基于Python的示波器實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

胡哲 邱繼云

摘要：基于Python語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)對(duì)示波器SDS5054X的實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。通過(guò)訪問(wèn)示波器IP地址與端口號(hào)，建立TCP連接。計(jì)算機(jī)向示波器發(fā)送SCPI指令，讀取示波器實(shí)時(shí)波形并以BMP圖片格式保存在電腦里。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程有助于學(xué)生加深TCP協(xié)議相關(guān)理論知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)和操控示波器。同時(shí)可使學(xué)生熟悉Python語(yǔ)言的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Pycharm，有效提高學(xué)生編寫(xiě)與調(diào)試代碼的能力，對(duì)提高工程實(shí)踐能力具有顯著作用。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；Python；示波器；TCP通信

中圖分類號(hào)：G482文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)量行業(yè)，它能把人眼看不見(jiàn)的電信號(hào)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(guò)程［1］。而目前高校開(kāi)設(shè)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中通常是手動(dòng)操作示波器進(jìn)行信號(hào)測(cè)量，未能充分拓展示波器功能。

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

基于新工科對(duì)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(yáng)示波器SDS5054X為核心，應(yīng)用Python作為編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)與示波器通信實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)案例內(nèi)容要求為：基于Python語(yǔ)言，采用TCP通信協(xié)議，通過(guò)訪問(wèn)鼎陽(yáng)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(shí)時(shí)波形并以圖像形式保存至電腦里。

2實(shí)驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)

首先，為了建立電腦與示波器的TCP通信，調(diào)用函數(shù)庫(kù)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(cuò)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(yàn)多次查詢是否會(huì)出錯(cuò)且使實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)代碼設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。

3實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(diǎn)［3］。TCP建立連接時(shí)，客戶端和服務(wù)器要經(jīng)過(guò)三次握手階段，當(dāng)客戶端向服務(wù)端發(fā)起連接時(shí)，會(huì)先發(fā)一包用于詢問(wèn)能否建立連接的SYN包，如果對(duì)方同意連接，則會(huì)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(qǐng)求，共需要四次揮手進(jìn)行連接關(guān)閉。假設(shè)客戶端主動(dòng)發(fā)起連接關(guān)閉請(qǐng)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(shí)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。客戶端收到后回復(fù)ACK包，進(jìn)入超時(shí)等待狀態(tài)，經(jīng)過(guò)超時(shí)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(kāi)發(fā)人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開(kāi)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(jiàn)圖4，主要包含以下三個(gè)步驟。

3.2.1建立連接

兩端分別有一個(gè)Socket，用于兩者之間的通信。客戶端向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，創(chuàng)建Socket進(jìn)行連接。服務(wù)端則隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)客戶端發(fā)起的請(qǐng)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(gè)流（輸出流和輸入流）。邏輯上可將兩個(gè)流理解為兩個(gè)通信管道的全雙工通信模式，一個(gè)用于向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于接收對(duì)方的數(shù)據(jù)。

3.2.3終止連接

客戶端訪問(wèn)服務(wù)器結(jié)束，斷開(kāi)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(tīng)客戶端狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉Socket等連接。

3.3通信功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1建立連接

Socket模塊是Python中自帶模塊，它可以使開(kāi)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(gè)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(yáng)科技的研發(fā)人員將port5025設(shè)置為Socket的端口號(hào)，不需安裝NIVISA。考慮到調(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(shí)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(gè)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(huì)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(shí)驗(yàn)設(shè)置最大數(shù)據(jù)量是4096字節(jié)。部分代碼示例見(jiàn)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(shí)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(shí)一段時(shí)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(jiàn)圖7：

3.4SCPI通信協(xié)議說(shuō)明

可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（英語(yǔ)：StandardCommandsforProgrammableInstruments，縮寫(xiě)：SCPI）是一套用于控制可編程測(cè)試測(cè)量?jī)x器的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)法和命令，實(shí)際是通過(guò)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(guò)相同命令來(lái)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(yùn)行狀態(tài)，比如控制示波器的開(kāi)啟和關(guān)閉。查詢指令可以查詢儀器運(yùn)行狀態(tài)，比如查詢電源的輸出電流等，一般以問(wèn)號(hào)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(huì)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(cè)。同時(shí)，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(hào)（*）開(kāi)始，長(zhǎng)度為3個(gè)字符，并可以包括一個(gè)或多個(gè)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(shí)別儀器類型和軟件版本，響應(yīng)由四個(gè)不同的字段組成，實(shí)現(xiàn)代碼如圖8：

4實(shí)驗(yàn)示例

在實(shí)驗(yàn)中，常常會(huì)受到場(chǎng)地、環(huán)境等客觀因素限制，不能實(shí)地監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)讀取波形，并以圖片格式保存在電腦里。具體實(shí)現(xiàn)可分為以下幾個(gè)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(qǐng)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(xiě)模式打開(kāi)文件，將圖片數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫(xiě)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(xiě)入文件，同時(shí)清空緩沖區(qū)，不需要被動(dòng)地等待輸出緩沖區(qū)寫(xiě)入。

（6）關(guān)閉文件，寫(xiě)入結(jié)束。

實(shí)現(xiàn)代碼如圖9：

結(jié)語(yǔ)

本文提出基于Python語(yǔ)言，建立與鼎陽(yáng)示波器SDS5054X之間的TCP連接，通過(guò)SCPI指令實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取示波器波形數(shù)據(jù)，并以BMP格式儲(chǔ)存在電腦里。針對(duì)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要搭建Python語(yǔ)言環(huán)境，熟悉基本語(yǔ)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(cè)量信號(hào)知識(shí)。在不斷調(diào)試整段代碼的過(guò)程中，可以培養(yǎng)學(xué)生基本編程能力和排錯(cuò)能力，加深對(duì)Socket編程模塊和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作的理解，為日后進(jìn)一步完成軟硬件結(jié)合的工程項(xiàng)目打下初步基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］李林瀟，江先陽(yáng).基于LabVIEW的示波器控制與演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2018，38（S1）：103107.

［2］趙江萍，姚纓英.新工科背景下的電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法探究［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2021，24（4）：5659.

［3］徐宙，劉連照，程彥杰，等.基于C#的數(shù)字存儲(chǔ)示波器控制軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2016，43（2）：5355+57.

［4］于曉輝，許禮昆，李新波，等.基于單片機(jī)的數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2021，24（3）：5356+60.

［5］阮頤，宋清亮，王甲.基于Python的示波器圖像數(shù)據(jù)識(shí)別［J］.集成電路應(yīng)用，2020，37（1）：1819+22.

［6］劉雪琳，章鈺琪，董愛(ài)國(guó).基于Python的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（3）：7478.

［7］郝彥爽，林穎，韓守梅.基于FPGA的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2021，24（3）：101104.

［8］孫暉，彭里卓.基于樹(shù)莓派和Python的數(shù)字音效處理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.集成電路應(yīng)用，2021，38（10）：262263.

［9］蔡軍，左俊偉，潘峰.基于LabVIEW的諧振式無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（10）：211215.

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

作者簡(jiǎn)介：胡哲（1996—），女，漢族，山西大同人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)研究。