基于IAP15W和CH9343的手機虛擬示波器設計

西京學院控制工程學院 蘇加斌 李紅波 許 鵬 楊稀智 李 杰 李春江

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基于IAP15W和CH9343的手機虛擬示波器設計

西京學院控制工程學院 蘇加斌 李紅波 許 鵬 楊稀智 李 杰 李春江

【摘要】設計了一種以IAP15W單片機和CH9343芯片為核心的Android手機虛擬示波器，具體給出了信號調理電路、單片機數據采集電路和CH9343主機接口電路，并開發了單片機程序和手機程序，實現了兩通道信號的實時波形顯示功能。實驗證明：該示波器實用新穎，使用方便。

【關鍵詞】CH9343；IAP15W；虛擬示波器；智能手機

0 引言

智能手機作為一種便攜式移動平臺，界面友好，性能優異，有非常廣闊的應用空間。通過接入應用配件和安裝示波器APP應用軟件使手機成為一種便攜式示波器，該示波器將極大地滿足便攜式測量的需要。近年來，國內以Android智能手機為平臺的虛擬示波器設計資料和文獻并不多，只有少數碩士論文中涉及相關應用［1］［2］［3］［4］［5］。本文提出并設計了一種基于IAP15W和CH9343的手機虛擬示波器，該示波器具有智能小巧、攜帶方便、即測即用等特點，能較好地解決快速便捷測量的需要。

1 IAP15W單片機

本設計采用STC（宏晶）公司的IAP15W4K58S4單片機，寬電壓供電（2.5V～5.5V），高性能、低功耗，單機器周期，具有硬件乘法/除法器，性能超過16MIPS；58KB 片上FLASH ROM，4KB SRAM；4個超高速USART；8通道10位 ADC轉換器，采樣率可達300kHz；1個可倍速的SPI接口；5個定時器；支持6路15位PWM帶死區控制的通道等，其資源豐富，性價比高，可以滿足快速地數據采集和復雜地數據運算。

2 CH9343接口芯片

CH9343接口芯片是WCH（沁恒）公司的一個高度集成、單芯片全速USB 安卓主機接口控制芯片，兼容USB2.0，內置USB協議解析器，符合Android AOA規范，無需外部編程，并為Android手機或平板提供USB轉GPIO、UART、PWM、主SPI、從SPI和I2C等6種可配置硬件接口，用于內置USB設備接口的安卓設備訪問外部組件，不受Android系統升級的影響，為用戶提供簡單易行的Android設備接口擴展方案，廣泛用于車載系統、POS機、智能家居等行業。

圖1 CH9343內部結構圖

3 系統硬件設計

系統硬件主要包括信號調理電路、IAP15W單片機數據采集電路和CH9343主機接口電路，其共同組成示波器配件。系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

3.1 信號調理電路

信號調理電路主要完成信號的阻抗匹配、衰減和單雙極性變換的功能，信號調理電路如圖3所示，圖中給出了其中1路。輸入信號范圍為-5V～+5V，由前級運放進行信號阻抗匹配，中間級進行了2倍衰減和后級信號抬升平移，完成雙極性信號到單極性信號的變換功能，滿足了單片機輸入信號0～5V的要求。

圖3 信號調理電路圖

3.2 單片機數據采集電路

該電路把調理后的信號進行高速模數轉換，完成數據采集工作。數據采集電路如圖4所示。圖中In0和In1是兩通道經調理后的信號，它們分別連接至單片機的ADC0和ADC1的模擬輸入引腳上。單片機的串口（TXD和RXD）與CH9343主機接口電路的串口（RXD和TXD）相連。

圖4 數據采集電路圖

3.3 CH9343主機接口電路

IAP15W單片機串口連接至CH9343的串口上，串口采用交叉連接。CH9343芯片的USB端口信號連接至安卓手機的USB接口上。當數據采集完成后，數據從高速串口發往CH9343主機接口電路，后由CH9343的USB接口上傳至手機示波器軟件中。CH9343主機接口電路如圖5所示。

圖5 CH9343主機接口電路圖

4 固件程序設計

固件程序設計主要包括主程序和ADC采集程序兩部分，其中主程序用于完成單片機初始化設置和采集數據上傳功能，ADC采集程序主要完成定時數據獲取、轉換和分析等功能。

4.1 主程序設計

主程序主要包括初始化數據緩沖區、I/O口、定時器T0、串口1 和ADC及上傳采集數據等。當采集完成后，上傳程序按照定義好的幀格式完成實時數據上傳。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

主程序主要代碼如下：

4.2 ADC采集程序設計

在該程序中，定時器T0設置為自動重裝方式，當定時時間到時，進入T0中斷服務程序，完成一次數據采集工作。定時周期與ADC采樣率有關，由上位機軟件設置。

定時器中斷服務程序主要代碼如下：

5 示波器應用軟件設計

示波器應用軟件采用Android Studio開發環境編寫。Android 與CH9343的USB通訊遵循Google Android的AOA協議規范，通過CH9343主機接口芯片提供的高速串口與單片機數據采集電路連接，Android手機無需安裝USB驅動，即插即用，與外設方便地進行即時數據通訊。通訊的建立往往需要經過四個交互過程：（1）檢測安卓設備是否連接；（2）判斷安卓設備是否支持Accessory模式；（3）試圖在Accessory模式下啟動設備；（4）支持AOA協議的情況下，建立通訊連接。圖7是運行在HTC安卓智能手機上的虛擬示波器軟件界面，圖中所示的兩通道波形是ADC的采樣率為62.5kHz時分別對標準3V 1kHz方波和1V 5kHz正弦波信號的測量效果。

圖7 軟件界面

6 總結

本文利用高性能控制器和安卓主機接口芯片，設計了一款手機虛擬示波器。該示波器融合了數字測量和便攜式應用的優點，擴展了數字測量的應用空間，是傳統數字示波器的有利補充。實驗證明，該示波器能較好的滿足中低頻信號的測量需要，使智能手機成為一種即測即用的便攜式數字示波器，可以較好的滿足快速便捷測量需求。

參考文獻

［1］王升.基于Android平臺的虛擬示波器開發［D］.哈爾濱﹕哈爾濱理工大學，2014﹕1-40.

［2］郝苒安.基于移動平臺的虛擬示波器系統設計［D］.西安﹕電子科技大學，2013﹕1-60.

［3］張群群.基于Android的數字示波器操作界面及手勢設計［D］.哈爾濱﹕哈爾濱工業大學，2013﹕1-60.

［4］宋菲菲.基于Android系統的示波器應用程序開發［D］.哈爾濱﹕哈爾濱工業大學，2012﹕1-50.

［5］王永勝.USB+OTG在手持數字存儲示波表中的應用研究［D］.西安﹕電子科技大學，2009﹕1-60.

基金項目：2015年高校國家級大學生創新創業項目（編號：201512715798）。

作者簡介：

蘇加斌（1994—），陜西西安人，大學本科，現就讀于西安西京學院。

李紅波（1982—），陜西西安人，講師，主要研究方向為數據采集與控制。