基于IAP15W和CH9343的手机虚拟示波器设计

西京学院控制工程学院 苏加斌 李红波 许 鹏 杨稀智 李 杰 李春江



基于IAP15W和CH9343的手机虚拟示波器设计

西京学院控制工程学院 苏加斌 李红波 许 鹏 杨稀智 李 杰 李春江

【摘要】设计了一种以IAP15W单片机和CH9343芯片为核心的Android手机虚拟示波器，具体给出了信号调理电路、单片机数据采集电路和CH9343主机接口电路，并开发了单片机程序和手机程序，实现了两通道信号的实时波形显示功能。实验证明：该示波器实用新颖，使用方便。

【关键词】CH9343；IAP15W；虚拟示波器；智能手机

0 引言

智能手机作为一种便携式移动平台，界面友好，性能优异，有非常广阔的应用空间。通过接入应用配件和安装示波器APP应用软件使手机成为一种便携式示波器，该示波器将极大地满足便携式测量的需要。近年来，国内以Android智能手机为平台的虚拟示波器设计资料和文献并不多，只有少数硕士论文中涉及相关应用［1］［2］［3］［4］［5］。本文提出并设计了一种基于IAP15W和CH9343的手机虚拟示波器，该示波器具有智能小巧、携带方便、即测即用等特点，能较好地解决快速便捷测量的需要。

1 IAP15W单片机

本设计采用STC（宏晶）公司的IAP15W4K58S4单片机，宽电压供电（2.5V～5.5V），高性能、低功耗，单机器周期，具有硬件乘法/除法器，性能超过16MIPS；58KB 片上FLASH ROM，4KB SRAM；4个超高速USART；8通道10位 ADC转换器，采样率可达300kHz；1个可倍速的SPI接口；5个定时器；支持6路15位PWM带死区控制的通道等，其资源丰富，性价比高，可以满足快速地数据采集和复杂地数据运算。

2 CH9343接口芯片

CH9343接口芯片是WCH（沁恒）公司的一个高度集成、单芯片全速USB 安卓主机接口控制芯片，兼容USB2.0，内置USB协议解析器，符合Android AOA规范，无需外部编程，并为Android手机或平板提供USB转GPIO、UART、PWM、主SPI、从SPI和I2C等6种可配置硬件接口，用于内置USB设备接口的安卓设备访问外部组件，不受Android系统升级的影响，为用户提供简单易行的Android设备接口扩展方案，广泛用于车载系统、POS机、智能家居等行业。

图1 CH9343内部结构图

3 系统硬件设计

系统硬件主要包括信号调理电路、IAP15W单片机数据采集电路和CH9343主机接口电路，其共同组成示波器配件。系统框图如图2所示。

图2 系统框图

3.1 信号调理电路

信号调理电路主要完成信号的阻抗匹配、衰减和单双极性变换的功能，信号调理电路如图3所示，图中给出了其中1路。输入信号范围为-5V～+5V，由前级运放进行信号阻抗匹配，中间级进行了2倍衰减和后级信号抬升平移，完成双极性信号到单极性信号的变换功能，满足了单片机输入信号0～5V的要求。

图3 信号调理电路图

3.2 单片机数据采集电路

该电路把调理后的信号进行高速模数转换，完成数据采集工作。数据采集电路如图4所示。图中In0和In1是两通道经调理后的信号，它们分别连接至单片机的ADC0和ADC1的模拟输入引脚上。单片机的串口（TXD和RXD）与CH9343主机接口电路的串口（RXD和TXD）相连。

图4 数据采集电路图

3.3 CH9343主机接口电路

IAP15W单片机串口连接至CH9343的串口上，串口采用交叉连接。CH9343芯片的USB端口信号连接至安卓手机的USB接口上。当数据采集完成后，数据从高速串口发往CH9343主机接口电路，后由CH9343的USB接口上传至手机示波器软件中。CH9343主机接口电路如图5所示。

图5 CH9343主机接口电路图

4 固件程序设计

固件程序设计主要包括主程序和ADC采集程序两部分，其中主程序用于完成单片机初始化设置和采集数据上传功能，ADC采集程序主要完成定时数据获取、转换和分析等功能。

4.1 主程序设计

主程序主要包括初始化数据缓冲区、I/O口、定时器T0、串口1 和ADC及上传采集数据等。当采集完成后，上传程序按照定义好的帧格式完成实时数据上传。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

主程序主要代码如下：

4.2 ADC采集程序设计

在该程序中，定时器T0设置为自动重装方式，当定时时间到时，进入T0中断服务程序，完成一次数据采集工作。定时周期与ADC采样率有关，由上位机软件设置。

定时器中断服务程序主要代码如下：

5 示波器应用软件设计

示波器应用软件采用Android Studio开发环境编写。Android 与CH9343的USB通讯遵循Google Android的AOA协议规范，通过CH9343主机接口芯片提供的高速串口与单片机数据采集电路连接，Android手机无需安装USB驱动，即插即用，与外设方便地进行即时数据通讯。通讯的建立往往需要经过四个交互过程：（1）检测安卓设备是否连接；（2）判断安卓设备是否支持Accessory模式；（3）试图在Accessory模式下启动设备；（4）支持AOA协议的情况下，建立通讯连接。图7是运行在HTC安卓智能手机上的虚拟示波器软件界面，图中所示的两通道波形是ADC的采样率为62.5kHz时分别对标准3V 1kHz方波和1V 5kHz正弦波信号的测量效果。

图7 软件界面

6 总结

本文利用高性能控制器和安卓主机接口芯片，设计了一款手机虚拟示波器。该示波器融合了数字测量和便携式应用的优点，扩展了数字测量的应用空间，是传统数字示波器的有利补充。实验证明，该示波器能较好的满足中低频信号的测量需要，使智能手机成为一种即测即用的便携式数字示波器，可以较好的满足快速便捷测量需求。

参考文献

［1］王升.基于Android平台的虚拟示波器开发［D］.哈尔滨﹕哈尔滨理工大学，2014﹕1-40.

［2］郝苒安.基于移动平台的虚拟示波器系统设计［D］.西安﹕电子科技大学，2013﹕1-60.

［3］张群群.基于Android的数字示波器操作界面及手势设计［D］.哈尔滨﹕哈尔滨工业大学，2013﹕1-60.

［4］宋菲菲.基于Android系统的示波器应用程序开发［D］.哈尔滨﹕哈尔滨工业大学，2012﹕1-50.

［5］王永胜.USB+OTG在手持数字存储示波表中的应用研究［D］.西安﹕电子科技大学，2009﹕1-60.

基金项目：2015年高校国家级大学生创新创业项目（编号：201512715798）。

作者简介：

苏加斌（1994—），陕西西安人，大学本科，现就读于西安西京学院。

李红波（1982—），陕西西安人，讲师，主要研究方向为数据采集与控制。