基于Python的示波器實時監(jiān)控實驗設(shè)計

胡哲 邱繼云

摘要：基于Python語言，設(shè)計了計算機(jī)對示波器SDS5054X的實時監(jiān)控實驗。通過訪問示波器IP地址與端口號，建立TCP連接。計算機(jī)向示波器發(fā)送SCPI指令，讀取示波器實時波形并以BMP圖片格式保存在電腦里。該實驗過程有助于學(xué)生加深TCP協(xié)議相關(guān)理論知識的理解，實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和操控示波器。同時可使學(xué)生熟悉Python語言的集成開發(fā)環(huán)境Pycharm，有效提高學(xué)生編寫與調(diào)試代碼的能力，對提高工程實踐能力具有顯著作用。

關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計；Python；示波器；TCP通信

中圖分類號：G482文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

ExperimentalDesignofOscilloscopeRealtimeMonitoringBasedonPython

HuZheQiuJiyun

SchoolofElectronicandCommunicationEngineering，SunYatsenUniversityGuangdongShenzhen518107

Abstract：BasedonPythonlanguage，therealtimemonitoringexperimentofoscilloscopeSDS5054Xwasdesigned.ThroughaccessingoscilloscopeIPaddressandportnumber，TCPconnectionisestablished.ThecomputersendsSCPIqueryinstructionstotheoscilloscopeandreadoscilloscoperealtimewaveformandsaveitinBMPpictureformatinthecomputer.TheexperimentalprocesscanhelpstudentsdeepentheunderstandingofTCPprotocoltheoryandaccessoscilloscoperemotely.Atthesametime，studentscanbefamiliarwithPycharm，thePythonintegrateddevelopmentenvironmentandimprovestudents'abilitytowriteanddebugcodeeffectively，whichplaysasignificantroleinimprovingengineeringpracticeability.

Keywords：experimentaldesign；Python；oscilloscope；TCPcommunication

示波器廣泛應(yīng)用于電子測量行業(yè)，它能把人眼看不見的電信號轉(zhuǎn)化為屏幕上的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程［1］。而目前高校開設(shè)的電學(xué)實驗中通常是手動操作示波器進(jìn)行信號測量，未能充分拓展示波器功能。

而計算機(jī)編程技術(shù)飛速發(fā)展，Python因其簡單易學(xué)、語言資源整合能力和擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點而應(yīng)用廣泛，成為當(dāng)下企業(yè)最熱門的編程語言之一。

基于新工科對于人才培養(yǎng)提出多學(xué)科交叉融合的培養(yǎng)模式要求［2］，本文以鼎陽示波器SDS5054X為核心，應(yīng)用Python作為編程語言，設(shè)計計算機(jī)與示波器通信實驗，學(xué)生通過實驗?zāi)軌蛴蓽\入深、更加系統(tǒng)地了解和掌握示波器與通信原理相關(guān)的理論，加強(qiáng)Python編程能力的培養(yǎng)。

1實驗內(nèi)容

本實驗案例內(nèi)容要求為：基于Python語言，采用TCP通信協(xié)議，通過訪問鼎陽示波器SDS5054X的IP地址與相應(yīng)端口，建立與示波器之間的通信連接，并發(fā)送SCPI指令，查看示波器的實時波形并以圖像形式保存至電腦里。

2實驗總體方案設(shè)計

首先，為了建立電腦與示波器的TCP通信，調(diào)用函數(shù)庫中的Socket模塊，創(chuàng)建連接。如果創(chuàng)建失敗，則返回提示相關(guān)連接創(chuàng)建錯誤。在連接建立后，利用sendall（）函數(shù)發(fā)送SCPI查詢指令，recv（）函數(shù)接收相關(guān)查詢結(jié)果。為了檢驗多次查詢是否會出錯且使實驗的效果更明顯，設(shè)置了10次循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后關(guān)閉Socket模塊，結(jié)束連接，實驗代碼設(shè)計框圖見圖1。

3實驗原理

3.1TCP通信原理

TCP（英文：TransmissionControlPtotocol）是一種面向連接（連接導(dǎo)向）的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層通信協(xié)議，具有全雙工操作、有效流控、傳輸可靠等特點［3］。TCP建立連接時，客戶端和服務(wù)器要經(jīng)過三次握手階段，當(dāng)客戶端向服務(wù)端發(fā)起連接時，會先發(fā)一包用于詢問能否建立連接的SYN包，如果對方同意連接，則會回復(fù)SYN+ACK包，客戶端收到后，回復(fù)ACK包，連接建立。三次握手示意圖如圖2所示。

處于連接狀態(tài)的客戶端與服務(wù)端，都可以發(fā)起關(guān)閉連接請求，共需要四次揮手進(jìn)行連接關(guān)閉。假設(shè)客戶端主動發(fā)起連接關(guān)閉請求，需要先向服務(wù)端發(fā)起一包FIN包，表示要關(guān)閉連接，客戶端進(jìn)入終止等待1狀態(tài)，這是第一次揮手。隨后服務(wù)端向客戶端發(fā)送ACK包，表示進(jìn)入關(guān)閉等待狀態(tài)，客戶端進(jìn)入終止等待2狀態(tài)，這是第二次揮手。此時服務(wù)端還可以發(fā)送未發(fā)送的數(shù)據(jù)，客戶端還可以接收數(shù)據(jù)。待服務(wù)端發(fā)送完數(shù)據(jù)后，服務(wù)端發(fā)送一包FIN包，進(jìn)入最后確認(rèn)狀態(tài)，這是第三次揮手?？蛻舳耸盏胶蠡貜?fù)ACK包，進(jìn)入超時等待狀態(tài)，經(jīng)過超時等待后關(guān)閉連接，服務(wù)端收到ACK包后立刻關(guān)閉連接，這是第四次揮手。四次揮手示意圖如圖3所示。

3.2Socket編程通信

Socket是操作系統(tǒng)提供給開發(fā)人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的API接口，這套接口通常可以參數(shù)的調(diào)整支持多種協(xié)議，包括TCP、UDP和IP等。Socket編程通信示意圖見圖4，主要包含以下三個步驟。

3.2.1建立連接

兩端分別有一個Socket，用于兩者之間的通信?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送請求，創(chuàng)建Socket進(jìn)行連接。服務(wù)端則隨時監(jiān)聽客戶端發(fā)起的請求，接收并創(chuàng)建Socket。

3.2.2數(shù)據(jù)傳送

服務(wù)端和客戶端的輸入輸出流互相通信。邏輯上可理解為通信進(jìn)程的雙方具有兩個流（輸出流和輸入流）。邏輯上可將兩個流理解為兩個通信管道的全雙工通信模式，一個用于向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，另一個用于接收對方的數(shù)據(jù)。

3.2.3終止連接

客戶端訪問服務(wù)器結(jié)束，斷開連接，關(guān)閉Socket和相關(guān)資源（輸入輸出流等）。服務(wù)端監(jiān)聽客戶端狀態(tài)，同時關(guān)閉Socket等連接。

3.3通信功能實現(xiàn)

3.3.1建立連接

Socket模塊是Python中自帶模塊，它可以使開發(fā)人員不用去關(guān)注內(nèi)部層與層之間的傳輸，只需在Socket接口發(fā)送和接收指令。在調(diào)用Socket模塊后，需要選擇AdressFamily和Type兩個參數(shù)。本文采用TCP協(xié)議連接方式，即參數(shù)分別選擇為Socket.AF_INET和Socket.SOCK_STREAM，連接至示波器IP與port。鼎陽科技的研發(fā)人員將port5025設(shè)置為Socket的端口號，不需安裝NIVISA?？紤]到調(diào)用失敗或者連接失敗的情況，需提示用戶連接失敗并及時退出，故引入sys模塊。代碼示例如圖5。

3.3.2發(fā)送和接收指令

在Python的Socket編程中，有兩個發(fā)送TCP的函數(shù)，send（）與sendall（）。本文采用sendall（）函數(shù)，可完整發(fā)送TCP數(shù)據(jù)。將string中的數(shù)據(jù)發(fā)送到連接的Socket，但在返回之前會嘗試發(fā)送所有數(shù)據(jù)。成功返回None，失敗則拋出異常。

Socket.recv（bufsize［，flag］）用于接收TCP連接的Socket里的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以字符串形式返回，bufsize指定要接收的最大數(shù)據(jù)量。flag提供有關(guān)消息的其他信息，通常可以忽略。本次實驗設(shè)置最大數(shù)據(jù)量是4096字節(jié)。部分代碼示例見圖6：

3.3.3關(guān)閉Socket

發(fā)送和接收數(shù)據(jù)完成后，需將Socket及時關(guān)閉完全釋放資源。close函數(shù)可以用于關(guān)閉Socket，并且只能TCP連接。關(guān)閉后需要延時一段時間，可以調(diào)用time模塊可以讓程序休眠，具體方法是time.sleep（秒數(shù)），其中“秒數(shù)”以秒為單位，可以是小數(shù)。代碼示例見圖7：

3.4SCPI通信協(xié)議說明

可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（英語：StandardCommandsforProgrammableInstruments，縮寫：SCPI）是一套用于控制可編程測試測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)語法和命令，實際是通過ASCII字符串形式在命令與儀器進(jìn)行交互［4］。SCPI協(xié)議建立于IEEE488.2基礎(chǔ)上，可用于GPIB、RS232、VXIb總線，通過相同命令來控制不同儀器的相同功能。命令一般由一系列的關(guān)鍵字構(gòu)成，有的還需要包括參數(shù)。

一般的儀器指令大致可以分為控制指令和查詢指令，控制指令可以改變儀器運行狀態(tài)，比如控制示波器的開啟和關(guān)閉。查詢指令可以查詢儀器運行狀態(tài)，比如查詢電源的輸出電流等，一般以問號結(jié)尾。不同品牌的儀器SCPI指令數(shù)據(jù)格式由儀器廠家定義，通常會有稍許不同，具體的指令需查詢儀器廠家提供的數(shù)據(jù)手冊。同時，IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)定義了一組常用命令，可執(zhí)行復(fù)位、自檢以及狀態(tài)操作等功能。常用命令總是以星號（*）開始，長度為3個字符，并可以包括一個或多個參數(shù)。以向示波器發(fā)送查詢指令*IDN*為例，此查詢命令可以識別儀器類型和軟件版本，響應(yīng)由四個不同的字段組成，實現(xiàn)代碼如圖8：

4實驗示例

在實驗中，常常會受到場地、環(huán)境等客觀因素限制，不能實地監(jiān)測示波器波形變化。利用示波器與電腦遠(yuǎn)程通信，建立相應(yīng)連接，可以遠(yuǎn)程實時讀取波形，并以圖片格式保存在電腦里。具體實現(xiàn)可分為以下幾個步驟：

（1）利用socket模塊，建立電腦與示波器的連接，進(jìn)行相互通信。

（2）設(shè)置緩沖區(qū)的大小。指定chunksize為20Mb，將數(shù)據(jù)分為多次讀取，避免一次性讀取內(nèi)存不足。

（3）示波器向電腦發(fā)送SCPI指令PRINBMP，請求將示波器數(shù)據(jù)保存為BMP格式圖片。

（4）讀取示波器圖片數(shù)據(jù)，使用open（）函數(shù)，以二進(jìn)制格式、只寫模式打開文件，將圖片數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫入至本地文件中。

（5）使用flush（）方法刷新緩沖區(qū)，即將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)立刻寫入文件，同時清空緩沖區(qū)，不需要被動地等待輸出緩沖區(qū)寫入。

（6）關(guān)閉文件，寫入結(jié)束。

實現(xiàn)代碼如圖9：

結(jié)語

本文提出基于Python語言，建立與鼎陽示波器SDS5054X之間的TCP連接，通過SCPI指令實現(xiàn)實時讀取示波器波形數(shù)據(jù)，并以BMP格式儲存在電腦里。針對該項實驗，學(xué)生需要搭建Python語言環(huán)境，熟悉基本語法和相關(guān)通信模塊，掌握基本的通信原理與數(shù)字示波器測量信號知識。在不斷調(diào)試整段代碼的過程中，可以培養(yǎng)學(xué)生基本編程能力和排錯能力，加深對Socket編程模塊和數(shù)據(jù)讀寫操作的理解，為日后進(jìn)一步完成軟硬件結(jié)合的工程項目打下初步基礎(chǔ)。

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基金項目：2021年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（項目編號：202102504019）

作者簡介：胡哲（1996—），女，漢族，山西大同人，碩士，助理實驗師，研究方向為實驗教學(xué)研究。