基于Python的示波器實時監控實驗設計

胡哲 邱繼云

摘要：基于Python語言，設計了計算機對示波器SDS5054X的實時監控實驗。通過訪問示波器IP地址與端口號，建立TCP連接。計算機向示波器發送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生加深TCP協議相關理論知識的理解，實現遠程訪問和操控示波器。同時可使學生熟悉Python語言的集成開發環境Pycharm，有效提高學生編寫與調試代碼的能力，對提高工程實踐能力具有顯著作用。

關鍵詞：實驗設計；Python；示波器；TCP通信

中圖分類號：G482文獻標識碼：A

ExperimentalDesignofOscilloscopeRealtimeMonitoringBasedonPython

HuZheQiuJiyun

SchoolofElectronicandCommunicationEngineering，SunYatsenUniversityGuangdongShenzhen518107

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

Keywords：experimentaldesign；Python；oscilloscope；TCPcommunication

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

而計算機編程技術飛速發展，Python因其簡單易學、語言資源整合能力和擴展能力強的特點而應用廣泛，成為當下企業最熱門的編程語言之一。

基于新工科對于人才培養提出多學科交叉融合的培養模式要求［2］，本文以鼎陽示波器SDS5054X為核心，應用Python作為編程語言，設計計算機與示波器通信實驗，學生通過實驗能夠由淺入深、更加系統地了解和掌握示波器與通信原理相關的理論，加強Python編程能力的培養。

1實驗內容

本實驗案例內容要求為：基于Python語言，采用TCP通信協議，通過訪問鼎陽示波器SDS5054X的IP地址與相應端口，建立與示波器之間的通信連接，并發送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實驗總體方案設計

首先，為了建立電腦與示波器的TCP通信，調用函數庫中的Socket模塊，創建連接。如果創建失敗，則返回提示相關連接創建錯誤。在連接建立后，利用sendall（）函數發送SCPI查詢指令，recv（）函數接收相關查詢結果。為了檢驗多次查詢是否會出錯且使實驗的效果更明顯，設置了10次循環，循環結束后關閉Socket模塊，結束連接，實驗代碼設計框圖見圖1。

3實驗原理

3.1TCP通信原理

TCP（英文：TransmissionControlPtotocol）是一種面向連接（連接導向）的、可靠的、基于字節流的運輸層通信協議，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，客戶端和服務器要經過三次握手階段，當客戶端向服務端發起連接時，會先發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SYN+ACK包，客戶端收到后，回復ACK包，連接建立。三次握手示意圖如圖2所示。

處于連接狀態的客戶端與服務端，都可以發起關閉連接請求，共需要四次揮手進行連接關閉。假設客戶端主動發起連接關閉請求，需要先向服務端發起一包FIN包，表示要關閉連接，客戶端進入終止等待1狀態，這是第一次揮手。隨后服務端向客戶端發送ACK包，表示進入關閉等待狀態，客戶端進入終止等待2狀態，這是第二次揮手。此時服務端還可以發送未發送的數據，客戶端還可以接收數據。待服務端發送完數據后，服務端發送一包FIN包，進入最后確認狀態，這是第三次揮手?？蛻舳耸盏胶蠡貜虯CK包，進入超時等待狀態，經過超時等待后關閉連接，服務端收到ACK包后立刻關閉連接，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是操作系統提供給開發人員進行網絡開發的API接口，這套接口通?？梢詤档恼{整支持多種協議，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掌靼l送請求，創建Socket進行連接。服務端則隨時監聽客戶端發起的請求，接收并創建Socket。

3.2.2數據傳送

服務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，一個用于向對方發送數據，另一個用于接收對方的數據。

3.2.3終止連接

客戶端訪問服務器結束，斷開連接，關閉Socket和相關資源（輸入輸出流等）。服務端監聽客戶端狀態，同時關閉Socket等連接。

3.3通信功能實現

3.3.1建立連接

Socket模塊是Python中自帶模塊，它可以使開發人員不用去關注內部層與層之間的傳輸，只需在Socket接口發送和接收指令。在調用Socket模塊后，需要選擇AdressFamily和Type兩個參數。本文采用TCP協議連接方式，即參數分別選擇為Socket.AF_INET和Socket.SOCK_STREAM，連接至示波器IP與port。鼎陽科技的研發人員將port5025設置為Socket的端口號，不需安裝NIVISA。考慮到調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發送和接收指令

在Python的Socket編程中，有兩個發送TCP的函數，send（）與sendall（）。本文采用sendall（）函數，可完整發送TCP數據。將string中的數據發送到連接的Socket，但在返回之前會嘗試發送所有數據。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里的數據，數據以字符串形式返回，bufsize指定要接收的最大數據量。flag提供有關消息的其他信息，通?？梢院雎浴１敬螌嶒炘O置最大數據量是4096字節。部分代碼示例見圖6：

3.3.3關閉Socket

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

3.4SCPI通信協議說明

可編程儀器標準命令（英語：StandardCommandsforProgrammableInstruments，縮寫：SCPI）是一套用于控制可編程測試測量儀器的標準語法和命令，實際是通過ASCII字符串形式在命令與儀器進行交互［4］。SCPI協議建立于IEEE488.2基礎上，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鍵字構成，有的還需要包括參數。

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，比如控制示波器的開啟和關閉。查詢指令可以查詢儀器運行狀態，比如查詢電源的輸出電流等，一般以問號結尾。不同品牌的儀器SCPI指令數據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據手冊。同時，IEEE488.2標準定義了一組常用命令，可執行復位、自檢以及狀態操作等功能。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。以向示波器發送查詢指令*IDN*為例，此查詢命令可以識別儀器類型和軟件版本，響應由四個不同的字段組成，實現代碼如圖8：

4實驗示例

在實驗中，常常會受到場地、環境等客觀因素限制，不能實地監測示波器波形變化。利用示波器與電腦遠程通信，建立相應連接，可以遠程實時讀取波形，并以圖片格式保存在電腦里。具體實現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，進行相互通信。

（2）設置緩沖區的大小。指定chunksize為20Mb，將數據分為多次讀取，避免一次性讀取內存不足。

（3）示波器向電腦發送SCPI指令PRINBMP，請求將示波器數據保存為BMP格式圖片。

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

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

（6）關閉文件，寫入結束。

實現代碼如圖9：

結語

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指令實現實時讀取示波器波形數據，并以BMP格式儲存在電腦里。針對該項實驗，學生需要搭建Python語言環境，熟悉基本語法和相關通信模塊，掌握基本的通信原理與數字示波器測量信號知識。在不斷調試整段代碼的過程中，可以培養學生基本編程能力和排錯能力，加深對Socket編程模塊和數據讀寫操作的理解，為日后進一步完成軟硬件結合的工程項目打下初步基礎。

參考文獻：

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基金項目：2021年第二批產學合作協同育人項目（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研究。