物聯(lián)網(wǎng)智能示波器研究與設(shè)計(jì)

杜超+林開偉+陳曼雯+高浩

摘 要：示波器在工業(yè)和教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，使用方式均為在現(xiàn)場觀測波形并測試通道，功能相對單一。在很多場合，一方面測試人員不能長時間靠近設(shè)備；另一方面在做產(chǎn)品測試時需要長時間觀察波形，擾亂測試人員正常作息；再者在現(xiàn)場測試或產(chǎn)品開發(fā)測試時捕捉的波形需要和不在現(xiàn)場的技術(shù)人員進(jìn)行波形分析溝通，往往比較麻煩。針對目前示波器存在的上述問題，文中提出了一種物聯(lián)網(wǎng)智能示波器。該示波器集成了4G移動網(wǎng)絡(luò)、WiFi、藍(lán)牙、有線網(wǎng)絡(luò)接口、內(nèi)置開關(guān)電源輸出、麥克風(fēng)接口、耳機(jī)接口、溫濕度傳感器接口、紅外測溫接口、Mini USB、普通USB等豐富接口，并配套手機(jī)App與電腦配套軟件，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)或PC機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)試示并觀察記錄波形，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對講，便于進(jìn)行技術(shù)交流。此外，該示波器設(shè)計(jì)了2路CAN接口，可以連接電梯等主板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將診斷分析的故障顯示到示波器屏幕，同時可以通過手機(jī)或PC機(jī)遠(yuǎn)程查看故障情況，做到故障分析與波形分析有效結(jié)合，快速高效地解決各種技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)智能示波器；遠(yuǎn)程調(diào)試觀測；遠(yuǎn)程對講；遠(yuǎn)程智能診斷

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-04

0 引 言

示波器在工業(yè)測量、教育教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。針對示波器，相關(guān)技術(shù)人員對其進(jìn)行了諸多研究，包括示波器的應(yīng)用，二次開發(fā)以及為示波器配備的安卓系統(tǒng)和實(shí)時操作系統(tǒng)等[1-3]。對于示波器的應(yīng)用，現(xiàn)場測試人員一般在現(xiàn)場捕捉波形后進(jìn)行分析，如果需要遠(yuǎn)方的工程師共分析波形時，普遍做法是將波形進(jìn)行存儲（存儲到示波器或U盤），然后通過電腦遠(yuǎn)程將靜態(tài)圖片發(fā)送給遠(yuǎn)方配合分析的工程師。但此舉無法讓遠(yuǎn)方的分析人員看到現(xiàn)場的實(shí)時波形，且通過先存儲后發(fā)送圖片的方式很難在第一時間對波形進(jìn)行共享與分析，也很難實(shí)現(xiàn)清晰的技術(shù)交流。

此外，對于某些需要現(xiàn)場長時間記錄波形或存在不適合人員在設(shè)備附近長期停留的強(qiáng)輻射環(huán)境的情況，使用傳統(tǒng)的示波器很難做到遠(yuǎn)離示波器的同時實(shí)時獲取波形。雖然有些示波器具備長期存儲功能，但是從存儲的大量波形中找到需要的數(shù)據(jù)比較麻煩。再者，在測試人員使用示波器時，如果需要搭建一個小的運(yùn)行平臺進(jìn)行測試，往往需要另外再找一個合適的開關(guān)電源作為系統(tǒng)的供電電源，使得搭建平臺的過程變得繁瑣，尤其在現(xiàn)場時，額外的開關(guān)電源往往不容易尋找且攜帶不便。

當(dāng)然，有些現(xiàn)場可能不僅僅需要捕獲波形，往往還需要測量溫度、濕度等其他參數(shù)，在這種情況下，一般需要攜帶多個設(shè)備分別測量，給測量人員帶來諸多不便。

針對傳統(tǒng)示波器存在的諸多問題，結(jié)合目前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展情況，本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)智能示波器設(shè)計(jì)方案。該智能示波器將4G核心板作為主控單元，集成了雙通道WiFi、4G網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏接口以及以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)無線或有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸并驅(qū)動觸摸屏進(jìn)行操作顯示，從而通過設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)對示波器的遠(yuǎn)程調(diào)試、觀測與對講功能，方便技術(shù)交流。同時，集成了內(nèi)置開關(guān)電源輸出、麥克風(fēng)接口、耳機(jī)接口、溫濕度傳感器接口、紅外測溫接口、Mini USB、普通USB等豐富的接口功能，并配套手機(jī)App與電腦配套軟件，在保證傳統(tǒng)示波器功能的基礎(chǔ)上，發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，方便用戶省時地操作示波器，極大地提高現(xiàn)場解決問題的效率。當(dāng)某個身在現(xiàn)場的工程師需要和遠(yuǎn)在世界各地的相關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)交流時，只需在手機(jī)上裝載一個App或在電腦上裝載一個配套軟件，便可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時波形傳送與同步的語音、文字信息等技術(shù)交流。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能示波器設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)智能示波器首先必須具備傳統(tǒng)示波器的所有功能，本文基于現(xiàn)場使用方便考慮，將占用空間且分布密集的操作面板更改為觸摸屏，通過觸摸屏可以進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置并配備安卓系統(tǒng)，使得操作界面更人性化。在本文的設(shè)計(jì)中，原來密集的操作面板留出的空間被賦予了更加方便實(shí)用的功能。

物聯(lián)網(wǎng)智能示波器包含了25個主要部件，分別為通道1～4、溫濕度傳感器接口、紅外測溫接口、示波器校準(zhǔn)掛鉤、外殼地掛鉤、Mini USB、USB、耳機(jī)接口、麥克風(fēng)、輔助調(diào)節(jié)旋鈕、CAN1、CAN2、開關(guān)電源、市電輸入、網(wǎng)口、4G網(wǎng)絡(luò)主天線、4G網(wǎng)絡(luò)輔天線、WiFi天線、藍(lán)牙天線、觸摸顯示屏、揚(yáng)聲器及內(nèi)置鋰電池。

圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 功能分析

1.2.1 基本信號測試通道

該智能示波器配置了4路基本信號測試通道，分別為圖1所示的1-通道1、2-通道2、3-通道3、4-通道4，這與目前普通示波器基本信號測試通道的配置數(shù)量和配置方法相同。不同之處在于本文設(shè)計(jì)的示波器可通過USB口外接的測試通道擴(kuò)展板進(jìn)行通道數(shù)擴(kuò)展。此外，4個通道的實(shí)時波形可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺并最終發(fā)送到手機(jī)或PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示或生成報表。

1.2.2 傳感器接口

本示波器設(shè)計(jì)了溫濕度傳感器和紅外測溫傳感器接口，分別為圖2所示的5-溫濕度傳感器接口、6-紅外測溫接口。其中5-溫濕度傳感器接口兼容普通探頭傳感器和數(shù)字輸出傳感器，在接口設(shè)計(jì)時將兩者做成一個接口以方便使用。6-紅外測溫接口提供標(biāo)準(zhǔn)的紅外測溫探頭接口，該設(shè)計(jì)主要考慮在很多工業(yè)現(xiàn)場，操作人員無法近距離接近待測物體進(jìn)行測量的情況。上述兩種傳感器的實(shí)時結(jié)果和測試曲線可通過23-觸摸顯示屏進(jìn)行設(shè)置顯示并實(shí)現(xiàn)測試顯示，浮動窗口的任意位置拖拽。

1.2.3 校準(zhǔn)

本示波器保留7-示波器校準(zhǔn)掛鉤，用于示波器的校準(zhǔn)。8-外殼地掛鉤一方面為示波器校準(zhǔn)探頭，接地，另一方面在通過USB擴(kuò)展通道時為擴(kuò)展板提供參考地平面。

1.2.4 USB接口

USB接口包含9-Mini USB和10-USB兩種接口。其中Mini USB接口可以與手機(jī)互連實(shí)現(xiàn)有線方式的通訊，示波器的顯示界面可以顯示在手機(jī)上，并可以通過手機(jī)操作示波器。此外，Mini USB口也可以作為示波器程序升級使用。10-USB接口具備以下三個功能：endprint

（1）作為手機(jī)充電接口；

（2）接U盤存儲當(dāng)前波形截圖；

（3）作為擴(kuò)展通道的數(shù)據(jù)通訊口。

10-USB接口的功能可以通過觸摸顯示屏進(jìn)行選擇。

1.2.5 音頻接口

音頻接口包括耳機(jī)接口、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器三個主要部分。麥克風(fēng)接口用于音頻輸入，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程語音通話時需要此接口；揚(yáng)聲器一方面作為語音通話時的發(fā)聲部件，另一方面可以作為報警部件，是顯示鋰電池的電量、超過測量范圍的報警裝置；耳機(jī)接口是當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境比較嘈雜，麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器無法獲得良好音頻交互效果時使用的配置。

1.2.6 電源接口

電源接口一方面為市電輸入，如圖1中市電輸入所示。另一方面該示波器集成了直流開關(guān)電源輸出接口，如圖1中開關(guān)電源所示，可提供常用的24 V、5 V雙路直流電輸出，測試人員在進(jìn)行系統(tǒng)測試時無需再添加額外的開關(guān)電源。

1.2.7 CAN接口

本示波器提供了兩個CAN接口，用于采集電梯或其他設(shè)備具備CAN通訊接口的信息。示波器采集到相關(guān)信息后可以通過顯示屏顯示出相應(yīng)的諸如故障、運(yùn)行狀態(tài)等信息。同時該信息可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控設(shè)備或手機(jī)App上進(jìn)行實(shí)時顯示與存儲。

1.2.8 以太網(wǎng)口

本示波器集成了以太網(wǎng)接口，可以通過該接口連接以太網(wǎng)并將數(shù)據(jù)匯總到云平臺。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備或手機(jī)等智能設(shè)備可以實(shí)時監(jiān)控有效數(shù)據(jù)并將示波器的顯示界面實(shí)時顯示到監(jiān)控設(shè)備或手機(jī)App界面中。音頻通話數(shù)據(jù)也可以通過該以太網(wǎng)接口傳送到云平臺并通過云平臺轉(zhuǎn)接到相應(yīng)的監(jiān)控與智能手持設(shè)備中。

1.2.9 無線網(wǎng)絡(luò)接口

本示波器的無線網(wǎng)絡(luò)接口包含4G無線功能、WiFi功能以及藍(lán)牙功能。這三種無線網(wǎng)絡(luò)接口可分別用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與近距離的手持智能設(shè)備與示波器之間的實(shí)時通訊。

其中4G模塊可通過移動通信網(wǎng)絡(luò)建立示波器、云平臺和手持智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互與語音對講交流。云平臺可以遠(yuǎn)程監(jiān)控示波器的運(yùn)行狀態(tài)并作為示波器與手持智能設(shè)備之間的交互媒介。通過云平臺授權(quán)，位于世界各地的遠(yuǎn)端手持設(shè)備可以實(shí)時觀測現(xiàn)場示波器的顯示界面并遠(yuǎn)程操作示波器，從而獲取有效的采集信息。此外，通過4G模塊，遠(yuǎn)端手持設(shè)備的持有人員可以和現(xiàn)場測試人員通過智能設(shè)備的App進(jìn)行實(shí)時語音通話，實(shí)現(xiàn)更為高效便捷的技術(shù)交流，從而快而準(zhǔn)地解決現(xiàn)場問題。

本示波器集成了WiFi模塊功能。該WiFi模塊一方面可以連接本地的無線路由，實(shí)現(xiàn)與云平臺和遠(yuǎn)程手持智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，另一方面，當(dāng)本地不具備無線路由連接條件時，可與手持智能設(shè)備之間建立鏈接，組成局域網(wǎng)，在100 m距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)示波器與手持智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。WiFi模塊的近距離應(yīng)用可以方便現(xiàn)場測試人員與被測設(shè)備之間保持一個安全的距離，且不會花費(fèi)任何一個設(shè)備的數(shù)據(jù)流量。在同一個較空曠的環(huán)境下，測試人員可以通過手持智能設(shè)備以一定的距離監(jiān)控或調(diào)節(jié)示波器，當(dāng)需要長時間觀測時，測試人員可以邊觀測邊處理其他工作，大大節(jié)省了測試監(jiān)控時間并提高了工作效率。

本示波器集成了藍(lán)牙模塊功能。該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)更近距離（小于10 m）的手持智能設(shè)備與示波器之間的數(shù)據(jù)交互。當(dāng)被測設(shè)備具有較強(qiáng)的輻射或容易對人身安全產(chǎn)生威脅時，測試人員可以與被測設(shè)備保持一個相對安全的距離。持有手持智能設(shè)備的測試人員可在一個相對安全的位置對示波器的波形進(jìn)行監(jiān)控、存儲或?qū)κ静ㄆ鬟M(jìn)行操作。

1.2.10 人機(jī)交互與云平臺管理

人機(jī)交互主要涉及觸摸屏顯示界面、智能終端App以及云平臺管理三部分。觸摸屏顯示界面主要用于顯示各通道波形以及相關(guān)的菜單項(xiàng)，通道、功能的選擇及波形查看均可在觸摸顯示屏上進(jìn)行，極大地簡化了傳統(tǒng)示波器諸多操作按鍵。

對于每一臺物聯(lián)網(wǎng)智能示波器，其本身都可以設(shè)定一個專有的ID號，通過該ID號，智能終端App以及云平臺可以對該設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與實(shí)時操作，并實(shí)現(xiàn)云存儲。處于遠(yuǎn)端的智能終端持有者，打開App后可以選擇指定的設(shè)備并打開操控界面，進(jìn)入界面后可以通過網(wǎng)絡(luò)在智能終端實(shí)時觀察到現(xiàn)場的波形測試情況。智能終端持有者一方面可以觀察現(xiàn)場的實(shí)時波形，另一方面還可以通過App和處于現(xiàn)場的測試人員進(jìn)行語音對講，進(jìn)行最為直接有效的技術(shù)交流。此外，智能終端設(shè)備的持有者可以在App上設(shè)定其App編號并同步到云平臺，處于現(xiàn)場的測試人員可以輸入（或者事先錄入）指定的App編號，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場人員對指定遠(yuǎn)程技術(shù)人員的遠(yuǎn)程呼叫，遠(yuǎn)程技術(shù)人員持有的智能終端App會顯示被呼叫提示，從而建立遠(yuǎn)程波形傳送與實(shí)時語音對講系統(tǒng)。在進(jìn)行技術(shù)交流的過程中，智能終端持有者通過現(xiàn)場人員的授權(quán)操作，可以在線對示波器進(jìn)行調(diào)節(jié)操作，以獲取最佳顯示波形并選擇波形存儲，將現(xiàn)場波形存儲到遠(yuǎn)程智能終端設(shè)備上。

諸多物聯(lián)網(wǎng)智能示波器可以在統(tǒng)一的云平臺上進(jìn)行管理、監(jiān)控，設(shè)置交互。辦公室的工作人員在PC機(jī)上打開指定的云平臺網(wǎng)頁，進(jìn)入云平臺管理界面。所有登記的設(shè)備均可在平臺上進(jìn)行監(jiān)控管理并選擇一個或幾個設(shè)備進(jìn)行實(shí)時技術(shù)交流。此外，對于每臺示波器，云平臺可以選擇是否生成長期數(shù)據(jù)報表，一旦被選擇，該臺示波器打開后會自動將波形數(shù)據(jù)傳送到云端，最終由云平臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表用于記錄長時間工作下的波形采集情況。

1.2.11 內(nèi)置鋰電池

內(nèi)置鋰電池主要實(shí)現(xiàn)以下兩方面的功能：

（1）當(dāng)示波器掉電時保存當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)并備份到云平臺；

（2）保持示波器網(wǎng)絡(luò)功能正常，此時仍可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對講。

示波器供電正常情況下，鋰電池處于被充電狀態(tài)直至充電完畢。

1.2.12 輔助調(diào)節(jié)

輔助調(diào)節(jié)旋鈕用于顯示波形的微調(diào)，以解決觸摸屏操作不方便的問題，和觸摸屏相互配合，實(shí)現(xiàn)波形的高精度微調(diào)。endprint

1.3 核心硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的核心硬件框圖。核心硬件主要包含物聯(lián)模組和核心處理模組兩部分。核心處理模組為常規(guī)示波器模組，包含了示波器核心處理器和采集模塊，主要完成示波器的常規(guī)功能。物聯(lián)模組為本智能示波器的物聯(lián)核心，其包含了一個高度集成化的4G核心板，集成了WiFi、藍(lán)牙、4G網(wǎng)絡(luò)、音頻、觸摸屏驅(qū)動、以太網(wǎng)、USB等豐富接口，其SPI接口可以方便地進(jìn)行SPI轉(zhuǎn)CAN通訊的擴(kuò)展。該物聯(lián)模組以4G核心板為平臺，能夠以較小的體積實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的豐富功能。

物聯(lián)模組和核心處理模組之間采用高速總線進(jìn)行通訊，兩者之間可以快速、穩(wěn)定地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。物聯(lián)模組是遠(yuǎn)程平臺、遠(yuǎn)程智能設(shè)備與核心處理模組之間的媒介，通過該模組的嵌入使得示波器變得更加智能與方便。

1.4 物聯(lián)系統(tǒng)分析

圖3所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的物聯(lián)系統(tǒng)框圖。分布在各現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)智能示波器1-N通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)與云平臺互聯(lián)，云平臺將獲取的每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納處理后與遠(yuǎn)程智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)架構(gòu)不局限于本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)智能示波器，對于所有的工業(yè)測量設(shè)備、儀器儀表都將是一個較為新穎的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)智能示波器作為測量領(lǐng)域的智能硬件，其將云平臺大數(shù)據(jù)的處理能力與智能終端進(jìn)行有效結(jié)合，使得技術(shù)溝通更為便捷。

2 軟件流程

2.1 云平臺注冊流程

圖4所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器的云平臺注冊流程。首先，通過云平臺注冊示波器的設(shè)備號，每臺設(shè)備的設(shè)備號唯一；其次，測試示波器與云平臺的連接情況，此處以心跳包的形式進(jìn)行檢測；再次，技術(shù)工程師被授權(quán)注冊登錄賬號；最后，技術(shù)工程師在其智能終端設(shè)備上安裝App并完成首次App登錄。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)智能示波器與遠(yuǎn)程技術(shù)人員交互流程

圖5所示為物聯(lián)網(wǎng)智能示波器與遠(yuǎn)程技術(shù)人員交互流程。首先啟動示波器，示波器啟動后會自動建立與云平臺的網(wǎng)絡(luò)連接。之后示波器會從云平臺自動更新已注冊的工程師列表?，F(xiàn)場測試波形人員可以查詢到已注冊且在線的工程師列表，并可選擇在線工程師進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)呼叫。遠(yuǎn)程在線工程師接收到呼叫后選擇接通，便建立了兩者之間的交互。交互一旦建立成功，云平臺會獲取現(xiàn)場示波器的實(shí)時界面，并將其發(fā)送到遠(yuǎn)程工程師的手機(jī)或PC機(jī)上，同時兩端還可以進(jìn)行語音技術(shù)交流。

2.3 遠(yuǎn)程技術(shù)人員與現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)智能示波器交互流程

圖6所示為遠(yuǎn)程技術(shù)人員與現(xiàn)場遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)智能示波器交互流程。該流程包括被動和主動兩種方式。對于被動方式，遠(yuǎn)程技術(shù)人員收到來自現(xiàn)場示波器的呼叫后會在手機(jī)或PC上得到振鈴提示。遠(yuǎn)程技術(shù)人員接通后便會與遠(yuǎn)程示波器建立連接，隨后示波器的實(shí)時波形便會被傳送到遠(yuǎn)程技術(shù)人員的手機(jī)或PC上。同時，語音通話機(jī)制也會建立，測試時便可以同時進(jìn)行語音技術(shù)交流。對于主動方式，遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以通過手機(jī)或PC等智能終端主動呼叫現(xiàn)場的示波器。遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以通過智能終端查詢在線示波器情況，隨后選擇相應(yīng)的在線示波器進(jìn)行呼叫請求。此時，現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)示波器會振鈴提示，當(dāng)其接通后便可以進(jìn)行實(shí)時的示波器界面?zhèn)魉团c語音技術(shù)交流。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種物聯(lián)網(wǎng)智能示波器，其集成的物聯(lián)模組能夠極大改善測量設(shè)備與人之間的交互。豐富的物聯(lián)網(wǎng)接口與觸摸屏的設(shè)計(jì)改變了人們對傳統(tǒng)示波器的認(rèn)識。云平臺與大數(shù)據(jù)處理的快速發(fā)展為該智能示波器和持有智能終端的人員提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)媒介。該智能示波器的設(shè)計(jì)思路可以推廣到工業(yè)測量、建筑測繪等諸多領(lǐng)域，為測量設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展壯大提供技術(shù)參考。

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