物联网智能示波器研究与设计

杜超+林开伟+陈曼雯+高浩

摘 要：示波器在工业和教学领域应用广泛，使用方式均为在现场观测波形并测试通道，功能相对单一。在很多场合，一方面测试人员不能长时间靠近设备；另一方面在做产品测试时需要长时间观察波形，扰乱测试人员正常作息；再者在现场测试或产品开发测试时捕捉的波形需要和不在现场的技术人员进行波形分析沟通，往往比较麻烦。针对目前示波器存在的上述问题，文中提出了一种物联网智能示波器。该示波器集成了4G移动网络、WiFi、蓝牙、有线网络接口、内置开关电源输出、麦克风接口、耳机接口、温湿度传感器接口、红外测温接口、Mini USB、普通USB等丰富接口，并配套手机App与电脑配套软件，可以实现手机或PC机远程调试示并观察记录波形，实现远程对讲，便于进行技术交流。此外，该示波器设计了2路CAN接口，可以连接电梯等主板进行数据采集，并将诊断分析的故障显示到示波器屏幕，同时可以通过手机或PC机远程查看故障情况，做到故障分析与波形分析有效结合，快速高效地解决各种技术问题。

关键词：物联网智能示波器；远程调试观测；远程对讲；远程智能诊断

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）11-00-04

0 引 言

示波器在工业测量、教育教学等领域应用广泛。针对示波器，相关技术人员对其进行了诸多研究，包括示波器的应用，二次开发以及为示波器配备的安卓系统和实时操作系统等[1-3]。对于示波器的应用，现场测试人员一般在现场捕捉波形后进行分析，如果需要远方的工程师共分析波形时，普遍做法是将波形进行存储（存储到示波器或U盘），然后通过电脑远程将静态图片发送给远方配合分析的工程师。但此举无法让远方的分析人员看到现场的实时波形，且通过先存储后发送图片的方式很难在第一时间对波形进行共享与分析，也很难实现清晰的技术交流。

此外，对于某些需要现场长时间记录波形或存在不适合人员在设备附近长期停留的强辐射环境的情况，使用传统的示波器很难做到远离示波器的同时实时获取波形。虽然有些示波器具备长期存储功能，但是从存储的大量波形中找到需要的数据比较麻烦。再者，在测试人员使用示波器时，如果需要搭建一个小的运行平台进行测试，往往需要另外再找一个合适的开关电源作为系统的供电电源，使得搭建平台的过程变得繁琐，尤其在现场时，额外的开关电源往往不容易寻找且携带不便。

当然，有些现场可能不仅仅需要捕获波形，往往还需要测量温度、湿度等其他参数，在这种情况下，一般需要携带多个设备分别测量，给测量人员带来诸多不便。

针对传统示波器存在的诸多问题，结合目前物联网的发展情况，本文提出了一种物联网智能示波器设计方案。该智能示波器将4G核心板作为主控单元，集成了双通道WiFi、4G网络、触摸屏接口以及以太网接口，可实现无线或有线网络数据传输并驱动触摸屏进行操作显示，从而通过设计软件实现对示波器的远程调试、观测与对讲功能，方便技术交流。同时，集成了内置开关电源输出、麦克风接口、耳机接口、温湿度传感器接口、红外测温接口、Mini USB、普通USB等丰富的接口功能，并配套手机App与电脑配套软件，在保证传统示波器功能的基础上，发挥物联网的优势，方便用户省时地操作示波器，极大地提高现场解决问题的效率。当某个身在现场的工程师需要和远在世界各地的相关人员进行技术交流时，只需在手机上装载一个App或在电脑上装载一个配套软件，便可以通过网络进行实时波形传送与同步的语音、文字信息等技术交流。

1 物联网智能示波器设计

1.1 基本结构设计

物联网智能示波器首先必须具备传统示波器的所有功能，本文基于现场使用方便考虑，将占用空间且分布密集的操作面板更改为触摸屏，通过触摸屏可以进行相关参数的设置并配备安卓系统，使得操作界面更人性化。在本文的设计中，原来密集的操作面板留出的空间被赋予了更加方便实用的功能。

物联网智能示波器包含了25个主要部件，分别为通道1～4、温湿度传感器接口、红外测温接口、示波器校准挂钩、外壳地挂钩、Mini USB、USB、耳机接口、麦克风、辅助调节旋钮、CAN1、CAN2、开关电源、市电输入、网口、4G网络主天线、4G网络辅天线、WiFi天线、蓝牙天线、触摸显示屏、扬声器及内置锂电池。

图1所示为物联网智能示波器的基本结构示意图。

1.2 功能分析

1.2.1 基本信号测试通道

该智能示波器配置了4路基本信号测试通道，分别为图1所示的1-通道1、2-通道2、3-通道3、4-通道4，这与目前普通示波器基本信号测试通道的配置数量和配置方法相同。不同之处在于本文设计的示波器可通过USB口外接的测试通道扩展板进行通道数扩展。此外，4个通道的实时波形可以通过有线或无线网络传送到云平台并最终发送到手机或PC机进行实时显示或生成报表。

1.2.2 传感器接口

本示波器设计了温湿度传感器和红外测温传感器接口，分别为图2所示的5-温湿度传感器接口、6-红外测温接口。其中5-溫湿度传感器接口兼容普通探头传感器和数字输出传感器，在接口设计时将两者做成一个接口以方便使用。6-红外测温接口提供标准的红外测温探头接口，该设计主要考虑在很多工业现场，操作人员无法近距离接近待测物体进行测量的情况。上述两种传感器的实时结果和测试曲线可通过23-触摸显示屏进行设置显示并实现测试显示，浮动窗口的任意位置拖拽。

1.2.3 校准

本示波器保留7-示波器校准挂钩，用于示波器的校准。8-外壳地挂钩一方面为示波器校准探头，接地，另一方面在通过USB扩展通道时为扩展板提供参考地平面。

1.2.4 USB接口

USB接口包含9-Mini USB和10-USB两种接口。其中Mini USB接口可以与手机互连实现有线方式的通讯，示波器的显示界面可以显示在手机上，并可以通过手机操作示波器。此外，Mini USB口也可以作为示波器程序升级使用。10-USB接口具备以下三个功能：endprint

（1）作为手机充电接口；

（2）接U盘存储当前波形截图；

（3）作为扩展通道的数据通讯口。

10-USB接口的功能可以通过触摸显示屏进行选择。

1.2.5 音频接口

音频接口包括耳机接口、麦克风和扬声器三个主要部分。麦克风接口用于音频输入，当进行远程语音通话时需要此接口；扬声器一方面作为语音通话时的发声部件，另一方面可以作为报警部件，是显示锂电池的电量、超过测量范围的报警装置；耳机接口是当现场环境比较嘈杂，麦克风和扬声器无法获得良好音频交互效果时使用的配置。

1.2.6 电源接口

电源接口一方面为市电输入，如图1中市电输入所示。另一方面该示波器集成了直流开关电源输出接口，如图1中开关电源所示，可提供常用的24 V、5 V双路直流电输出，测试人员在进行系统测试时无需再添加额外的开关电源。

1.2.7 CAN接口

本示波器提供了两个CAN接口，用于采集电梯或其他设备具备CAN通讯接口的信息。示波器采集到相关信息后可以通過显示屏显示出相应的诸如故障、运行状态等信息。同时该信息可以通过有线或无线网络在监控设备或手机App上进行实时显示与存储。

1.2.8 以太网口

本示波器集成了以太网接口，可以通过该接口连接以太网并将数据汇总到云平台。远程监控设备或手机等智能设备可以实时监控有效数据并将示波器的显示界面实时显示到监控设备或手机App界面中。音频通话数据也可以通过该以太网接口传送到云平台并通过云平台转接到相应的监控与智能手持设备中。

1.2.9 无线网络接口

本示波器的无线网络接口包含4G无线功能、WiFi功能以及蓝牙功能。这三种无线网络接口可分别用于实现远程与近距离的手持智能设备与示波器之间的实时通讯。

其中4G模块可通过移动通信网络建立示波器、云平台和手持智能设备之间的数据交互与语音对讲交流。云平台可以远程监控示波器的运行状态并作为示波器与手持智能设备之间的交互媒介。通过云平台授权，位于世界各地的远端手持设备可以实时观测现场示波器的显示界面并远程操作示波器，从而获取有效的采集信息。此外，通过4G模块，远端手持设备的持有人员可以和现场测试人员通过智能设备的App进行实时语音通话，实现更为高效便捷的技术交流，从而快而准地解决现场问题。

本示波器集成了WiFi模块功能。该WiFi模块一方面可以连接本地的无线路由，实现与云平台和远程手持智能设备之间的数据交互，另一方面，当本地不具备无线路由连接条件时，可与手持智能设备之间建立链接，组成局域网，在100 m距离范围内实现示波器与手持智能设备之间的数据交互。WiFi模块的近距离应用可以方便现场测试人员与被测设备之间保持一个安全的距离，且不会花费任何一个设备的数据流量。在同一个较空旷的环境下，测试人员可以通过手持智能设备以一定的距离监控或调节示波器，当需要长时间观测时，测试人员可以边观测边处理其他工作，大大节省了测试监控时间并提高了工作效率。

本示波器集成了蓝牙模块功能。该模块主要用于实现更近距离（小于10 m）的手持智能设备与示波器之间的数据交互。当被测设备具有较强的辐射或容易对人身安全产生威胁时，测试人员可以与被测设备保持一个相对安全的距离。持有手持智能设备的测试人员可在一个相对安全的位置对示波器的波形进行监控、存储或对示波器进行操作。

1.2.10 人机交互与云平台管理

人机交互主要涉及触摸屏显示界面、智能终端App以及云平台管理三部分。触摸屏显示界面主要用于显示各通道波形以及相关的菜单项，通道、功能的选择及波形查看均可在触摸显示屏上进行，极大地简化了传统示波器诸多操作按键。

对于每一台物联网智能示波器，其本身都可以设定一个专有的ID号，通过该ID号，智能终端App以及云平台可以对该设备进行实时监控与实时操作，并实现云存储。处于远端的智能终端持有者，打开App后可以选择指定的设备并打开操控界面，进入界面后可以通过网络在智能终端实时观察到现场的波形测试情况。智能终端持有者一方面可以观察现场的实时波形，另一方面还可以通过App和处于现场的测试人员进行语音对讲，进行最为直接有效的技术交流。此外，智能终端设备的持有者可以在App上设定其App编号并同步到云平台，处于现场的测试人员可以输入（或者事先录入）指定的App编号，实现现场人员对指定远程技术人员的远程呼叫，远程技术人员持有的智能终端App会显示被呼叫提示，从而建立远程波形传送与实时语音对讲系统。在进行技术交流的过程中，智能终端持有者通过现场人员的授权操作，可以在线对示波器进行调节操作，以获取最佳显示波形并选择波形存储，将现场波形存储到远程智能终端设备上。

诸多物联网智能示波器可以在统一的云平台上进行管理、监控，设置交互。办公室的工作人员在PC机上打开指定的云平台网页，进入云平台管理界面。所有登记的设备均可在平台上进行监控管理并选择一个或几个设备进行实时技术交流。此外，对于每台示波器，云平台可以选择是否生成长期数据报表，一旦被选择，该台示波器打开后会自动将波形数据传送到云端，最终由云平台生产数据报表用于记录长时间工作下的波形采集情况。

1.2.11 内置锂电池

内置锂电池主要实现以下两方面的功能：

（1）当示波器掉电时保存当前状态数据并备份到云平台；

（2）保持示波器网络功能正常，此时仍可实现远程对讲。

示波器供电正常情况下，锂电池处于被充电状态直至充电完毕。

1.2.12 辅助调节

辅助调节旋钮用于显示波形的微调，以解决触摸屏操作不方便的问题，和触摸屏相互配合，实现波形的高精度微调。endprint

1.3 核心硬件设计

图2所示为物联网智能示波器的核心硬件框图。核心硬件主要包含物联模组和核心处理模组两部分。核心处理模组为常规示波器模组，包含了示波器核心处理器和采集模块，主要完成示波器的常规功能。物联模组为本智能示波器的物联核心，其包含了一个高度集成化的4G核心板，集成了WiFi、蓝牙、4G网络、音频、触摸屏驱动、以太网、USB等丰富接口，其SPI接口可以方便地进行SPI转CAN通讯的扩展。该物联模组以4G核心板为平台，能够以较小的体积实现物联网智能示波器的丰富功能。

物联模组和核心处理模组之间采用高速总线进行通讯，两者之间可以快速、稳定地进行数据交互。物联模组是远程平台、远程智能设备与核心处理模组之间的媒介，通过该模组的嵌入使得示波器变得更加智能与方便。

1.4 物联系统分析

图3所示为物联网智能示波器的物联系统框图。分布在各现场的物联网智能示波器1-N通过无线或有线网络与云平台互联，云平台将获取的每台设备的数据进行归纳处理后与远程智能终端进行数据交互。该系统架构不局限于本文设计的物联网智能示波器，对于所有的工业测量设备、仪器仪表都将是一个较为新颖的发展方向。物联网智能示波器作为测量领域的智能硬件，其将云平台大数据的处理能力与智能终端进行有效结合，使得技术沟通更为便捷。

2 软件流程

2.1 云平台注册流程

图4所示为物联网智能示波器的云平台注册流程。首先，通过云平台注册示波器的设备号，每台设备的设备号唯一；其次，测试示波器与云平台的连接情况，此处以心跳包的形式进行检测；再次，技术工程师被授权注册登录账号；最后，技术工程师在其智能终端设备上安装App并完成首次App登录。

2.2 物联网智能示波器与远程技术人员交互流程

图5所示为物联网智能示波器與远程技术人员交互流程。首先启动示波器，示波器启动后会自动建立与云平台的网络连接。之后示波器会从云平台自动更新已注册的工程师列表。现场测试波形人员可以查询到已注册且在线的工程师列表，并可选择在线工程师进行网络呼叫。远程在线工程师接收到呼叫后选择接通，便建立了两者之间的交互。交互一旦建立成功，云平台会获取现场示波器的实时界面，并将其发送到远程工程师的手机或PC机上，同时两端还可以进行语音技术交流。

2.3 远程技术人员与现场物联网智能示波器交互流程

图6所示为远程技术人员与现场远程物联网智能示波器交互流程。该流程包括被动和主动两种方式。对于被动方式，远程技术人员收到来自现场示波器的呼叫后会在手机或PC上得到振铃提示。远程技术人员接通后便会与远程示波器建立连接，随后示波器的实时波形便会被传送到远程技术人员的手机或PC上。同时，语音通话机制也会建立，测试时便可以同时进行语音技术交流。对于主动方式，远程技术人员可以通过手机或PC等智能终端主动呼叫现场的示波器。远程技术人员可以通过智能终端查询在线示波器情况，随后选择相应的在线示波器进行呼叫请求。此时，现场的物联网示波器会振铃提示，当其接通后便可以进行实时的示波器界面传送与语音技术交流。

3 结 语

本文设计了一种物联网智能示波器，其集成的物联模组能够极大改善测量设备与人之间的交互。丰富的物联网接口与触摸屏的设计改变了人们对传统示波器的认识。云平台与大数据处理的快速发展为该智能示波器和持有智能终端的人员提供了强大的数据媒介。该智能示波器的设计思路可以推广到工业测量、建筑测绘等诸多领域，为测量设备物联网的发展壮大提供技术参考。

参考文献

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