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、信號調理電路、觸發(fā)電路、STM32單片機、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)字示波器的基礎上，結合當前主流操作系統(tǒng)的優(yōu)點，借助WiFi通信方式，將數(shù)字示波器應用于操作系統(tǒng)Android平臺上，實現(xiàn)具有數(shù)據(jù)采集與波形顯示分離特點。設計Android應用程序作為顯示端顯示波形、頻率幅值，還可作為上位機向下位機發(fā)送觸發(fā)指令等。下位機基于STM32單片機內部A/D主要作用是對采集的電信號進行處理，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，第一時間提供測量技術支持，實現(xiàn)測量端與觀察端分離，而且能實現(xiàn)多人同時觀察測量結果與測量控制。
【專利說明】
-種便攜式WiFi虛擬示波器
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種WiFi示波器，尤其設及一種便攜式WiFi虛擬示波器。
【背景技術】
[0002] 示波器是作為當今電子測量儀器中最基本、最通用和最重要的電子儀器之一，其 應用的范圍和應用的領域都是非常廣的。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、不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與波形顯示分離，更不能實現(xiàn)多人同時觀測量 等。示波器作為當今現(xiàn)場測試最重要的工具之一，在驗證及解決復雜性問題方面都很有作 用，可W滿足現(xiàn)場工程師的需要。當前不管國內還是國外都有一些體積較小的高端手持儀 器，但由于價格昂貴，還存在一定的條件限制，不利于推廣。

【發(fā)明內容】

[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下技術方案來實現(xiàn)上述目的：
[0005] 本發(fā)明包括禪合電路、信號調理電路、觸發(fā)電路、STM32單片機、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輸出端分別與所述信號條理電路的輸入端和 STM32單片機的第一輸入端連接，所述信號條理電路的輸出端分別與所述觸發(fā)電路和所述 STM32單片機的輸入端連接，所述觸發(fā)電路的信號傳輸端與所述STM32單片機的信號傳輸端 連接，所述STM32單片機的信號傳輸端通過所述WiFi發(fā)射模塊與所述安卓客戶顯示端連接。
[0006] 進一步，所述電源包括5V、3.3V和負電源；所述5V和3.3V采用型號LM7805和型號 LM1117-3.3的Ξ端穩(wěn)壓器為核屯、元件;所述負電源采用型號LM79L05的Ξ端穩(wěn)壓器為核屯、 元件;所述信號調理電路中采用型號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)有技術相比，本發(fā)明在普通數(shù)字示波 器的基礎上，結合當前主流操作系統(tǒng)的優(yōu)點，借助WiFi通信方式，將數(shù)字示波器應用于操作 系統(tǒng)Amlroid平臺上，實現(xiàn)具有數(shù)據(jù)采集與波形顯示分離特點。設計Amlroid應用程序作為 顯示端顯示波形、頻率幅值，還可作為上位機向下位機發(fā)送觸發(fā)指令等。下位機基于STM32 單片機內部A/D主要作用是對采集的電信號進行處理，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，第一時間提供測 量技術支持，實現(xiàn)測量端與觀察端分離，而且能實現(xiàn)多人同時觀察測量結果與測量控制。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構原理圖；
[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)明的負電源電路圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明的單片機連接原理圖；
[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)明的信號調理電路電路圖；
[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；
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明：
[0020] 如圖1所示：包括禪合電路、信號調理電路、觸發(fā)電路、STM32單片機、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輸出端分別與所述信號條理電路的輸入端 和STM32單片機的第一輸入端連接，所述信號條理電路的輸出端分別與所述觸發(fā)電路和所 述STM32單片機的輸入端連接，所述觸發(fā)電路的信號傳輸端與所述STM32單片機的信號傳輸 端連接，所述STM32單片機的信號傳輸端通過所述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,其具有很豐富的內部資源，包括了內部 集成2個IMsps 12位的獨立ADC，其可供測量16個外部和兩個內部信號源，并且其轉換模式 非常多。并且內部具有高達72M監(jiān)的主頻，高達1.25DMIPS/MHZ的處理速度，具有延遲非常小 的DMA傳輸功能，靈活強大的8個定時器等，已經(jīng)完全具備了實現(xiàn)一個低頻的數(shù)字示波器功 能的所有要求，本設計的目標是只要定量定性地分析20IfflzW下的低頻信號，所W用STM32F 可W很方便地實現(xiàn)。
[0022] 顯示端操作系統(tǒng)
[0023] 目前市場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：
[0024] 其一，Amlroid是開源系統(tǒng)，具有跨平臺性，得到了眾多的廠商支持。
[0025] 其二，相比較于I0S和WPiAmlroid自帶的內存回收機制GC又是一大亮點，開發(fā)人員 不需要時刻關注是否需要手動釋放內存。它能夠自動對堆空間的對象進行識別，如果該對 象不再被引用，將被作為垃圾回收其占據(jù)的空間，提高內存空間的利用率。
[0026] 其Ξ，在可定制性方面，Android系統(tǒng)可W根據(jù)用戶自己的意愿進行各種設置，改 變操作界面，安裝桌面啟動器，任意調整桌面部件的大小等。而I0S和WP只能保證有限的選 項。
[0027] 綜上所述，Android滿足了本設計需要的基本特點，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設計完善，系統(tǒng)優(yōu)化較好;性價比高，用戶體驗較好。因 此，本課題選擇了 Amlroid移動終端作為硬件平臺。
[00%]概括來說安卓作為顯示端還具有如下特點：
[0029] (1)具有多分辨率適配功能，根據(jù)智能設備屏幕的尺寸調整顯示界面的大小。
[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格。
[0032] 如圖2所示:正電源部分:本發(fā)明中所用到的信號調理電路、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。其中使用到的運放需要用到5V正電 源及5V負電源;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轉換的基準電壓為3.3V，所W需要3.3V電源。
[0033] 5V正電源部分:本設計中可將外接的9V電源連接至P1兩端，如圖2,二極管D1可用 于防止電源正負極接錯而燒毀電路，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電路及A/D轉換電路的電源。
[0035] 如圖3所示：負電源部分，負電源由V+由Ξ極管Q2、電感L3、電容C24和二極管D2組 成的開關電源電路產(chǎn)生的負電壓V-，再經(jīng)過L4、C25濾波W及呪穩(wěn)壓后輸出AV-，而開關管Q1 的通斷則是由單片機產(chǎn)生的方波信號VGEN通過Q1來驅動。
[0036] 如圖4所示:主控系統(tǒng):單片機最小系統(tǒng)
[0037] STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器，其內核是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時鐘的化L，內置2個12位 模數(shù)轉換器，lus轉換時間，轉換范圍0至3.6V，串行單線調試(SWD)和JTAG接口，8個定時器， 2個16位定時器。本課程設計主控忍片系列按片內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內部的4個通用定時器非常強大，每個定時器又有4個獨立通道，再加上 獨立、可編程的預分配器，實現(xiàn)任意分頻。A/D轉換器是通過定時器來觸發(fā)采樣的，W保證其 W恒定的時間間隔對模擬信號進行模數(shù)轉換，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)存儲器中（RAM)。在規(guī)定的觸發(fā)條件滿足時，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)射模塊將運些數(shù)據(jù)傳輸給上位機(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兩種。根據(jù)不同情況選擇的通訊方式不同， 例如當兩臺數(shù)字設備之間傳輸距離較遠時，數(shù)據(jù)往往W串行方式傳輸。串行通訊的優(yōu)點是 傳輸線少、成本低等，尤其適合遠距離傳送。本串口接口電路，使用波特率為115200,無校 驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位方式。適用于任何具備WiFi轉串口的模塊，只要WiFi轉串口模塊 能實現(xiàn)無線透傳數(shù)據(jù)即可，運樣可方便用戶替代價格理低的模塊。本設計使用的是 TLN13UA06模塊，是一款自帶有UART接口平臺設計的網(wǎng)卡模塊，一般采用插針接口的方式與 主機連接。TLN13UA06WiFi模塊應用于帶有UART接口的設備環(huán)境中，符合STM32接口的要求。
[0040] 如圖6所示：下載調試端口 ： 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。對比JTAG，SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠、下載時 支持更少的引腳運樣可W節(jié)省PCB的空間，因此本次設計采用SW的受計；
[0041] 如圖7所示：禪合電路：電信號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:信號調理電路主要由衰減電路及偏置電路組成。設計示波 器的過程中，衰減電路是為了保證在較大的信號輸入時，能夠在STM32內部A/D采樣的范圍 之內，w避免造成信號的失真或是損壞主控忍片。本設計通過兩級的衰減達到衰減的目的。 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。運放LM324 (U1A)設計成電壓跟隨器，用于實現(xiàn)兩級衰減電路間的阻抗匹。
[0043] 如圖9所示:偏置電路：由于STM32內部自帶的A/D無法對負電壓進行采集，而待測 信號一般都帶有負壓，要想實現(xiàn)測量的目的，運時需要電路將負壓抬高到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基掃描或采集的時 候，都是從輸入信號上和自己所定義相同的觸發(fā)條件開始，運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，示波器實現(xiàn)了每次捕獲的波形相重疊，運樣一來就能顯示 非常穩(wěn)定的波形或保證單次信號的捕獲。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)中需要有個觸發(fā)電平，運里的觸發(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進行比較，輸出 方波信號，方波的上升沿或下降沿觸發(fā)A/D進行采樣。
[0045] 定時時間：STM32的時間周期為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間。
[0046] 表1義樣時間
[0047] _
[004引 WiFi模塊
[0049] WiFi模塊作為傳輸介質，它從STM32的外設串口中讀取信號，并經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換后， 通過無線WiFi傳遞到移動終端。同時也接收智能端設置的命令，并W多字節(jié)的方式一次性 傳遞給串口接口，最后到達STM32處理器。本設計中只要滿足能設定波特率為115200bps，無 校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位的工作方式，且支持無線透傳工作模式的任何WiFi模塊都能作 為設計的替代品。運樣設計可方便用戶自行選擇選擇價格理低的模塊。
[0050] 本發(fā)明采用的是化N13UA06WiFi無線透傳模塊，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)絡標準，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里內置了兩個協(xié)議分別是無線網(wǎng)絡協(xié)議^邸802.11協(xié)議找和^?/1?協(xié)議 找，能夠實現(xiàn)用戶嵌入式設備數(shù)據(jù)與無線網(wǎng)絡之間的相互轉換的目的。基于運些特點，作為 本發(fā)明所選用。
[0化1 ] WiFi各種通訊協(xié)議標準如表2所示。
[0化2] 表2WiFi通訊協(xié)議標準 「00531
[0054] 表3列出了 TLN13UA06WiFi模塊的主要特點。
[0055]表3WiFi模塊產(chǎn)品技術規(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。本行業(yè)的技術 人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實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)明還會有各種變化和改進，運些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
【主權項】
1. 一種便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:包括耦合電路、信號調理電路、觸發(fā)電路、 STM32單片機、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輸出端分別與 所述信號條理電路的輸入端和STM32單片機的第一輸入端連接，所述信號條理電路的輸出 端分別與所述觸發(fā)電路和所述STM32單片機的輸入端連接，所述觸發(fā)電路的信號傳輸端與 所述STM32單片機的信號傳輸端連接，所述STM32單片機的信號傳輸端通過所述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 和負電源。3. 根據(jù)權利要求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 LM7805和型號LM1117-3.3的三端穩(wěn)壓器為核心元件。4. 根據(jù)權利要求2所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述負電源采用型號 LM79L05的三端穩(wěn)壓器為核心元件。5. 根據(jù)權利要求1所述的便攜式WiFi虛擬示波器，其特征在于:所述信號調理電路中采 用型號LM324的放大器。6. 根據(jù)權利要求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LM324的放大器。7. 根據(jù)權利要求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傳的WiFi模塊。
【文檔編號】G01R13/02GK106066417SQ201610412742
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月14日 公開號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
【申請人】龍巖學院