CN103048507B

CN103048507B - 一种可短程操作的数字示波器

Info

Publication number: CN103048507B
Application number: CN201210490537.1A
Authority: CN
Inventors: 叶芃; 蒋俊; 屈欢; 高文娟
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2032-11-27
Also published as: CN103048507A

Abstract

本发明公开了一种可短程操作的数字示波器，在现有数字示波器的基础上，创新性的加入无线数据交互通道，使数字示波器可与任何一台智能手持设备无线连接，并将现有数字示波器的采样数据处理、图像显示以及操作和人机交互等操作转移到智能手持设备上，利用智能手持设备高速多核CPU、GPU（图形处理器）以及触控液晶屏所具备的强大运算能力和良好操作与便携特性，不但可显著增强数据示波器的采样数据处理、图像显示以及人机交互能力，而且使数字示波器具备短程操作能力，更加适合艰苦危险和高灵敏性要求下的现场测试。

Description

一种可短程操作的数字示波器

技术领域

本发明属于数字示波器技术领域，更为具体地讲，涉及一种可短程操作的数字示波器。

背景技术

随着人类对数字信号领域的研究不断深入，数字采集系统的应用环境日趋复杂。作为高速数字采集的代表，数字示波器技术得到了快速发展，带宽、采样率和存储深度等示波器的核心指标不断提升。然而，现有的数字示波器大多以ADC+FPGA（现场可编程门阵列）+DSP（数字信号处理器）为核心构架，面对指标不断提高所带来的越来越大的数据量，作为处理器的DSP运算能力有限，且缺乏足够的资源支撑运行小型操作系统，从而导致数字示波器的数据处理与图像显示能力较弱；同时，面对越来越复杂的测试要求，传统的在数字示波器面板上进行的操作方式不仅显得捉襟见肘，而且不能适应某些艰苦危险和高灵敏性要求下的现场测试，导致数字示波器的人机交互、便携适应等能力较差。

近年来，伴随着蓝牙和WIFI等无线网络传输技术的成熟，小型操作系统的兴起和触摸屏技术的发展，以智能手机和平板电脑为代表的智能手持设备以铺天盖地之势迅速普及。目前，智能手持设备大多具有高速多核CPU和GPU（图形处理器），能够运行诸如Android、IOS等小型操作系统，并拥有强大的数据处理和图像显示能力；同时，智能手持设备通常配备了触控式液晶屏、蓝牙适配器和无线网卡，拥有良好的人机交互性能和无线网络接入能力；此外，智能手持设备还具有低成本、低功耗、轻薄便携、操作方便等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可短程操作的数字示波器，以实现短距离的数字示波器操作，并充分利用智能手持设备强大数据处理（存储）能力、图像显示能力以及良好的人机交互性能。

为实现上述发明目的，本发明可短程操作的数字示波器，包括：

信号调理系统，用于对输入的模拟信号进行调理，使模拟信号达到采集系统ADC转换的要求；

采集系统，用于对信号调理系统调理后的模拟信号进行模数转换，并对采样数据进行缓存；

处理系统，用于根据示波器底层状态操作命令，对信号调理系统、采集系统的底层状态进行设置，使采样数据达到操作者的要求；

其特征在于，还包括：

无线数据交互通道以及智能手持设备；

智能手持设备通过人机交互，将用户的操作即对数字示波器的控制转换为示波器底层状态操作命令，然后通过其无线网卡转为WIFI无线网络信号；

无线数据交互通道接收来自智能手持设备的包含示波器底层状态操作命令的WIFI无线网络信号，并进行解析，得到示波器底层状态操作命令发送给处理系统；

处理系统根据示波器底层状态操作命令，对信号调理系统、采集系统的底层状态进行设置，并将采集系统缓存的采样数据，通过无线数据交互通道，转换为WIFI无线网络信号；

智能手持设备通过其无线网卡接收来自无线数据交互通道的包含采样数据的WIFI信号，并进行解析，得到采样数据；并根据底层状态对采样数据进行处理，然后在智能手持设备上将波形显示出来。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明可短程操作的数字示波器，在现有数字示波器的基础上，创新性的加入无线数据交互通道，使数字示波器可与任何一台智能手持设备无线连接，并将现有数字示波器的采样数据处理、图像显示以及操作和人机交互等操作转移到智能手持设备上，利用智能手持设备高速多核CPU、GPU（图形处理器）以及触控液晶屏所具备的强大运算能力和良好操作与便携特性，不但可显著增强数据示波器的采样数据处理、图像显示以及人机交互能力，而且使数字示波器具备短程操作能力，更加适合艰苦危险和高灵敏性要求下的现场测试。

附图说明

图1是本发明可短程操作的数字示波器一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示的无线数据交互通道原理框图；

图3是本发明可短程操作的数字示波器一显示界面的图像截图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明可短程操作的数字示波器一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明可短程操作的数字示波器，包括数据采集端1和智能手持设备2（显示与控制端）。

数据采集端1包括信号调理系统101、采集系统102、处理系统103以及无线数据交互通道104。

信号调理系统101对输入的模拟信号进行调理，使模拟信号达到采集系统102ADC转换的要求；采集系统102对信号调理系统101调理后的模拟信号进行模数转换，并对采样数据进行缓存；处理系统103根据示波器底层状态操作命令对信号调理系统、采集系统的底层状态进行设置，使采样数据达到操作者的要求。这部分同现有技术的数字示波器相同，在此不在赘述。

在本实施例中，如图1所示，在现有技术数字示波器的基础上，在采集端1增加了无线数据交互通道104，并增加了智能手持设备2作为数字示波器的显示与控制端。

智能手持设备2包括无线网卡201、数据处理和图像显示模块202以及人机交互模块203。

智能手持设备2通过人机交互模块203进行人机交互，将用户的操作即对数字示波器的控制转换为示波器底层状态操作命令，然后通过其无线网卡201转为WIFI无线网络信号。

无线数据交互通道104接收来自智能手持设备2的包含示波器底层状态操作命令的WIFI无线网络信号并进行解析，得到示波器底层状态操作命令发送给处理系统103。

处理系统103根据示波器底层状态操作命令，对信号调理系统、采集系统的底层状态进行设置，并将采集系统102缓存的采样数据，通过无线数据交互通道104，转换为WIFI无线网络信号。

智能手持设备2的无线网卡201接收来自无线数据交互通道104的包含采样数据的WIFI信号，并进行解析，得到采样数据；数据处理和图像显示模块202根据底层状态对采样数据进行处理，然后在智能手持设备2上将波形显示出来。

在本实施例中，智能手持设备2安装有Android操作系统，并作为数字示波器的采样数据处理、图像显示和人机交互的终端，同时，由于数字示波器数据采集端1和智能手持设备2之间以WIFI无线网络为通信媒介，因此，还需在数字示波器中增加WIFI通信装置，即构建专门的“无线数据交互通道104”作为采样数据与底层状态操作命令的通信平台。

在本实施例中，如图3所示，数字示波器数据采集端1增加的无线数据交互通道104与处理系统103通过USB进行通信，即进行采样数据的发送与底层状态操作命令的接收。

在本实施例中，采集系统102采样ADC+FPGA架构，处理系统103采样DSP处理器。

数字示波器数据采集端1发送给智能手持设备2的采样数据采用互答的传输机制：数据采集端1将每一帧ADC采样数据经过处理后，缓存于FPGA的FIFO当中。智能手持设备2按照固定的显示刷新时间间隔向数据采集端1发送数据请求命令，DSP处理器通过USB中断接收到数据请求命令后检查采集系统102缓存的采样数据是否就绪，即FIFO是否存满，即达到数字示波器的存储深度；如果采样数据已就绪，则DSP处理器将数据采集端1的底层状态信息和采样数据通过规定的数据包格式打包，并通过USB口传输给无线数据交互通道104，转换为WIFI无线网络信号传输给智能手持设备2，以便智能手持设备2进行后续的采集数据处理、波形图像显示。在本实施例中，固定的显示刷新时间间隔为50ms。

由于USB2.0传输速度高达480Mbps，WIFI无线网络传输速度最大为54Mbps，如果按照每秒传输24帧数据即满足每秒刷新24帧显示图像的人眼分辨极限要求计算，可满足存储深度256Kpts的数据采集端1与智能手持设备2间的数据交互，覆盖绝大多数通用数字示波器和常见测试需求。

图2是图1所示的无线数据交互通道原理框图。

在本实施例中，如图2所示，为了将数据采集端1的USB采样数据转换为WIFI无线网络信号，同时也为了将来自智能手持设备2的WIFI无线网络信号转换为数据采集端1能够识别的命令包括底层状态操作命令、数据请求命令，设计了一个基于Linux操作系统和ARM处理器的电路板（以下简称为“ARM板”），由ARM板1041和无线路由器1042共同构成数字示波器的无线数据交互通道104，作为数据采集端1和智能手持设备2采样数据与命令的通信平台。ARM板1041的USB端口与处理系统103连接，ARM板1041的网络端口与无线路由器1042连接。

如图2所示，无线数据交互通道104中，以ARM处理器为核心的ARM板1041实现了USB和WIFI信号的相互转换。ARM处理器内核采用Linux操作系统，内核驱动包括USB设备、网络设备以及nandflash等主要的设备驱动。文件系统上电自动运行监听程序，实时监听USB端口和网络端口。当任一方有数据到来时，即提取其中有用数据，并通过另一方的通信协议转发出去，无线路由器1042接收ARM板1041网络信号转换为WIFI无线网络信号发送出去，将接收的来自智能手持设备2的WIFI无线网络信号转换为网络信号发送到ARM板1041无线网络端口，从而实现USB数据和WIFI无线网络信号的交互。由图1可知，无线数据交互通道104与智能手持设备2之间通过WIFI无线网络通信，通信链路为无线路由器加节点的网络基础模式（inflat）。其中，“ARM板”到无线路由器为有线的LAN通信，无线路由器到智能手持设备为WIFI无线网络通信。

数据交互格式

在数据采集端1与智能手持设备2的双向数据交互中，不仅有数据采集端1传送给智能手持设备2的数据，同时也有智能手持设备2传送回数据采集端1的命令包括底层状态操作命令、数据请求命令。

在本实施例中，数据采集端1传送给智能手持设备2的数据包含数据采集端1的采样数据和底层状态信息，如：采样和触发状态等。并以数据包的形式发送，每个数据采集端数据包由数据包的头部、每次采集的数据帧的头部、每通道数据的头部以及每通道数据四部分组成。具体格式定义如下：

PackageHeader（数据包的头部）

+OneFrameHeader（第一次采集的数据帧的头部）

+OneChannelDataHeader+OneChannelData（通道一数据的头部和数据）

+OneChannelDataHeader+OneChannelData（通道二数据的头部和数据）

+OneFrameHeader（第二次采集的数据帧的头部）

+OneChannelDataHeader+OneChannelData（通道一数据的头部和数据）

+OneChannelDataHeader+OneChannelData（通道二数据的头部和数据）

+……

智能手持设备2接收到来自数据采集端1的数据包后，需按照上述格式进行数据包解析，从而获得数据采集端1的采样数据和底层状态信息，以进行后续的采样数据处理、图像显示和人机交互操作。

智能手持设备2传送回数据采集端1的命令也以数据包的形式发送，每个显示与控制端命令包，包含改变数据采集端1底层状态的命令，如：时基、垂直档位、触发方式等，以及数据请求命令。每个显示与控制端命令包由包头+命令个数+第一条命令+第二条命令+.....+包尾组成。其中，每一条命令格式为命令编号+命令值。具体格式定义如下：

字节1至2：PackageHeader（标志头）；

字节3：PackageType（包类型）；

字节4：CommandAmount（命令个数）；

字节5：CommandNumber（命令号一）；

字节6至13：CommandValue（命令值一）；

字节14：CommandNumber（命令号二）；

字节15至22：CommandValue（命令值二）；

字节(4+9*CommandAmount+1)至(4+9*CommandAmount+2)：PackageEnder（标志尾）。

智能手持设备2通过向数据采集端1发送命令包的形式进行控制并数据发送请求，数据采集端1必须对接收到的显示与控制端命令包进行解析才能达到被控制的效果。其流程是：数据采集端1接收到显示与控制端命令包，首先查看标志头和标志尾，从而判断显示与控制端命令包数据是否完整。如果数据完整则对其进行命令响应，反之则丢弃此次接收到的显示与控制端命令包。命令响应的过程又分为三步：首先根据显示与控制端命令包中第4字节获取CommandAmount（需要进行操作的命令个数）；然后根据CommandAmount的大小将数据包分解成CommandAmount个命令，最后根据智能手持设备2与数据采集端1之间的通信协议对每个命令依次进行响应。这样，数据采集端1就实现了对来自智能手持设备2的显示与控制端命令的响应。

数据交互流程

数据采集端1与智能手持设备2进行数据通信时，无线数据交互通道104中的ARM板1041作为服务器，智能手持设备2作为客户端。为了达到通信数据的精确性，本实施例使用了可靠性更高的TCP协议。与UDP协议相比，TCP协议拥有明显的数据通信安全性。TCP协议建立在连接基础之上，采用服务器与客户端的应答机制，通过三次应答完成一次数据的传输，保证数据能从一端准确传到另一端。智能手持设备2接收到从数据采集端1传输过来的采样数据和底层状态信息后，完成相应的采样数据处理、图像显示以及人机交互操作。此外，为了达到波形图像显示效果的连续性，每秒钟至少需要完成十帧以上的采样数据的传输、处理和显示。因此，在本实施例中，把网络通信、数据处理和图像显示、人机交互分别设计为三个独立的线程。网络通信线程只负责智能手持设备与ARM板1041的网络通信，具体工作流程为：

1、智能手持设备发出要求一帧新数据的命令；

2、无线数据交互通道104接收命令，解析命令，并通过USB端口转发给数据采集端1；

3、数据采集端1通过USB中断接收到命令，将采样数据和底层状态信息按照规定格式组成新的数据包，并通过USB端口发送给ARM板1041；

4、ARM板1041接收数据，并通过网络通信给转发无线路由器1042，转换为WIFI无线网络信号给智能手持设备2；

5、智能手持设备2接收数据，解析数据，得到采样数据和底层状态信息；

6、智能手持设备2根据接收到的底层状态对采样数据进行处理，然后在智能手持设备上将波形显示出来。

人机交互主要作用是将用户的操作即对数字示波器的控制转换为示波器底层状态操作命令。

通用数字示波器的人机交互平台主要包括数字示波器的键盘和显示屏，人机交互操作主要包括用户对数字示波器的按键、旋钮操作，以及数字示波器对用户操作的响应和图像显示。如图3所示，本发明将基于Android操作系统的智能手持设备2作为数字示波器的人机交互终端，具有低成本、低功耗、轻薄便携、操作方便的特点：数字示波器的波形图像显示，直接在智能手持设备的触控式液晶屏上完成，无需外接显示屏；数字示波器的键盘操作，利用Android操作系统和多点触控技术，直接在智能手持设备的触控式液晶屏上以虚拟键盘形式实现，无需外接实体键盘，且可远程操作。因此，本发明具有良好的人机交互和便携适应性能。

控制数字示波器底层状态的按键操作主要包含通道选择、触发设置等命令。将每一种命令通过枚举的方式列举出来，通过按键即可得到命令对应的枚举值，从而改变数字示波器的底层状态。

控制数字示波器底层状态的旋钮操作主要包含水平和垂直档位、水平和垂直位置、触发位置等命令。利用Android操作系统和多点触控技术，通过手指的单点触控和单向拖拉来实现诸如水平和垂直位置、触发位置调整等操作；通过手指的两点触控和双向开合拖动来实现诸如水平和垂直档位改变等操作。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种可短程操作的数字示波器，包括：

其特征在于，还包括：

无线数据交互通道以及智能手持设备；

智能手持设备通过其无线网卡接收来自无线数据交互通道的包含采样数据的WIFI信号，并进行解析，得到采样数据；并根据底层状态对采样数据进行处理，然后在智能手持设备上将波形显示出来；

所述的处理系统将采集系统缓存的采样数据发送给智能手持设备的采样数据采用互答的传输机制：

智能手持设备按照固定的显示刷新时间间隔向处理系统发送数据请求命令，处理系统接收到数据请求命令后检查采集系统缓存的采样数据是否就绪即达到数字示波器的存储深度；如果采样数据已就绪，则处理系统将信号调理系统、采集系统的底层状态信息和采样数据通过规定的数据包格式打包，并传输给无线数据交互通道，转换为WIFI无线网络信号传输给智能手持设备，以便智能手持设备进行后续的采集数据处理、波形图像显示；

所述的固定的显示刷新时间间隔为50ms。