一种智能手机示波器信号节点的制作方法

本发明用于智能手机对电压信号波形进行测量、数字化处理、无线通信、信号分析及显示，对电压信号波形进行测量、数字化处理、无线通信，涉及一种智能手机示波器信号节点。
背景技术：
：示波器是一种基本的、常用的电压信号波形测量仪器。示波器有两种类型，即模拟示波器和数字示波器。数字示波器不仅具有波形自动测量显示功能，还能够进行数据存储、波形分析处理、参数自动计算等功能，所以更为广泛的应用于日常生活中。传统的数字示波器的结构一般是采用模拟信号通道、adc模数转换、fpga现场可编程逻辑门阵列、dsp处理器加lcd液晶显示的方式，具有较好的数据采集和测量的能力。常见的数字示波器类型有台式、表式和模块式。台式示波器功能强、精度高、但价格昂贵、体积大，不便携带；模块式示波器上作为虚拟仪器的一个组件，用来测量信号，但没有显示功能，需要通过标准接口和微机系统连接使用；表式示波器是近年发展起来的便携式数字示波器，能较好满足个人和家庭需求，能进行信号波形的测量和显示，但本身不具有数据处理功能。近年来，由于智能移动设备的性能不断地提高，4g网络普及，使得移动计算领域产生和发展。智能移动设备许多新的优势特性，使得许多应用场合下的任务向移动环境迁移。一些研究提出：如果把前端的测量功能做成一个数据采集模块，配上移动平台，就可以直接在移动平台实时的查看波形，分析数据。这样工作人员可以任何时间、任何地点进行测试，相对于上述台式示波器和模块式，更具灵活、便携、环境适应性强、智能处理方便等特点。技术实现要素：本发明公开了一种智能手机示波器信号节点，通过使用此节点，完成对幅度≤±500v、频率≤60khz的电压信号的采集、数字处理、和智能手机实现wifi通信。本发明采用的技术方案包括：一种智能手机示波器信号节点(1)，通过wifi无线通信和智能手机连接，其特征是：该节点由stc15w408单片机控制电路(2)、测量信号输入电路(3)、比例放大电路(4)、wifi传输电路(5)、固件下载编程电路(6)、辅助信号电路(7)共六部分组成。stc15w408单片机控制电路(2)包括单片机内部的控制固件和对比例放大电路(4)、wifi传输电路(5)、辅助信号电路(7)三部分的控制方法；控制固件是固化的单片机控制程序，完成对比例放大电路(4)的负反馈比例运算放大器的放大比例选择控制；wifi传输电路(5)通信协议的传输控制、辅助信号电路(7)的d/a转换和i/o引脚的控制；对接收的测量信号在单片机内部进行10位a/d转换及数字化处理，包括信号采样控制、同步传输控制、手机命令处理。进一步地，所述测量信号输入电路(3)，包括测量信号1输入电路、测量信号2输入电路、基准电路。测量信号1输入电路和测量信号2输入电路用来输入外部接入的被测电压信号，以实现双踪示波器的输入，由于输入信号幅度范围设定为≤±500v，为了适合电子器件的电压电流限制，所以对输入信号采用了电阻分压、限流电路。2路被测量信号，j1是作为较高电压的输入通道，信号经过r5、r6、rw1分压、限流后作为输入信号，使其能够符合测量电路要求。j2是作为较低电压的输入通道，该通道信号一方面可以经过r7、r8、rw2分压、限流后作为输入信号，另一方面可以通过j2的3脚直接接入外部低电压信号，以提高对低电压波形的测量精度。基准电路是产生一个直流偏置电压，叠加在被测信号上，用来作为被测信号的幅度零点，由于采用的单片机工作在+5v电压，其自带的a/d无法转换负电压，所以需要在被测量信号上叠加一个直流电压，使被测量信号上升到正值范围，同时把显示的基准线放在显示图格的水平中线。一般示波器垂直(幅度)和水平(频率)都显示10格，相当幅度每格显示0.5v，则中线为2.5v。电路中用r19、rw3、r20对5v电源分压，得到2.5v基准电压。进一步地，所述比例放大电路(4)，包括模拟开关、比例放大器，模拟开关mx309是a、b二路四选一模拟开关，每一路接入信号输入电路(3)送来的一路被测信号，单片机根据被测信号的大小，通过i/o信号控制mx309的a0、a1编码接通其中一个模拟开关，选择接入比例放大器的输入电阻(a路：r9～r12；b路：r13～r15)；比例放大器用双运放器lm358组成2路比例放大器，其作用是为了使不同幅度的测量信号都能在手机屏幕上以最大幅度显示，以a路为例可以选择r9、r10、r11、r12等不同电阻作为比例放大器的输入电阻，和负反馈电阻r17,构成不同的放大比例，分别产生四种不同放大倍数的电压信号。进一步地，所述wifi传输电路(5)，包括wifi模块hlk-mr04和信号传输连接方法，hlk-mr04是海凌科电子新推出的低成本嵌入式uart-eth-wifi(串口-以太网-无线网)模块，用单片机通过txd_2、rxd_2引脚和hlk-mr04进行高速异步串行通信；hlk-mr04通过自带的发射天线和智能手机进行wifi无线通信；二者结合，实现串口转wifiap的功能，满足中、低频率信号测量的要求。进一步地，所述固件下载编程电路(6)，包括usb连接接口和usb转串行接口芯片pl2303sa，pl2303sa通过usb接口和微机连接，通过异步串行接口txd、rxd和stc15w408单片机连接，利用stc15w408的在线编程功能，实现固件编程下载和微机-单片机异步串行，可以随时修改单片机的固件，便于节点的功能扩展和更新。进一步地，所述的辅助信号电路(7)，包括d/a输出电路和控制信号i/o电路，用来产生示波器节点的辅助信号，d/a输出产生一路模拟信号波形，用来作为辅助的模拟信号源；控制信号i/o电路产生1-4路i/o信号，用来作为辅助的直流信号和进行输入输出信号传输。辅助信号可以作为本节点的自检信号输入和运行状态的自检显示。本发明改变了传统的示波器测量方式，具有新特点：1、在系统结构设计上，实现了“智能手机+前端节点”的小型虚拟示波器设计；2、在应用领域里，为智能手机拓宽了在电子测控领域的广泛应用；3、在技术上，①在虚拟仪表中采用了wifi无线传输技术，实现了无线示波器测量，便于特殊环境下的连接和信号远距离测量；②在示波器的触发信号处理上，采用了软件(固件)同步传输方式来代替传统的硬件电路的同步触发方式；4、无线测控节点具有体积小(只有54mm×62mm×16mm)、连接使用方便、价格低，便于功能扩展等特点，适应个人或家庭使用，为示波器的小型化、便携式创造了条件。附图说明图1是智能手机示波器信号节点原理框图；图2是智能手机示波器信号节点电路原理图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。1、图1为节点结构，该节点由stc15w408单片机控制电路(2)、测量信号输入电路(3)、比例放大电路(4)、wifi传输电路(5)、固件下载编程电路(6)、辅助信号电路(7)共六部分组成。节点完成对≤±500v电压信号的输入，采集、数字处理，节点和智能手机实现wifi无线通信。节点对信号测量的过程是：测量信号输入电路(3)通过j1、j2接口输入被测信号，通过对信号衰减和叠加基准电压进行信号调理后，传送给比例放大电路(4)，单片机根据智能手机发来的测量命令要求，按被测信号大小对比例放大电路进行控制，得到合适的电压波形幅度，同时对不同频率的信号采用不同的采样频率送入单片机内部的10位分辨率的a/d转换器进行转换处理，处理好的信号通过wifi传输电路(5)无线传送给建立了wifi连接的智能手机，由手机进行信号的处理和波形显示；固件下载编程电路(6)用来对节点的单片机进行下载编程；辅助信号电路(7)用来产生节点自身的小幅度信号，供节点测试使用。图2为本发明之节点的实际电路原理，对图1框图的各部分电路的元器件使用及参数、线路的连接、信号的传送都作了具体描述。通过参阅附图和本说明的具体实施方式，本领域的一般技术人员只要照着去做，就可实现发明目的。以下对各部分功能及其关系进行具体说明。2、stc15w408单片机控制电路(2)，采用stc15w408型单片机，是测量节点的核心控制器件，其和51系列单片机兼容，运行速度比stc89系列快3-4倍，具有10位a/d转换功能，转换速度达到30万次/s，能够进行在线编程，通过对单片机固件设计和使用，实现对输入通道的选择、比例放大电路的放大倍数、信号的采集和a/d转换控制、信号的处理和传输控制、和智能手机无线通信及手机命令的解析处理。3、测量信号输入电路(3)用来输入被测信号，从图2中可见，系统有2路被测信号输入j1、j2接入波形信号，输入信号幅度范围设定为≤±500v，为了适合电子器件的电压电流限制，所以对输入信号采用了电阻分压、限流电路。2路被测量信号，j1是作为较高电压的输入通道，信号经过r5、r6、rw1分压、限流后作为输入信号，以最大测量电压500v来计算，经过分压后，输入电压只有5v，电流i<500/1010≈50ma，能够符合测量电路要求。j2是作为较低电压的输入通道，该通道信号一方面可以经过r7、r8、rw2分压、限流后作为输入信号，另一方面可以通过j2的3脚直接接入外部低电压信号，以提高对低电压波形的测量精度；基准电路是由于采用的单片机工作在+5v电压，其自带的a/d无法转换负电压，所以需要在被测量信号上叠加一个直流电压，使被测量信号上升到正值范围，同时把显示的基准线放在显示图格的水平中线。一般示波器垂直(幅度)和水平(频率)都显示10格，相当幅度每格显示0.5v，则中线为2.5v。电路中用r19、rw3、r20对5v电源分压，得到2.5v基准电压。4、比例放大电路(4)，包括模拟开关、比例放大器。模拟开关：从图2可见，电路采用max309，二路四选一模拟开关，每一路接入信号输入电路(3)送来的一路被测信号，用单片机的p1.3和p1.4作为max309的a、b二路的通道选择，单片机根据被测信号的大小，从4条支路选择1条支路电阻，a通道接入的电阻是r9、r10、r11、r12，b通道电阻是r13、r14、r15，电阻阻值不同，意味着接入不同档位的测量信号，送到比例放大器。比例放大器：系统用双运放器lm358组成2路负反馈比例运算放大器，其作用是为了使不同幅度的测量信号都能在示波器上正常显示。r17、r18以a路为例可以选择r9、r10、r11、r12等不同电阻作为比例放大器的输入电阻，和负反馈电阻r17,构成不同的放大比例。5、wifi传输电路(5)，包括wifi模块hlk-mr04和信号传输连接方法，hlk-mr04是海凌科电子新推出的低成本嵌入式uart-eth-wifi(串口-以太网-无线网)模块，用单片机通过txd_2、rxd_2引脚和hlk-mr04进行高速异步串行通信，传输测量数据和命令，传输测量数据和命令，数据传输可达到230400bps；hlk-mr04通过发射天线和智能手机进行wifi无线通信，传输数据和命令，支持无线标准ieee802.11n(150mbps)、ieee802.11g(54mbps)、ieee802.11b(11mbps)；二者结合，实现串口和wifiap转换的功能，完成波形数据和命令传输，以手机显示波形每屏采样200个点作为一帧，单片机采样速度30万次/s，若采样3个点数字滤波得到1个点，则一屏有200×3＝600次采样，约600/300000秒＝0.002s。测量波形的a/d数据直接无线传送给智能手机，手机对波形数据进行处理和显示，满足中、低频率信号测量的要求。6、固件下载编程电路(6)，包括usb接口和usb转串行接口芯片pl2303sa，由图2可见，pl2303sa通过usb接口和微机连接，dp引脚接usb端口d+，dm引脚接usb端口d-；pl2303sa通过异步串行接口txd、rxd和stc15w408单片机连接，利用此单片机具有的在线编程功能，实现固件编程下载，还可以实现微机-单片机异步全双工串行通信。7、辅助信号电路(7)，包括d/a输出电路和控制信号i/o电路，用来产生手机示波器节点的辅助信号。由图2可见，利用了ccp1高速脉冲输出功能实现9-16位pwm，通过固件控制pwm的周期和占空比，从而产生不同的模拟信号电压由j5输出，用来作为辅助的模拟信号源；控制信号i/o电路产生1-4路i/o信号，用来作为示波器调试辅助的直流信号和进行输入输出信号传输，连接的led(d2～d5)用来显示节点运行的状态。实施例1：节点信号的连接表1stc15w408单片机信号连接由图2可见，节点信号的连接主要包括2个部分：一部分是stc15w408单片机和节点内其他电路的连接，这是单片机进行控制的依据，此链接如表1所示。另一部分是节点和外部信号的连接，此连接如表2所示。表2节点和外部信号连接实施例2：测量信号输入电路(3)节点测量电压的幅度范围是≤±500v，为了使大、小电压都能较好地被测量和显示，测量信号输入电路就需要对不同幅度的电压有不同的输入电阻，实现不同的信号衰减。为此，由图2可见，本节点采取了三种方法：方法一：由j1接入的第一路信号，采用了较大的衰减用来接入较大的电压信号，衰减后的信号由r5和r6分压得到，保证最大信号为vpp＝500v时衰减后不超过vpp＝5v。方法二：由j2的1脚接入的第二路信号，采用了较小的衰减用来接入较小的电压信号，衰减后的信号由r7和r8分压得到，保证最大信号为vpp＝250v时衰减后不超过vpp＝5v。方法三：由j2的3脚接入的第二路信号，采用直接接入电压信号，该接入信号的衰减由外部电阻和r8的分压确定，当信号vpp≤5v时，外部电阻可以为0，信号由3脚直接接入。实施例3：通过模拟开关控制比例放大的放大倍数测量信号输入电路(3)送来的测量信号，幅度有大有小，为了充分利用手机屏幕尽量大范围的显示波形，便于用户观测和分析，本节点通过比例放大电路(4)实现对不同信号的不同比例放大，使被测信号显示幅度最大。单片机对比例放大控制是通过选择接入放大器的输入电阻的阻值大小来改变，由图2可见，模拟开关器件max309是四选一模拟开关，以通道a为例，选择的电阻r4＝1k、r5＝2k、r6＝10k、r7＝50k，与负反馈放大器的反馈电阻r17＝50k构成放大倍数分别是50倍、25倍、5倍、1倍的放大。放大后的信号经过单片机中a/d转换，在传送给智能手机处理和显示。实施例4：wifi传输的数据格式为了实现本节点和智能手机之间通过wifi传送示波器的数据和命令，双方必须按照协议的数据传输格式，这里定义了二种格式。格式一：节点向手机发送数据格式，如表3。其中：信号编码ccc表示信号类型：000-校准信号、001-通道a信号、010-通道b信号；hhhhh表示信号幅度档位，如实施例3中所述的四个档位。表3测量信号数据格式例如：编码为00100011表示测量j1输入信号，选择的通道a的r11接入；波形显示数据，是以手机屏幕显示区间，每屏采样200个点作为一帧，采用过采样技术，单片机采样速度30万次/s，若采样5个点，数字滤波得到1个点，则一屏有200×5＝1000次，约1000/300000秒＝3.3ms<0.05s(视觉暂留)。直接传送测量波形的a/d数据，手机软件接到起始符后，即可对数据进行处理和显示。格式二：手机向节点发送命令格式，如表4。其中：命令编码中，cc表示测量类型：00-基准、01-通道a、10-通道b、11-双通道；hhh表示信号测量幅度选择、fff表示信号测量的频率选择，用来调整单片机的信号采样频率。表4命令格式起始符命令编码(8bit)*cchhhfff实施例5：d/a电路的模拟信号输出辅助信号电路(7)中的d/a输出电路，用来作为辅助的模拟信号源。由图2可见，利用了ccp1高速脉冲输出功能，通过单片机控制，可以实现9-16位pwm输出。节点的d/a电路是通过一个标准电压(由cmp+输入)和二阶低通滤波后的pwm脉冲(由cmp-输入)进行比较(单片机内部的比较器)，固件控制pwm的周期和占空比，产生不同的模拟信号电压由j5输出。当前第1页12