上位機(PC機)中的無線網卡與WiFi單元之間按照IEEE802.11協議進行雙向無線數據通信。上位機對下位機的控制命令有兩個：運行和停止。系統工作時，數據采集模塊捕獲的信號數據，首先通過串行口發送給WiFi單元，再經無線網絡發送給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律。
1.1 數據采集模塊
數據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據緩存器[6]。TI公司生產的SN74ACT7808是可以實現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 中讀出數據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、高穩定性、高性能的8位AVR微處理器，在嵌入式系統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據，并通過串行口發送給WiFi模塊。當單片機接收到上位機發來的“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標準協議，具有USB、SPI、UART等接口。在本系統中，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，就可實現串口轉WiFi點對點的數據傳輸。
2 系統軟件設計
2.1 通信協議規定
上、下位機異步通信時，一個數據包由6個字節組成：1個字節包頭，4個字節數據和1個字節結束位。表1列出了通信雙方使用的數據包格式。 2.2 單片機應用軟件設計 數據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，使它們合理協調地工作;三是讀取轉換好的數據，按約定的協議經WiFi模塊發送給上位機。 下位機的喚醒和休眠使用中斷觸發控制方式。如果在休眠狀態接收到“運行”命令，下位機被喚醒。如果在數據傳送過程中接收到“停止”命令，下位機立即進入休眠狀態。
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。上位機程序開發平臺使用LabVIEW，該軟件使用圖形化的編程語言，是開發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：數據通信模塊和信號處理顯示模塊。 數據通信模塊的主要實現三個功能：(1)在LabVIEW與WiFi模塊之間建立數據通信，(2)接收數據并存儲，(3)發送數據。 數據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。顯示區呈現信號波形的動態變化過程;控制區用于實現對輸入通道、觸發形式、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，開發成本低。在工作環境相對復雜的場合使用，優勢尤其明顯。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、科研和工業現場監測等領域有著廣泛的應用前景。
【參考文獻】
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文章名稱：基于WIFI網絡的無線虛擬示波器設計
