便携式WiFi虚拟示波器设计

蔡小伟，康宝泉，张开灿（龙岩学院　机电工程学院，福建　龙岩　364012）



便携式WiFi虚拟示波器设计

蔡小伟，康宝泉，张开灿
（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364012）

摘要：为解决传统示波器不能实现测量与观察分离及在各种现场测试的不便，提出一种基于STM32的WiFi无线通信便携式虚拟示波器的设计方案.以STM32为核心主控，利用其内部A/D电路，完成数据处理等；信号调理模块，完成前端信号的预处理；WiFi模块用于与客户端实现数据交换；编写Android客户端显示软件，用于波形显示及产生控制信号.经测试验证，本设计思路正确，该示波器性能参数达到设计要求.

关键词：便携式虚拟示波器；WiFi；Android；STM32

示波器作为电子测量仪器最常用的仪器之一，已从传统的模拟示波器过渡到数字示波器，且出现了虚拟示波器，智能示波器等现代示波器［1-4］.传统的数字示波器由于体积相对比较大，在现场使用，特别是一些环境恶劣的工业现场，存在携带、测试等不便.适应市场需求出现了便携式示波器［5］，这种示波器具有体积小、便携、成本低等优势，使其在示波器领域有着广阔的发展前景.然而随着智能移动终端平台的发展，在移动终端系统上开发虚拟仪器已成为现实，出现了基于Android平台的虚拟示波器，该类示波器要么以纯软件设计的虚拟示波器［6、7］，要么把数据采集模块与Android终端平台通过USB连接的虚拟示波器［8］，这类示波器本质上与便携式示波器没太大区别，并不能完全发挥便携式示波器与移动终端的特性，在对于一些需要将测试点与观测点分离的场合便无法实现，因此开发研究一款将便携式示波器通过无线通信方式与智能移动终端平台结合的无线便携式虚拟示波器已成为新的发展趋势［9］.

文中设计了一种基于WiFi无线通信便携式虚拟示波器，该系统具有数据采集与波形显示分离特点.其中数据采集部分具有1MSPS实时采样率、10mV～3V垂直灵敏度、1us～1s的时基范围以及触发电压可调的边沿触发方式；波形显示基于Android平台开发的应用程序，可安装于带有WiFi通信功能的手机、平板电脑等智能终端.

1　总体方案设计

便携式WiFI虚拟示波器的总体结构如图1所示，主要包括耦合电路、信号调理电路、触发电路、电源电路、WiFi发射模块、Android显示客户端及STM32主控组成.耦合电路用于实现直流耦合、交流耦合及实现数字地；由主控芯片产生PWM的信号经阻容耦合转化成直流电压，作为触发电路中电压比较器的基准电压；电源电路主要将电池9V电压转换成5V、3.3V及-5V电压；信号调理电路主要用于对输入信号的衰减及阻抗匹配，又STM32内部自带的A/D无法对负电压进行采集，所以在信号调理电路中设计偏置电路；主控采用STM32F103C8T6负责数据的采集、处理及发送；WiFi发射模块主要负责数据交互模块采用 HX—M02 WiFi无线透传模块，内置两个协议分别是无线网络协议IEEE802.11协议栈和TCP/IP协议栈，能够实现用户嵌入式设备数据与无线网络之间的相互转换的目的；Android显示客户端，由基于Android的操作系统编写，可运行于Android 4.0以的设备，主要向主控模块发送触发命令，主控模块会将数据打包，并经数据交互通道的数据转换操作后发送，最终在本客户设备端进行波形显示.

图1　总体结构图

2　系统硬件电路设计及实现

2.1电源电路

本示波器由内部9V电池供电，经过LM7805稳压得到直流5V电源，可作WiFi模块电源及运放LM324的正电源.直流5V电源经过AMS1117稳压输出3.3V直流电压，可作主控芯片供电.由于输入信号有正负，所以在本设计中的运放LM324采用正负电源供电，负电源部分由V+先由三极管Q1、电感L2和二极管D1组成的开关电源电路产生负电压DC-9（V-），再经过L1、C25滤波以及79L05稳压后输出DC-5V（AV-），而开关管S8050（Q1）的通断则是由STM32输生的方波信号连接VGEN通过9014（Q2）来驱动，电路图如图2.

图2　负电源电路

2.2信号调理电路

信号调理电路主要衰减电路、阻抗匹配电路及偏置电路组成.衰减电路是为了保证在较大的信号输入时，能够在STM32内部A/D采样的范围之内，以避免造成信号的失真或是损坏主控芯片.本设计通过两级的衰减达到衰减的目的，第一级由阻容衰减电路组成，见图3，本设计选用1倍、1/10倍及1/100倍三种衰减率.如1/10倍衰减选取R4+R7= MΩ，则R4=1.8MΩ，R7=200KΩ.第二级衰减在第一级衰减后经过LM324构成的电压跟随器后使用分压电路再次衰减，如图分别选取R3=300Ω，R8=180Ω，R10=120Ω，则可得分压档次为1倍、0.5倍与0.2倍.最终可由选择开关SW2A与SW3A选择构成3×3=9种衰减方式，并得用STM32内部A/D分时检测开关信号，以便得知所选择的衰减方式.图中LM324构成的电压跟随器是为了减少负载对信号的影响与提高负载能力，同时增加对下一级电路的驱动能力，也能同时增加抗干扰能力.

图3　衰减电路原理图

图4　偏置电路

在信号调号电路中还有一个关键电路，即偏置电路.由于采用的是STM32内部自带的A/D无法检测负电压，所以需要将信号电平中点设置在A/D参考电压的中点.原理图如图4.图中AIN1为衰减电路的输出端，ADCIN接STM32的A/D输入端，ADCIN_TRIG为信号源到触发电路的输入端.图中利用电阻R6与R9分压得分压电压为 （AV-）×R9/ （R6+R9）=-5V×1.5K/（1.5K+3K）≈1.6V.

2.3触发电路

触发电路的提供的目的是保证每次时基扫描或采集的时候，都是从输入信号上和自己所定义相同的触发条件开始，这样做的目的就保证了每一次扫描或采集的波形就是同步的，示波器实现了每次捕获的波形相重叠，这样一来就能显示非常稳定的波形或保证单次信号的捕获.为了使示波器工作在触发模式，使A/D采样的波形能够稳定的显示，系统中需要有个触发电平，这里的触发电平由比较电路产生，如图5.由PB8输出PWM，通过电阻与电容的耦合产生不同的直流电压与不同输入电压信号进行比较，输出方波信号，方波的上升沿或下降沿触发AD进行采样.

图5　触发电路

2.4WiFi传输模块与数据传输

WiFi模块作为传输介质，它从STM32的外设串口中读取信号，并经过数据转换后，通过无线WiFi传递到移动终端.同时也接收智能端设置的命令，并以多字节的方式一次性传递给串口接口，最后到达STM32处理器.本课程设计采用的是HX-M02WiFi无线透传模块，它是一款单面票邮孔式嵌入式WiFi模块.它是符合WiFi无线网络标准，其主要是基于UART与SPI接口的嵌入式模块.HX-M02WiFi里内置了两个协议分别是无线网络协议IEEE802.11协议栈和TCP/IP协议栈，能够实现用户嵌入式设备数据与无线网络之间的相互转换的目的.

由于STM32与WiFi模块通信接口采用的串口通信，为保证数据的可靠性传输与相关服务，需要定义其通信协议，本设计采用自己定义通信协议，其格式如表1.

3　Android平台应用程序设计

Android智能设备作为本次设计的通用显示模块，主要实现2个功能：（1）数据的接收与解析.（2）波形与频率等的显示.运用基于Android的Java语言编写示波器的上层应用程序.该应用程序主要包括显示界面的设计、菜单模块的建立、数据的交互、波形显示等功能.最终完成软件可运行于带WiFi的Android平台，具有很好的通用性.开发的Android软件界面如图6.

表1　通信协议

图6　Android软件界面

4　实验测试

对设计的样机与软件进行测试，图7为测试对比图.采用UNI-T型号UTG9020D的信号发生仪，产生频率1.234kHz、幅度6V的交流正弦波，对比示波器为DS1102D.示波器测得频率为 1.225kHz、幅值 6.2V，本机测得1.235kHz、幅值5.9V.分别对输入不同的频率与幅值，测得数据如表2.通过计算上表测试数据的相对误差显示，函数信号发生器输出的频率和手机显示端读出的频率数据相对误差平均在0.0%～0.05%，允许范围内，在对比函数信号发生器输出的幅值和手机端人工读值可知，相对误差在1.67% ～6.25%，相对误差比较大.

表2　实验测试数据

图7　测试对比图

5　结语

文中基于STM32单片机进行了便携式WiFI虚拟示波器设计，并编写了基于Android的显示控制软件，克服了传统示波器不能实现测量与观察分离等测试不便问题.设计完成后测试表明该示波器基本能实现示波器功能，具有广泛的应用前景.

参考文献：

〔1〕荣军，周洋，李宏民，丁跃浇.简易数字控制存储示波器设计［J］.实验技术与管理，2014（03）：70-74.

〔2〕刘帅，张浩然，.基于STM32的便携式多功能数字示波器设计［J］.微型机与应用，2015，34（15）.

〔3〕周富相，陈德毅，刘培国，魏政霞.基于STM32的数字示波器设计与实现［J］.山西电子技术，2011（02）：8-10.

〔4〕丁红斌，秦会斌，孙顺远.基于STM32的虚拟示波器的设计与实现［J］.电子器件，2009（06）：1007-1010.

〔5〕徐巧玉，李鹏，王军委，赵传锋.便携式数字存储示波器的设计［J］.自动化与仪表，2014（04）：19-22.

〔6〕屈欢.基于Android平台的无线数字示波器设计［D］.电子科技大学，2013.

〔7〕王升.基于Android平台的虚拟示波器开发［D］.哈尔滨理工大学，2014.

〔8〕赵仕庆.基于Android的虚拟仪器软件系统设计［D］.电子科技大学，2014.

〔9〕肖云.基于WiFi的Android虚拟示波器的软件设计与实现［D］.电子科技大学，2015.

中图分类号：TN935.3

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）06-0029-03

收稿日期：2016-03-20

基金项目：福建省大学生创新创业训练计划资助项目《基于wi-fi的手机虚拟数字示波器设计》（S20141007）