基于Android的頻譜處理顯示系統(tǒng)設計

秦少飛，竺小松

(解放軍電子工程學院 電子對抗學院，合肥 230037)

0 引言

第三次技術革命后，互聯(lián)網技術進入了一個飛速發(fā)展的時代，人類的生產生活方式都發(fā)生了質的飛躍。移動互聯(lián)網技術以及智能手機的普及應用，使得人們可以隨時隨地的獲取各類信息，為方便人類日常生活工作，各類電子產品都在不斷向智能化、小型化發(fā)展。谷歌在2007年建立了開放手持設備聯(lián)盟，此后，所有個人和廠商都能在Android 平臺上開發(fā)應用軟件[1-2]。 Android 系統(tǒng)自其推出以來 ，因為開源的系統(tǒng)和豐富的軟件資源，迅速得到了廣大愛好者以及許多廠商的支持[3-4]，成為占有率最高的智能手機操作系統(tǒng)。隨著Android系統(tǒng)的不斷完善，Android系統(tǒng)逐漸拓展到更多的領域：平板電腦，電視，游戲機，數碼相機，機頂盒甚至遙控器。目前Android系統(tǒng)的設備數量已經超過10億臺。

在現代的信號分析的方法中，頻譜分析在各個學科的領域有著廣泛的應用，是從事各種電子產品的研發(fā)、生產、檢驗的重要依據[5]。目前國內外比較常見的頻譜儀系統(tǒng)是基于Xilinx Virtex系列的FPGA的數字信號處理系統(tǒng)[6]，近年來，美國加州大學伯克利分校在研制類似的頻譜儀，其功能包括高速采樣量化信號、頻帶調制、濾波、傅里葉變換和對數字信號的高速傳輸，這一系列頻譜儀的主要特點是具有多個Z-DOK接口,可以接駁多種I/O板(包括雙路1GSa/s的采樣卡或者四路250 MSa/s的模數，數模轉換卡)[7]，德國馬普研究所近來也在研發(fā)一種擴展帶寬快速傅里葉變換頻譜儀系統(tǒng)。但是以上設備體積大，價格昂貴，無法大量部署，不便于攜帶，在很多時候我們需要很方便的對某一塊區(qū)域進行信號檢測，比如在保密的會議現場，某科研工作室一些場所等等。開發(fā)出方便攜帶的頻譜儀，以便在特殊場合使用。如果結合Android手機的強大處理顯示功能，把Android手機作為頻譜儀顯示控制端，頻譜儀就可以減少很大一部分的設備量，而且不同的安卓手機只需要安裝上顯示控制軟件，就可以實現對頻譜儀的控制，這使得頻譜儀的顯示控制部分更易于維護和更換，同時也可降低生產成本。分布式、多節(jié)點、網絡化、常態(tài)化、實時性成為發(fā)展趨勢，這一切都對設備提出了小型化、簡約化的需求。

鑒于這樣的應用背景，設計了一種基于Android手機的頻譜處理顯示系統(tǒng)，利用它在手機上實時的顯示出信號的頻譜圖。本文首先介紹了軟件開發(fā)環(huán)境的構建，搭建了電腦與智能移動終端(手機)交互測試驗證平臺，利用PC或手機作為Service，對Client進行信息傳遞和控制操作，著重研究手機端Android環(huán)境下的信息傳遞與控制操作實現方法。通過對手機屏幕的觸摸式操作，完成頻譜數據的處理顯示，實現測量參數設置，最大值跡線跟蹤，最小值跡線跟蹤，Mark點標記，多Mark點標記，閾值基線，窗口閾值等功能。

1 軟件開發(fā)平臺的環(huán)境構建

1.1 無線網絡組建

本次設計采用固定的主控機作為Service，其他WiFi模塊和手機作為Client，進行組網，手機端或其他Client通過PC進行信息傳遞和控制操作。如圖1所示。

圖1 簡單組網示意圖

設計的所涉無線網絡節(jié)點采用海凌科電子出品的WiFi模塊HLK-RM04，其屬于基于通用串行接口嵌入式UART-WIFI(串口-無線網)模塊，成本低廉性能高，并且HLK-RM04增加了對以太網的支持。

HLK-RM04/RM30/35系列模塊是為串行接口的設備提供互聯(lián)網接入，實現串行數據在Internet網絡上的延伸傳輸，可進一步拓展串行接口設備的使用范圍，增強其在不同場合的適用性，擴大其數據傳輸距離。

模塊默認配置為工作在AP模式下，該模式下，WIFI 使能，工作在AP 模式下，HLK-RM04的ETH1、ETH2 功能使能,ETH1 作為WAN,ETH2作為LAN。通過適當的設置，COM1 的數據與網路數據相互轉換。如圖2所示。

圖2 模塊默認工作模式

1.2 軟件開發(fā)環(huán)境構建

設計PC端的程序開發(fā)是基于Visual Studio環(huán)境進行， Visual Studio擁有一套完善的開發(fā)系統(tǒng)，包括編程開發(fā)，調試測評，性能評估等工具，編寫的代碼可用于Microsoft所支持的所有平臺，支持Visual C++、Visual Basic，Visual C#，Visual F# 等眾多語言開發(fā)。在本系統(tǒng)中主要使用C#語言在Visual Studio中開發(fā)TCP服務器端程序。程序設計分成3個模塊：搭建服務模塊、接收顯示模塊和發(fā)送模塊。

測試使用TCP&UDP測試工具，對于TCP_Service的測試，測試工具作為客戶端連入TCP_Service，為了模擬PC端的多點轉發(fā)控制，測試中測試工具模擬接入兩個測試客戶端。當連接成功時客戶端會首先發(fā)送一段可收到服務器發(fā)送的連接成功提示信息“ ok!Client connect successful!” 在客戶端1和客戶端2的發(fā)送框分別輸入“Test information from Client 1”和“Test information from Client 2”，點擊發(fā)送，便可在服務器端接收到來自兩個客戶端的測試信息。

1.3 Android開發(fā)環(huán)境的搭建

Android系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境搭建步驟如下：

1)安裝java SE Development(JDK) ;

2)配置環(huán)境變量;

3)安裝Eclipse ;

4)安裝Eclipse插件(ADT)與Android-SDK。

平臺環(huán)境架構如圖3所示。

圖3 開發(fā)環(huán)境關系圖及模擬器界面

2 手機端頻譜處理顯示app設計與功能實現

2.1 軟件設計

頻譜儀設計基于頻譜測量硬件模塊，本文設計編寫的手機客戶端APP，通過向模塊發(fā)送控制指令，控制模塊對頻譜信號的測量，收到測量數據后，手機屏幕觸摸操作可以對頻譜數據進行處理顯示，實現測量參數設置，最大值跡線跟蹤，最小值跡線跟蹤，Mark點標記，多Mark點標記，閾值基線，窗口閾值等功能。

本文編寫了頻譜分析處理數據的顯示和控制APP。設計編寫的Android客戶端采用了XML語言和Java語言。在Eclipse環(huán)境下，利用XML語言作為軟件界面布局設計和屬性定義的工具，并采用“id”的方式建立操作句柄。利用Java語言編寫底層操作的驅動程序。兩者通過“id”傳遞消息。該APP基于WIFI互聯(lián)的模式，使用WIFI傳遞SCPI協(xié)議，向頻譜模塊發(fā)送控制指令，控制調整頻譜儀參數，同時接收頻譜儀返回的頻譜數據，在后臺處理，并送至手機屏幕實時顯示刷新。

除具有常規(guī)頻譜儀的基本功能外，還結合安卓系統(tǒng)特點，融入了觸屏的操作方式。例如可以加入兩點滑動的方式來控制頻譜視圖的大小和位置，捕捉兩點坐標，算出坐標的差值，根據差值變化趨勢調整頻譜；可以單點觸摸，根據捕捉單點坐標變化來調整頻譜位置，實現放大后的頻譜的拖動；還可以通過雙擊來使視圖恢復默認大小，雙擊動作的判斷由兩次點擊時間差實現。根據不同設計需求，均可結合安卓系統(tǒng)各類控制來實現。

2.2 APP功能實現

2.2.1 頻率全景顯示

全景顯示如圖4所示。手機端APP向MSA830發(fā)送SCPI指令，MSA830返回由五百個幅度數據組成的頻譜數據組，APP通過一個定時器，定時向頻譜儀模塊發(fā)送SCPI,然后異步線程接收頻譜數據指令。

圖4 頻率全景顯示

在接收到數據以后，首先對數據進行拆分，把幅度數據組成的字符變量拆分為500個double型變量，為了方便存儲，把500個double型變量賦值給一個double型數組。在顯示時使用了GitHub上的開源庫AChartEngine，動態(tài)顯示頻譜曲線。曲線橫軸為序列1～500，縱軸為頻譜頻率點的幅度值。顯示過程中使用For循環(huán)把500個幅度加入到曲線的數據表中，然后在同時刷新屏幕，更新視圖上的顯示曲線。每秒接收一組數據，刷新一次曲線。APP中頻譜刷新涉及的部分例程包括：定時器流程、異步接收數據線程代碼和數據刷新。頻譜刷新程序流程圖如圖5所示。

圖5 APP頻譜刷新部分流程圖

2.2.2 分頻段顯示(1～100 MHz)

分頻段顯示如圖6所示。參數的SCPI指令如下：

:FREQ:STAR 1 MHz；

:FREQ:STOP 50 MHz；

:FREQ:CENT 100 MHz。

圖6 分頻段顯示(1～100 MHz)

分別設置起始頻率，終止頻率，中心頻率各為1 MHz,100 MHz,50 MHz。為了控制線程的數量，設置頻率的指令放和刷新頻譜數據的指令放到同一線程發(fā)送。程序中通過一個文本框EditText輸入參數，然后加入控制指令的格式字符，組成SCPI控制指令，而后通過Socket發(fā)送給頻譜模塊，實現控制。

2.2.3 頻譜的放大及縮小

通過兩點的滑動控制頻譜圖的放大和縮小，便于觀察波形等場合。放大縮小通過觸摸監(jiān)聽OnTouchListener來控制，其包含手指接觸屏幕、在屏幕上滑動、離開屏幕3個動作，每次動作觸發(fā)中斷，讀取接觸點坐標的X和Y值，便可實現對屏幕的動作響應。如圖7所示。

圖7 頻譜的放大極其縮小

2.2.4 多Mark點同時標記

Mark點是頻譜參數測量的基礎，頻譜儀從本質上講就是對Mark點的操作，雙Mark點的X軸差值，Y軸差值，最大值跡線，最小值跡線等，都必須基于Mark點實現。如圖8所示。Mark點用菱形標注，加上不同的顏色表示不同的Mark，Mark點的含義是記錄標記點的幅度和頻率，一般會標記最大值，但是隨著數據的刷新，最大值點不是每次都是最大值，頻譜儀中對最大值得追蹤采用PeakSearch來實現，Peak可以是最大值最小值左峰值右峰值。

圖8 多Mark點標記

首先是Mark和Peak最大值的實現，在接收數據拆分完成后，把值傳遞給頻譜線的表的時候，首先給出一個比所有幅度值小的值max，然后把max逐一同500個幅度值進行比較，當幅度值比max大時把幅度值傳遞給max，同時記錄下該幅度值在500個數據中的序列位置index，當500個都比較完后，遍找出了一組數據中的最大值和所在位置，完成一次Paek最大值操作。然后把Mark點值加入Mark曲線，Max為Mark點的Y值，index為Mark點X值。Mark曲線與頻譜曲線為兩條不同的曲線，一般情況下Mark曲線只有一個標記點。第一次peak操作完成后得到的序列位置index直到下一次Peak之前都保持不變，在每一幀數據刷新時，在頻譜曲線加入全部五百個數據，在Mark曲線只加入序列位置為index的點的幅度值，實現對頻率點的標記。

在實際頻譜儀中，需要對Mark點具有顯示和不顯示兩種模式狀態(tài)，在程序中使用布爾型變量對Mark點是否顯示來控制，用按鍵控件作為控制接口，當按鍵第一次被點擊時，設置控制變量為True，再次點擊時設置控制變量的值為false,在刷新對時控制變量進行判斷，值為true則刷新Mark曲線的數據，值為false則不更新。另外還有Peak最小值，與Peak最大值類似，Peak時比較，將一個比所有幅度值大的值min跟幅度值比較，幅度值比min值小時，把幅度值賦值給min,得到序列位置index,刷新時加入index位置處的幅度值，實現標記。

2.2.5 側邊欄SlideMenu

為了使用更多的屏幕來顯示頻譜圖形，APP采用3種方式來隱藏暫時不用的控件，第一種是上拉或下拉控件欄。把控件群放在一個SCROllVIEW之中，使用時向上或者向下拉動；如圖9所示。

圖9 scrollview

第二種是通過控件點擊，交替顯示或隱藏下一級控件欄。在使用時將控件的Visibility 屬性設置為GONE，在使用之前設置將控件的Visibility 屬性為VISIBLE；使用效果如圖10所示。

圖10 交替顯示或隱藏控件欄視圖

第三種是使用側邊欄的方式，把控制接口放在左邊的側邊欄，需要使用時在屏幕左邊緣向右滑動，便可拉出側邊欄。如圖11所示。側邊欄的添加相對比較復雜，需要使用SlideMenu開源庫。

圖11 側邊欄視圖

側邊欄控制拉出的控制接口是觸摸點的位置，當觸摸點在左邊設定的較小區(qū)域內時，控制側邊欄向右滑出，就能實現對向右滑動動作的判斷。

2.2.6 可實時拖動的閾值窗口線

可拖動的閾值線窗口是常規(guī)頻譜儀不具有的功能，這是頻譜儀跟安卓系統(tǒng)結合的一次嘗試，靈感來源于Mark和閾值線，閾值線具有一定的帶寬，可以通過拖動來測量峰值的幅度值?？赏蟿娱撝稻€以觸摸屏作為控制接口，通過捕獲劃動動作時觸摸點的坐標，然后將坐標轉換為頻譜圖形顯示模塊的坐標，再將轉換后的坐標同幅度值比較，從而算出觸摸點所對應的的幅度值，并將觸摸點對應的幅度值轉換成字符串，在屏幕上利用TextView顯示出來，向使用者反饋控制信息，實現人機交互閾值線的拖動的觸發(fā)與頻譜視圖的拖動觸發(fā)相同，二者在控制接口上相沖突，為了區(qū)分二者，分開控制，程序中采用長按來判斷拖動對象。長按的實現是在觸摸屏幕時觸發(fā)計時器，如果觸摸點離開屏幕則清除計時器事件,如果觸摸點在屏幕上觸摸的持續(xù)時間較長，使得計時器的值大于設定時間時，計時器綁定的事件被觸發(fā)，使得拖動對象轉換為閾值線。

3 系統(tǒng)聯(lián)調

3.1 聯(lián)合調試方法

聯(lián)合調試中使用APP測量70～100 MHz的環(huán)境中的短波收音機信號，信號輸入使用87 MHz 50歐姆天線。同時利用還可以測量到部分2 G,3 G,4 G和Wifi信號。

1)啟動TP-link路由器，搭建WiFi環(huán)境；

2)設置手機WiFi網關，ip,port等參數；

3)啟動MSA830 頻譜模塊，并用網線連接至路由器；

4)啟動APP；

5) APP連接到頻譜模塊；

6)測量信號,開啟最大值跡線跟蹤功能，記錄信號脈沖。

3.2 聯(lián)合調試結果

聯(lián)合調試中，通過手機端APP處理的數據和頻譜模塊MSA830 電腦端原廠程序測得的數據進行對比，另外再跟HP公司的E4405B頻譜儀測量結果對比，對比情況圖12和圖13所示。

圖12 全景對比測試顯示結果

圖13 50～150 MHz對比測試顯示結果

通過對比可知，手機端APP和儀器及電腦端的顯示基本是一致的，說明移動終端完全能夠實現頻譜數據處理，并準確地顯示出信號頻譜。

4 結束語

本文基于Android系統(tǒng)和智能移動終端的應用設備控制和聯(lián)網的APP技術，設計出一款可以實現頻譜儀手機客戶端顯控操作的app。在Eclipse環(huán)境下，利用XML語言作為軟件界面布局設計和屬性定義的工具，并采用“id”的方式建立操作句柄，利用java語言編寫底層操作的驅動程序。該軟件具有良

好的人機操作界面，與傳統(tǒng)頻譜儀相比，其使用更加方便，操作簡單。利用它工程技術人員可以輕松地完成對信號的采集、處理及頻譜分析。

在后續(xù)工作中，將嘗試利用UDP打洞，或WiFi路由器，實現遠端信息傳遞或顯示測控，對其功能進一步完善。通過在PC端增加SQL數據庫模塊，對接收數據進行存儲。增加WIFI模塊端的傳感器的種類與數量與位置分布，組網擴展聯(lián)接成巨大的信息網絡，使APP的功能性更加強大。

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