基于Android的雙通道虛擬數(shù)字存儲示波器設(shè)計

劉海成

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于Android的雙通道虛擬數(shù)字存儲示波器設(shè)計

劉海成

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

基于Android移動平臺、藍牙接口和數(shù)據(jù)采集前端電路實現(xiàn)虛擬數(shù)字存儲示波器，其主要特點是在FPGA的控制下，通過雙路程控參數(shù)通道實現(xiàn)高速采集，并基于嵌入式處理器與虛擬儀器app互聯(lián)，在Android平臺上實現(xiàn)虛擬數(shù)字存儲示波器應(yīng)用。整個系統(tǒng)具有虛擬儀器特點的同時，還具有Android的移動互聯(lián)特性，為移動互聯(lián)儀器應(yīng)用提供可能。

虛擬示波器；Android；藍牙；嵌入式；FPGA

儀器儀表作為信號測試和計量設(shè)備廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)臺式儀器，“軟件就是儀器”作為核心理念的虛擬儀器展現(xiàn)出了巨大的生命力[1-2]。目前，基于Android的智能移動終端已經(jīng)完全融入每個人的生活，因此，基于智能移動終端的虛擬儀器是重要的發(fā)展方向。本文研究基于Android平臺實現(xiàn)雙通道虛擬存儲示波器的系統(tǒng)構(gòu)架和通信接口等

1 整體框架及硬件電路設(shè)計

本文給出的基于Android平臺實現(xiàn)雙通道虛擬存儲示波器的系統(tǒng)構(gòu)架和通信接口如圖1所示。其中，由輸入模擬調(diào)理電路、高速A/D轉(zhuǎn)換器、高速采集控制邏輯及緩存電路，以及嵌入式處理器構(gòu)成時域信號檢測的高速數(shù)據(jù)采集電路[3-4]；由嵌入式處理器和藍牙串口構(gòu)成與Android終端的通信接口電路；以及Android終端運行數(shù)字存儲示波器的App。

信號采集的重要基礎(chǔ)是首先要建立一條可靠的信號輸入通道，以保證足夠的信號帶寬和幅度范圍。雙路信號的每個輸入通道對稱模擬調(diào)理電路，包括輸入保護電路、輸入阻抗匹配電路、程控增益等，用以防止信號出現(xiàn)振鈴等畸變現(xiàn)象。本設(shè)計前端采用1 MΩ的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)對信號不失真的接收，保證輸入信號±20 V的幅度范圍和20 MHz的模擬帶寬要求，要有衰減和帶寬調(diào)整電路，圖2為信號1/10衰減的模擬調(diào)理電路。本設(shè)計采用專用的程控增益芯片AD603對信號進行線性放大或衰減，通過D/A轉(zhuǎn)換器進行增益數(shù)控調(diào)整。

圖1 整體框架

圖2 信號1/10衰減電路

高速度的A/D轉(zhuǎn)換與高速度的緩存器是實現(xiàn)高速信號采集系統(tǒng)的重點[4]。對于寬帶信號進行分析和測試時，對數(shù)據(jù)采集電路有兩個要求：一方面必需使用高速的A/D轉(zhuǎn)換器，使其滿足時域采樣定理；再者，需要有大容量且高速的數(shù)據(jù)緩沖系統(tǒng)。本文采用內(nèi)建采樣保持器的100 Msps雙8位高速A/D轉(zhuǎn)換器芯片AD9288進行高速A/D轉(zhuǎn)換采集， SRAM作為高速緩沖器，基于FPGA實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器和SRAM的橋接接口，以及嵌入式處理與SRAM的接口[5-8],如圖3所示。

圖3 AD9288應(yīng)用原理

另外，示波器還有一個重要技術(shù)指標(biāo)，那就是觸發(fā)的設(shè)置和實現(xiàn)。本設(shè)計采用數(shù)字觸發(fā)的方式實現(xiàn)，既A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果作為FPGA內(nèi)部觸發(fā)邏輯的輸入，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時標(biāo)記時間基點。數(shù)字觸發(fā)可以實現(xiàn)多種觸發(fā)方式，比模擬比較器的硬件觸發(fā)具有靈活和精準(zhǔn)等優(yōu)勢[9-11]。

2 嵌入式處理器的軟件設(shè)計

嵌入式處理器的主要職責(zé)之一是操控FPGA，表現(xiàn)在兩個方面:一方面是能使FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集，包括數(shù)字觸發(fā)和進行模擬增益調(diào)整等；另一方面是通過FPGA橋接SRAM，將SRAM中的數(shù)據(jù)讀回[12-15]。嵌入式處理器的第二方面職責(zé)是與Android端的app配合，按App端的命令調(diào)整時基(時基將發(fā)生給FPGA，F(xiàn)PGA據(jù)此調(diào)整采樣頻率)、使能通道和上傳數(shù)據(jù)給app等。嵌入式處理器的程序流程如圖4所示。

圖4 嵌入式處理器的主流程

3 Android移動端的App軟件設(shè)計

Android端的App主要包括三大部分:其一是工作參數(shù)設(shè)置界面，包括對時基、波形幅值和觸發(fā)方式等一些參數(shù)的設(shè)置；另一部分是與嵌入式處理器之間的通信過程；最后對接收到的數(shù)據(jù)進行處理后顯示出波形。

參數(shù)設(shè)置界面的設(shè)計為隱藏的拉窗式菜單結(jié)構(gòu)，便于自動隱藏以提供更大的波形顯示界面，通過拉窗菜單進行參數(shù)設(shè)置的流程如圖5所示。當(dāng)發(fā)生屏幕觸摸事件時，系統(tǒng)會回調(diào)OnTouch()函數(shù)對觸摸事件進行處理，進入OnTouch()函數(shù)后首先要對觸摸的坐標(biāo)進行判斷，如果觸摸的位置處于設(shè)置區(qū)域則隱藏或顯示設(shè)置菜單，設(shè)置完成后通過藍牙發(fā)送給嵌入式處理器。當(dāng)然，在使用藍牙通信之前要進行藍牙配對并建立連接，建立連接的流程如圖6所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置程序流程

圖6 藍牙連接流程

Android端接收采集的數(shù)據(jù)流有三種方法，分別是：byte InputStream.read()、int InputStream.read(byte[] buf)和int InputStream. read(buffer, offset, length)。這三個方法分別是從輸入流中讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)、從輸入流中讀取多個數(shù)據(jù)，并將這些讀到的數(shù)據(jù)存放到一個byte類型的數(shù)組中，第三個方法就是第一個方法的多次循環(huán)。這里有兩個問題要注意：

第一，byte類型的數(shù)據(jù)是有符號的，與A/D轉(zhuǎn)換的無符號類型發(fā)生沖突。為此建立一個int類型的數(shù)組來存放接收到的正確數(shù)據(jù)。

第二，輸入流的完整性控制，防止讀取到不完整的數(shù)據(jù)個數(shù)，使得后續(xù)繪制波形不完整。本文采用的方法是InputStream.available()，這個方法將返回輸入流中的字節(jié)數(shù)，具體如下

while(count==0)

{

count=is.available();

}

byte[] buffer = new byte[1024];

read_count = 0;

while(read_count

{

read_count+=is.read(buffer,read_count,count.read_count);

}

當(dāng)成功讀取一次數(shù)據(jù)后，app通知嵌入式處理器再次發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣做的好處是不會過多地浪費數(shù)據(jù)流的空間，換句話說就是軟件盡量少的占用內(nèi)存。

波形繪制部分是對接收到的數(shù)據(jù)進行插值或抽取計算，并繪制連續(xù)的曲線，這可以通過一個繼承于View的類來完成，通過重寫View的onDraw()函數(shù)完成對波形的繪制。差值采用奈奎斯特內(nèi)插。首先定義兩個足夠大的數(shù)組用來作為兩路通道的顯示緩存，在繪制波形時，AndroidAPI提供了兩個可供選擇的方法：Canvas.drawLine()和Canvas.drawPoint()，在一般情況下使用這兩個函數(shù)的任意一個都可以很好地完成繪制波形的工作，但是如果在顯示的方波的情況下，Canvas.drawPoint()只能畫出橫向的線而不能自己補全縱向的線，所以本設(shè)計中使用Canvas.drawLine()方法繪制波形。并基于Android提供的兩個更新UI的方法postInvalidate()和Invalidate()保證顯示的實時性。顯示波形如圖7所示。

圖7 Android顯示波形效果

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的基于Android的虛擬儀器架構(gòu)，使用藍牙串口作為數(shù)據(jù)鏈路，充分利用了Android設(shè)備的硬件資源，實現(xiàn)了數(shù)字存儲示波器。該設(shè)計在具備虛擬儀器的特征基礎(chǔ)上體現(xiàn)了移動互聯(lián)儀器的特點，為遠程儀器應(yīng)用等提供新的方案。

[1] 孫延祚．測量儀器儀表的重要性及我國的現(xiàn)狀和發(fā)展對策[J]．中國計量，2009(11):57-59．

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Design of dual channel virtual digital storage oscilloscope based on Android

LIU Haicheng

(College of Electrical and Information Engineering，Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

This paper realizes a virtual digital storage oscilloscope based on Android mobile platform, bluetooth interface and data acquisition front end. Its main feature is that high-speed acquisition through a dual channel digital control by FPGA, and interconnection with virtual instrument App based on embedded processor on Android platform. The system incorporates all features commonly required in virtual instrument as well as the features with Android mobile internet, which can provide the possibility in the mobile interconnection instrument application.

virtual oscilloscope; Android; bluetooth; embedded; FPGA

2017-03-30

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541673)

劉海成(1979-)，男，副教授，研究方向：信號處理與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.008

TM131.5

A

1671-4679(2017)04-0033-04