一種便攜式WiFi虛擬示波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種便攜式WiFi虛擬示波器，包括耦合電路、信號(hào)調(diào)理電路、觸發(fā)電路、STM32單片機(jī)、電源、WiFi發(fā)射模塊和安卓客戶顯示端，本發(fā)明在普通數(shù)字示波器的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前主流操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，借助WiFi通信方式，將數(shù)字示波器應(yīng)用于操作系統(tǒng)Android平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)具有數(shù)據(jù)采集與波形顯示分離特點(diǎn)。設(shè)計(jì)Android應(yīng)用程序作為顯示端顯示波形、頻率幅值，還可作為上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送觸發(fā)指令等。下位機(jī)基于STM32單片機(jī)內(nèi)部A/D主要作用是對(duì)采集的電信號(hào)進(jìn)行處理，在借助WiFi發(fā)射模塊通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，安卓顯示端顯示波形。本發(fā)明便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程，第一時(shí)間提供測(cè)量技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)測(cè)量端與觀察端分離，而且能實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)觀察測(cè)量結(jié)果與測(cè)量控制。
【專利說明】
-種便攜式WiFi虛擬示波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種WiFi示波器，尤其設(shè)及一種便攜式WiFi虛擬示波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 示波器是作為當(dāng)今電子測(cè)量儀器中最基本、最通用和最重要的電子儀器之一，其 應(yīng)用的范圍和應(yīng)用的領(lǐng)域都是非常廣的。目前市面上示波器一般體積比較大、沒那么小巧、 攜帶不方便、工作電壓高、不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與波形顯示分離，更不能實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)觀測(cè)量 等。示波器作為當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最重要的工具之一，在驗(yàn)證及解決復(fù)雜性問題方面都很有作 用，可W滿足現(xiàn)場(chǎng)工程師的需要。當(dāng)前不管國內(nèi)還是國外都有一些體積較小的高端手持儀 器，但由于價(jià)格昂貴，還存在一定的條件限制，不利于推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種便攜式WiFi虛擬示波器。
[0004] 本發(fā)明通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：
[0005] 本發(fā)明包括禪合電路、信號(hào)調(diào)理電路、觸發(fā)電路、STM32單片機(jī)、電源、WiFi發(fā)射模 塊和安卓客戶顯示端，所述禪合電路的信號(hào)輸出端分別與所述信號(hào)條理電路的輸入端和 STM32單片機(jī)的第一輸入端連接，所述信號(hào)條理電路的輸出端分別與所述觸發(fā)電路和所述 STM32單片機(jī)的輸入端連接，所述觸發(fā)電路的信號(hào)傳輸端與所述STM32單片機(jī)的信號(hào)傳輸端 連接，所述STM32單片機(jī)的信號(hào)傳輸端通過所述WiFi發(fā)射模塊與所述安卓客戶顯示端連接。
[0006] 進(jìn)一步，所述電源包括5V、3.3V和負(fù)電源；所述5V和3.3V采用型號(hào)LM7805和型號(hào) LM1117-3.3的Ξ端穩(wěn)壓器為核屯、元件;所述負(fù)電源采用型號(hào)LM79L05的Ξ端穩(wěn)壓器為核屯、 元件;所述信號(hào)調(diào)理電路中采用型號(hào)LM324的放大器。
[0007] 本發(fā)明的有益效果在于：
[000引本發(fā)明是一種便攜式WiFi虛擬示波器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在普通數(shù)字示波 器的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前主流操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，借助WiFi通信方式，將數(shù)字示波器應(yīng)用于操作 系統(tǒng)Amlroid平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)具有數(shù)據(jù)采集與波形顯示分離特點(diǎn)。設(shè)計(jì)Amlroid應(yīng)用程序作為 顯示端顯示波形、頻率幅值，還可作為上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送觸發(fā)指令等。下位機(jī)基于STM32 單片機(jī)內(nèi)部A/D主要作用是對(duì)采集的電信號(hào)進(jìn)行處理，在借助WiFi發(fā)射模塊通過串口發(fā)送 數(shù)據(jù)，安卓顯示端顯示波形。本發(fā)明便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程，第一時(shí)間提供測(cè) 量技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)測(cè)量端與觀察端分離，而且能實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)觀察測(cè)量結(jié)果與測(cè)量控制。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明的5V與3.3V電源電路圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明的負(fù)電源電路圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明的單片機(jī)連接原理圖；
[0013] 圖5是本發(fā)明的串口接口電路；
[0014] 圖6是本發(fā)明的下載調(diào)試端口電路圖；
[0015] 圖7是本發(fā)明的禪合電路電路圖；
[0016] 圖8是本發(fā)明的信號(hào)調(diào)理電路電路圖；
[0017] 圖9是本發(fā)明的偏置電路電路圖；
[0018] 圖10是本發(fā)明的觸發(fā)電路電路圖；
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0020] 如圖1所示：包括禪合電路、信號(hào)調(diào)理電路、觸發(fā)電路、STM32單片機(jī)、電源、WiFi發(fā) 射模塊和安卓客戶顯示端，所述禪合電路的信號(hào)輸出端分別與所述信號(hào)條理電路的輸入端 和STM32單片機(jī)的第一輸入端連接，所述信號(hào)條理電路的輸出端分別與所述觸發(fā)電路和所 述STM32單片機(jī)的輸入端連接，所述觸發(fā)電路的信號(hào)傳輸端與所述STM32單片機(jī)的信號(hào)傳輸 端連接，所述STM32單片機(jī)的信號(hào)傳輸端通過所述WiFi發(fā)射模塊與所述安卓客戶顯示端連 接。
[0021] 主控控制器：WCodex-M3為核屯、的STM32,其具有很豐富的內(nèi)部資源，包括了內(nèi)部 集成2個(gè)IMsps 12位的獨(dú)立ADC，其可供測(cè)量16個(gè)外部和兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，并且其轉(zhuǎn)換模式 非常多。并且內(nèi)部具有高達(dá)72M監(jiān)的主頻，高達(dá)1.25DMIPS/MHZ的處理速度，具有延遲非常小 的DMA傳輸功能，靈活強(qiáng)大的8個(gè)定時(shí)器等，已經(jīng)完全具備了實(shí)現(xiàn)一個(gè)低頻的數(shù)字示波器功 能的所有要求，本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是只要定量定性地分析20IfflzW下的低頻信號(hào)，所W用STM32F 可W很方便地實(shí)現(xiàn)。
[0022] 顯示端操作系統(tǒng)
[0023] 目前市場(chǎng)上流行的智能操作系統(tǒng)主要有AmlroicUIOS和Windows化one(WP)S種， 分別基于不同的智能設(shè)備。Android無疑占據(jù)了最多份額。相比于I0S和WP二者，Amlroid具 有W下的優(yōu)勢(shì)：
[0024] 其一，Amlroid是開源系統(tǒng)，具有跨平臺(tái)性，得到了眾多的廠商支持。
[0025] 其二，相比較于I0S和WPiAmlroid自帶的內(nèi)存回收機(jī)制GC又是一大亮點(diǎn)，開發(fā)人員 不需要時(shí)刻關(guān)注是否需要手動(dòng)釋放內(nèi)存。它能夠自動(dòng)對(duì)堆空間的對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，如果該對(duì) 象不再被引用，將被作為垃圾回收其占據(jù)的空間，提高內(nèi)存空間的利用率。
[0026] 其Ξ，在可定制性方面，Android系統(tǒng)可W根據(jù)用戶自己的意愿進(jìn)行各種設(shè)置，改 變操作界面，安裝桌面啟動(dòng)器，任意調(diào)整桌面部件的大小等。而I0S和WP只能保證有限的選 項(xiàng)。
[0027] 綜上所述，Android滿足了本設(shè)計(jì)需要的基本特點(diǎn)，它具有WiFi無線通信功能，能 滿足高速的數(shù)據(jù)交互，通用性高;UI設(shè)計(jì)完善，系統(tǒng)優(yōu)化較好;性價(jià)比高，用戶體驗(yàn)較好。因 此，本課題選擇了 Amlroid移動(dòng)終端作為硬件平臺(tái)。
[00%]概括來說安卓作為顯示端還具有如下特點(diǎn)：
[0029] (1)具有多分辨率適配功能，根據(jù)智能設(shè)備屏幕的尺寸調(diào)整顯示界面的大小。
[0030] (2)能夠顯示不同顏色的波形，即能滿足多通道測(cè)量顯示波形的目的。
[0031] (3)波形清晰，沒有普通模擬示波器顯示所要求的條件那么嚴(yán)格。
[0032] 如圖2所示:正電源部分:本發(fā)明中所用到的信號(hào)調(diào)理電路、偏置電路、觸發(fā)電路、 WiFi發(fā)射模塊及主控STM32等電路都需要用到正電源。其中使用到的運(yùn)放需要用到5V正電 源及5V負(fù)電源;WiFi發(fā)射模塊也需要使用5V供電；主控忍片正常工作電壓為3.3V，及其主控 A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓為3.3V，所W需要3.3V電源。
[0033] 5V正電源部分:本設(shè)計(jì)中可將外接的9V電源連接至P1兩端，如圖2,二極管D1可用 于防止電源正負(fù)極接錯(cuò)而燒毀電路，電容巧用于濾波，得到直流電壓V+。直流電源V+經(jīng)過 LM7805的穩(wěn)壓，在經(jīng)過電感L1、電容C11、C13濾波后，產(chǎn)生精度、穩(wěn)定度好的5V直流電壓AV+。
[0034] 3.3V正電源部分：根據(jù)5V正電源部分中產(chǎn)生的直流電壓V+，此直流電壓經(jīng)過 AMS1117的穩(wěn)壓和電容C14濾波后在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生高精度、穩(wěn)定度好的3.3V直流電 壓，如圖2所示。本穩(wěn)壓電源可作為主核控制器單片機(jī)電路及A/D轉(zhuǎn)換電路的電源。
[0035] 如圖3所示：負(fù)電源部分，負(fù)電源由V+由Ξ極管Q2、電感L3、電容C24和二極管D2組 成的開關(guān)電源電路產(chǎn)生的負(fù)電壓V-，再經(jīng)過L4、C25濾波W及呪穩(wěn)壓后輸出AV-，而開關(guān)管Q1 的通斷則是由單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)VGEN通過Q1來驅(qū)動(dòng)。
[0036] 如圖4所示:主控系統(tǒng):單片機(jī)最小系統(tǒng)
[0037] STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Codex-M3，最高工作頻率 為72MHz，2.0V至3.6V供電和10引腳，4-16M監(jiān)晶振振蕩器，產(chǎn)生CPU時(shí)鐘的化L，內(nèi)置2個(gè)12位 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，lus轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換范圍0至3.6V，串行單線調(diào)試(SWD)和JTAG接口，8個(gè)定時(shí)器， 2個(gè)16位定時(shí)器。本課程設(shè)計(jì)主控忍片系列按片內(nèi)Flash的容量的大小可分為Ξ種分別為小 容量（16K/32K)、中容量(64K/128K)、大容量(256K/384K/512K)。
[0038] 由于STM32內(nèi)部的4個(gè)通用定時(shí)器非常強(qiáng)大，每個(gè)定時(shí)器又有4個(gè)獨(dú)立通道，再加上 獨(dú)立、可編程的預(yù)分配器，實(shí)現(xiàn)任意分頻。A/D轉(zhuǎn)換器是通過定時(shí)器來觸發(fā)采樣的，W保證其 W恒定的時(shí)間間隔對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在完成規(guī)定長度的采集工作之后，將數(shù)據(jù)存 入高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中（RAM)。在規(guī)定的觸發(fā)條件滿足時(shí)，將A/D所采集的數(shù)據(jù)傳輸至串口的 緩沖區(qū)中，由串口接口電路通過WiFi發(fā)射模塊將運(yùn)些數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)(An化oid顯示端）。
[0039] 如圖5所示：串口接口電路：串行接口是采用串行通信協(xié)議的擴(kuò)展接口，目前我們 常用的數(shù)據(jù)通訊方式有并行通訊和串行通訊運(yùn)兩種。根據(jù)不同情況選擇的通訊方式不同， 例如當(dāng)兩臺(tái)數(shù)字設(shè)備之間傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)往往W串行方式傳輸。串行通訊的優(yōu)點(diǎn)是 傳輸線少、成本低等，尤其適合遠(yuǎn)距離傳送。本串口接口電路，使用波特率為115200,無校 驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位方式。適用于任何具備WiFi轉(zhuǎn)串口的模塊，只要WiFi轉(zhuǎn)串口模塊 能實(shí)現(xiàn)無線透?jìng)鲾?shù)據(jù)即可，運(yùn)樣可方便用戶替代價(jià)格理低的模塊。本設(shè)計(jì)使用的是 TLN13UA06模塊，是一款自帶有UART接口平臺(tái)設(shè)計(jì)的網(wǎng)卡模塊，一般采用插針接口的方式與 主機(jī)連接。TLN13UA06WiFi模塊應(yīng)用于帶有UART接口的設(shè)備環(huán)境中，符合STM32接口的要求。
[0040] 如圖6所示：下載調(diào)試端口 ： SWD下載是基于仿真接口的下載，SWD支持仿真，SWD下 載是專用SW化K和SWDI0引腳。對(duì)比JTAG，SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠、下載時(shí) 支持更少的引腳運(yùn)樣可W節(jié)省PCB的空間，因此本次設(shè)計(jì)采用SW的受計(jì)；
[0041] 如圖7所示：禪合電路：電信號(hào)的輸入方式可分為數(shù)字地、直接禪合、交流禪合Ξ 種。選擇的禪合的方式不同在示波器上顯示的成分就不同。
[0042] 如圖8所示:衰減電路:信號(hào)調(diào)理電路主要由衰減電路及偏置電路組成。設(shè)計(jì)示波 器的過程中，衰減電路是為了保證在較大的信號(hào)輸入時(shí)，能夠在STM32內(nèi)部A/D采樣的范圍 之內(nèi)，w避免造成信號(hào)的失真或是損壞主控忍片。本設(shè)計(jì)通過兩級(jí)的衰減達(dá)到衰減的目的。 圖中V沈NS化UVSEN沈L2及VSEN沈L3連接主控器，用于判斷所選擇的衰減分度。運(yùn)放LM324 (U1A)設(shè)計(jì)成電壓跟隨器，用于實(shí)現(xiàn)兩級(jí)衰減電路間的阻抗匹。
[0043] 如圖9所示:偏置電路：由于STM32內(nèi)部自帶的A/D無法對(duì)負(fù)電壓進(jìn)行采集，而待測(cè) 信號(hào)一般都帶有負(fù)壓，要想實(shí)現(xiàn)測(cè)量的目的，運(yùn)時(shí)需要電路將負(fù)壓抬高到0電平W上，因此 要偏置電路。
[0044] 如圖10所示:觸發(fā)電路:觸發(fā)電路的提供的目的是保證每次時(shí)基掃描或采集的時(shí) 候，都是從輸入信號(hào)上和自己所定義相同的觸發(fā)條件開始，運(yùn)樣做的目的就保證了每一次 掃描或采集的波形就是同步的，示波器實(shí)現(xiàn)了每次捕獲的波形相重疊，運(yùn)樣一來就能顯示 非常穩(wěn)定的波形或保證單次信號(hào)的捕獲。為了使示波器工作在觸發(fā)模式，使A/D采樣的波形 能夠穩(wěn)定的顯示，系統(tǒng)中需要有個(gè)觸發(fā)電平，運(yùn)里的觸發(fā)電平由比較電路產(chǎn)生。由主控PB8 輸出PWM，通過電阻與電容的禪合產(chǎn)生不同的直流電壓與不同輸入電壓信號(hào)進(jìn)行比較，輸出 方波信號(hào)，方波的上升沿或下降沿觸發(fā)A/D進(jìn)行采樣。
[0045] 定時(shí)時(shí)間：STM32的時(shí)間周期為72M，A/D的最快周期為14M，采用72M/6=12M的速 度，采樣一次為71.5周期大概為6US，表1是不同水平靈敏度所采用的采樣時(shí)間。
[0046] 表1義樣時(shí)間
[0047] _
[004引 WiFi模塊
[0049] WiFi模塊作為傳輸介質(zhì)，它從STM32的外設(shè)串口中讀取信號(hào)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后， 通過無線WiFi傳遞到移動(dòng)終端。同時(shí)也接收智能端設(shè)置的命令，并W多字節(jié)的方式一次性 傳遞給串口接口，最后到達(dá)STM32處理器。本設(shè)計(jì)中只要滿足能設(shè)定波特率為115200bps，無 校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位的工作方式，且支持無線透?jìng)鞴ぷ髂Ｊ降娜魏蜽iFi模塊都能作 為設(shè)計(jì)的替代品。運(yùn)樣設(shè)計(jì)可方便用戶自行選擇選擇價(jià)格理低的模塊。
[0050] 本發(fā)明采用的是化N13UA06WiFi無線透?jìng)髂K，它是一款單面票郵孔式嵌入式 WiFi模塊。它是符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其主要是基于化rt與Spi接口的嵌入式模塊。 化化31^06胖1。1里內(nèi)置了兩個(gè)協(xié)議分別是無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議^邸802.11協(xié)議找和^?/1?協(xié)議 找，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)與無線網(wǎng)絡(luò)之間的相互轉(zhuǎn)換的目的?；谶\(yùn)些特點(diǎn)，作為 本發(fā)明所選用。
[0化1 ] WiFi各種通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
[0化2] 表2WiFi通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 「00531
[0054] 表3列出了 TLN13UA06WiFi模塊的主要特點(diǎn)。
[0055]表3WiFi模塊產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格
[0化6]
[0057] W上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，運(yùn)些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:包括耦合電路、信號(hào)調(diào)理電路、觸發(fā)電路、 STM32單片機(jī)、電源、WiFi發(fā)射模塊和安卓客戶顯示端，所述耦合電路的信號(hào)輸出端分別與 所述信號(hào)條理電路的輸入端和STM32單片機(jī)的第一輸入端連接，所述信號(hào)條理電路的輸出 端分別與所述觸發(fā)電路和所述STM32單片機(jī)的輸入端連接，所述觸發(fā)電路的信號(hào)傳輸端與 所述STM32單片機(jī)的信號(hào)傳輸端連接，所述STM32單片機(jī)的信號(hào)傳輸端通過所述WiFi發(fā)射模 塊與所述安卓客戶顯示端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述電源包括5V、3.3V 和負(fù)電源。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述5V和3.3V采用型號(hào) LM7805和型號(hào)LM1117-3.3的三端穩(wěn)壓器為核心元件。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述負(fù)電源采用型號(hào) LM79L05的三端穩(wěn)壓器為核心元件。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述信號(hào)調(diào)理電路中采 用型號(hào)LM324的放大器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述觸發(fā)電路中采用型 號(hào)LM324的放大器。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述的WiFi模塊，可采 用任何支持串口與無線透?jìng)鞯腤iFi模塊。
【文檔編號(hào)】G01R13/02GK106066417SQ201610412742
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日 公開號(hào)201610412742.4, CN 106066417 A, CN 106066417A, CN 201610412742, CN-A-106066417, CN106066417 A, CN106066417A, CN201610412742, CN201610412742.4
【發(fā)明人】蔡小偉, 黃桂萍, 張士錢, 范宜標(biāo)
【申請(qǐng)人】龍巖學(xué)院