基于Python的示波器实时监控实验设计

胡哲 邱继云

摘要：基于Python语言，设计了计算机对示波器SDS5054X的实时监控实验。通过访问示波器IP地址与端口号，建立TCP连接。计算机向示波器发送SCPI指令，读取示波器实时波形并以BMP图片格式保存在电脑里。该实验过程有助于学生加深TCP协议相关理论知识的理解，实现远程访问和操控示波器。同时可使学生熟悉Python语言的集成开发环境Pycharm，有效提高学生编写与调试代码的能力，对提高工程实践能力具有显著作用。

关键词：实验设计；Python；示波器；TCP通信

中图分类号：G482文献标识码：A

ExperimentalDesignofOscilloscopeRealtimeMonitoringBasedonPython

HuZheQiuJiyun

SchoolofElectronicandCommunicationEngineering，SunYatsenUniversityGuangdongShenzhen518107

Abstract：BasedonPythonlanguage，therealtimemonitoringexperimentofoscilloscopeSDS5054Xwasdesigned.ThroughaccessingoscilloscopeIPaddressandportnumber，TCPconnectionisestablished.ThecomputersendsSCPIqueryinstructionstotheoscilloscopeandreadoscilloscoperealtimewaveformandsaveitinBMPpictureformatinthecomputer.TheexperimentalprocesscanhelpstudentsdeepentheunderstandingofTCPprotocoltheoryandaccessoscilloscoperemotely.Atthesametime，studentscanbefamiliarwithPycharm，thePythonintegrateddevelopmentenvironmentandimprovestudents'abilitytowriteanddebugcodeeffectively，whichplaysasignificantroleinimprovingengineeringpracticeability.

Keywords：experimentaldesign；Python；oscilloscope；TCPcommunication

示波器廣泛应用于电子测量行业，它能把人眼看不见的电信号转化为屏幕上的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程［1］。而目前高校开设的电学实验中通常是手动操作示波器进行信号测量，未能充分拓展示波器功能。

而计算机编程技术飞速发展，Python因其简单易学、语言资源整合能力和扩展能力强的特点而应用广泛，成为当下企业最热门的编程语言之一。

基于新工科对于人才培养提出多学科交叉融合的培养模式要求［2］，本文以鼎阳示波器SDS5054X为核心，应用Python作为编程语言，设计计算机与示波器通信实验，学生通过实验能够由浅入深、更加系统地了解和掌握示波器与通信原理相关的理论，加强Python编程能力的培养。

1实验内容

本实验案例内容要求为：基于Python语言，采用TCP通信协议，通过访问鼎阳示波器SDS5054X的IP地址与相应端口，建立与示波器之间的通信连接，并发送SCPI指令，查看示波器的实时波形并以图像形式保存至电脑里。

2实验总体方案设计

首先，为了建立电脑与示波器的TCP通信，调用函数库中的Socket模块，创建连接。如果创建失败，则返回提示相关连接创建错误。在连接建立后，利用sendall（）函数发送SCPI查询指令，recv（）函数接收相关查询结果。为了检验多次查询是否会出错且使实验的效果更明显，设置了10次循环，循环结束后关闭Socket模块，结束连接，实验代码设计框图见图1。

3实验原理

3.1TCP通信原理

TCP（英文：TransmissionControlPtotocol）是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于字节流的运输层通信协议，具有全双工操作、有效流控、传输可靠等特点［3］。TCP建立连接时，客户端和服务器要经过三次握手阶段，当客户端向服务端发起连接时，会先发一包用于询问能否建立连接的SYN包，如果对方同意连接，则会回复SYN+ACK包，客户端收到后，回复ACK包，连接建立。三次握手示意图如图2所示。

处于连接状态的客户端与服务端，都可以发起关闭连接请求，共需要四次挥手进行连接关闭。假设客户端主动发起连接关闭请求，需要先向服务端发起一包FIN包，表示要关闭连接，客户端进入终止等待1状态，这是第一次挥手。随后服务端向客户端发送ACK包，表示进入关闭等待状态，客户端进入终止等待2状态，这是第二次挥手。此时服务端还可以发送未发送的数据，客户端还可以接收数据。待服务端发送完数据后，服务端发送一包FIN包，进入最后确认状态，这是第三次挥手。客户端收到后回复ACK包，进入超时等待状态，经过超时等待后关闭连接，服务端收到ACK包后立刻关闭连接，这是第四次挥手。四次挥手示意图如图3所示。

3.2Socket编程通信

Socket是操作系统提供给开发人员进行网络开发的API接口，这套接口通常可以参数的调整支持多种协议，包括TCP、UDP和IP等。Socket编程通信示意图见图4，主要包含以下三个步骤。

3.2.1建立连接

两端分别有一个Socket，用于两者之间的通信。客户端向服务器发送请求，创建Socket进行连接。服务端则随时监听客户端发起的请求，接收并创建Socket。

3.2.2数据传送

服务端和客户端的输入输出流互相通信。逻辑上可理解为通信进程的双方具有两个流（输出流和输入流）。逻辑上可将两个流理解为两个通信管道的全双工通信模式，一个用于向对方发送数据，另一个用于接收对方的数据。

3.2.3终止连接

客户端访问服务器结束，断开连接，关闭Socket和相关资源（输入输出流等）。服务端监听客户端状态，同时关闭Socket等连接。

3.3通信功能实现

3.3.1建立连接

Socket模块是Python中自带模块，它可以使开发人员不用去关注内部层与层之间的传输，只需在Socket接口发送和接收指令。在调用Socket模块后，需要选择AdressFamily和Type两个参数。本文采用TCP协议连接方式，即参数分别选择为Socket.AF_INET和Socket.SOCK_STREAM，连接至示波器IP与port。鼎阳科技的研发人员将port5025设置为Socket的端口号，不需安装NIVISA。考虑到调用失败或者连接失败的情况，需提示用户连接失败并及时退出，故引入sys模块。代码示例如图5。

3.3.2发送和接收指令

在Python的Socket编程中，有两个发送TCP的函数，send（）与sendall（）。本文采用sendall（）函数，可完整发送TCP数据。将string中的数据发送到连接的Socket，但在返回之前会尝试发送所有数据。成功返回None，失败则抛出异常。

Socket.recv（bufsize［，flag］）用于接收TCP连接的Socket里的数据，数据以字符串形式返回，bufsize指定要接收的最大数据量。flag提供有关消息的其他信息，通常可以忽略。本次实验设置最大数据量是4096字节。部分代码示例见图6：

3.3.3关闭Socket

发送和接收数据完成后，需将Socket及时关闭完全释放资源。close函数可以用于关闭Socket，并且只能TCP连接。关闭后需要延时一段时间，可以调用time模块可以让程序休眠，具体方法是time.sleep（秒数），其中“秒数”以秒为单位，可以是小数。代码示例见图7：

3.4SCPI通信协议说明

可编程仪器标准命令（英语：StandardCommandsforProgrammableInstruments，缩写：SCPI）是一套用于控制可编程测试测量仪器的标准语法和命令，实际是通过ASCII字符串形式在命令与仪器进行交互［4］。SCPI协议建立于IEEE488.2基础上，可用于GPIB、RS232、VXIb总线，通过相同命令来控制不同仪器的相同功能。命令一般由一系列的关键字构成，有的还需要包括参数。

一般的仪器指令大致可以分为控制指令和查询指令，控制指令可以改变仪器运行状态，比如控制示波器的开启和关闭。查询指令可以查询仪器运行状态，比如查询电源的输出电流等，一般以问号结尾。不同品牌的仪器SCPI指令数据格式由仪器厂家定义，通常会有稍许不同，具体的指令需查询仪器厂家提供的数据手册。同时，IEEE488.2标准定义了一组常用命令，可执行复位、自检以及状态操作等功能。常用命令总是以星号（*）开始，长度为3个字符，并可以包括一个或多个参数。以向示波器发送查询指令*IDN*为例，此查询命令可以识别仪器类型和软件版本，响应由四个不同的字段组成，实现代码如图8：

4实验示例

在实验中，常常会受到场地、环境等客观因素限制，不能实地监测示波器波形变化。利用示波器与电脑远程通信，建立相应连接，可以远程实时读取波形，并以图片格式保存在电脑里。具体实现可分为以下几个步骤：

（1）利用socket模块，建立电脑与示波器的连接，进行相互通信。

（2）设置缓冲区的大小。指定chunksize为20Mb，将数据分为多次读取，避免一次性读取内存不足。

（3）示波器向电脑发送SCPI指令PRINBMP，请求将示波器数据保存为BMP格式图片。

（4）读取示波器图片数据，使用open（）函数，以二进制格式、只写模式打开文件，将图片数据从内存写入至本地文件中。

（5）使用flush（）方法刷新缓冲区，即将缓冲区中的数据立刻写入文件，同时清空缓冲区，不需要被动地等待输出缓冲区写入。

（6）关闭文件，写入结束。

實现代码如图9：

结语

本文提出基于Python语言，建立与鼎阳示波器SDS5054X之间的TCP连接，通过SCPI指令实现实时读取示波器波形数据，并以BMP格式储存在电脑里。针对该项实验，学生需要搭建Python语言环境，熟悉基本语法和相关通信模块，掌握基本的通信原理与数字示波器测量信号知识。在不断调试整段代码的过程中，可以培养学生基本编程能力和排错能力，加深对Socket编程模块和数据读写操作的理解，为日后进一步完成软硬件结合的工程项目打下初步基础。

参考文献：

［1］李林潇，江先阳.基于LabVIEW的示波器控制与演示系统设计［J］.物理实验，2018，38（S1）：103107.

［2］赵江萍，姚缨英.新工科背景下的电学实验设计方法探究［J］.实验室科学，2021，24（4）：5659.

［3］徐宙，刘连照，程彦杰，等.基于C#的数字存储示波器控制软件设计与实现［J］.计量与测试技术，2016，43（2）：5355+57.

［4］于晓辉，许礼昆，李新波，等.基于单片机的数字示波器实验设计［J］.实验室科学，2021，24（3）：5356+60.

［5］阮颐，宋清亮，王甲.基于Python的示波器图像数据识别［J］.集成电路应用，2020，37（1）：1819+22.

［6］刘雪琳，章钰琪，董爱国.基于Python的物理实验数据处理系统设计与实现［J］.实验技术与管理，2021，38（3）：7478.

［7］郝彦爽，林颖，韩守梅.基于FPGA的数字电子技术实验案例设计［J］.实验室科学，2021，24（3）：101104.

［8］孙晖，彭里卓.基于树莓派和Python的数字音效处理综合实验设计［J］.集成电路应用，2021，38（10）：262263.

［9］蔡军，左俊伟，潘峰.基于LabVIEW的谐振式无线电能传输实验系统设计［J］.实验技术与管理，2021，38（10）：211215.

基金项目：2021年第二批产学合作协同育人项目（项目编号：202102504019）

作者简介：胡哲（1996—），女，汉族，山西大同人，硕士，助理实验师，研究方向为实验教学研究。