基于安卓平台的口袋实验室APP的开发

 2021-11-25 02:11

论文总字数:35593字

摘 要

各种电子测量仪器在科研和工程领域都有着十分重要的作用,随着仪器技术的发展,测量仪器从早期的模拟式发展到数字式,从传统的台式测量仪器发展到虚拟仪器。虚拟仪器与传统仪器相比最大的特点是,它的核心部分是软件,其功能主要依靠计算机实现。它融合了现代的计算机技术、测量技术、通信技术,并且与之同步发展,因而发展迅速,在开发和应用中具有很好的灵活性。

当前的虚拟仪器大多是基于PC机进行开发和设计的,这些虚拟仪器系统依托于计算机强大的数据处理功能,因而具有足以和传统仪器相媲美的功能,并且更加方便使用。然而目前的基于Android平台开发的虚拟仪器并不很多,且大多数距离投入实际使用尚存在很大的差距。但是与普通的基于PC的虚拟仪器相比,基于Android移动终端的虚拟仪器系统将更便于携带,使用更为方便。

本课题的内容就是结合当前虚拟仪器以及便携式仪器的发展状况,基于目前已有的PocketLab硬件环境,设计出一种功能全面的、操作简便的、基于Android移动终端的虚拟仪器系统。具有信号发生器、示波器、逻辑分析仪等基本的功能。我主要完成信号发生器与示波器的功能。

本论文主要通过以下几个部分进行展开:首先是对虚拟仪器的发展状况作一总体的回顾与论述,然后对Android系统的体系架构进行简要的介绍,在此基础上,介绍本设计的整体框架设计,以及网络连接、数据传输、图像绘制等基础的功能模块的实现。最后则分别介绍示波器和信号发生器的最终实现,并且按流程图的方式对每一部分的工作流程做一介绍,并且给出测试结果。

关键词:虚拟仪器;口袋实验室;Android系统;信号发生器;示波器;逻辑分析仪

THE Development of pocketlab APP

based on Android platform

Abstract

The electronic measuring instruments has a very important role in the field of scientific research and engineering. With the development of instrument technology, measuring instruments developed from the early analog to digital, and from traditional desktop instruments to the virtual instrument. The biggest feature of the virtual instrument is that its core is software, and its function is mainly realized by computer. It combines modern computer technology, measurement technology, communication technology, and synchronized with it. So it develops rapidly, and has good flexibility in development and application.

Now the virtual instrument is mostly based on PC machine to development and design. Based on computer's powerful data processing function, it has comparable to traditional instrument function, and more convenient to use. However, the virtual instrument based on the Android platform is not very much, and still has a big gapto the actual application. However, compared with the common virtual instrument based on PC, the virtual instrument system based on Android mobile terminal will be more convenient to carry and use.

The content of this paper is a combination of development of the virtual instrument and the portable instrument, based on the existing PocketLab hardware environment to design a fully functional, simple operation virtual instrument system which could use on the Android mobile terminal. With the basic functions of signal generator, oscilloscope and logic analyzer.

This paper mainly through the following several parts: the first is the development status of virtual instrument for an overall review and discussion, and then briefly introduces the Android system architecture. On this basis, introduce the the overall framework of the design, and the fundamental modules of the network connection, data transmission, and image rendering. Finally, introduce the final implementation and the workflow of the oscilloscope and the signal generator, the test results are also given.

KEYWORDS: Virtual instrument; PocketLab; Android; signal generator; oscilloscope; logic analyzer

目 录

基于安卓平台的口袋实验室APP的开发 I

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 4

1.1 引言 4

1.2 本课题的研究背景及研究意义 4

1.3 本课题的设计目标 6

第2章 Android系统的体系结构 8

2.1 Android系统介绍 8

2.2 Android的系统架构 9

2.3 Android的UI设计 12

第3章 Android PocketLab系统结构 17

3.1 PocketLab的系统结构 17

3.2 PocketLab的软件架构 17

3.3 PocketLab的功能模块 18

3.4 PocketLab应用程序的屏幕适配 27

3.5 本章小结 27

第4章 PocketLab软件的具体功能实现 28

4.1 示波器功能的实现 28

4.2 信号发生器功能的实现 33

4.3 本章小结 36

第5章 结论 37

参考文献 38

致谢 40

绪论

引言

各类电子仪器是电子工程师们设计、制造、修理电子设备时不可或缺的工具,比如示波器、信号发生器、逻辑分析仪等常用仪器,也是电子类专业的师生们在课程教学和专业学习中所不可缺少的工具,在整个科研与工程领域,都具有十分重要的作用。

从模拟到数字,从简单到智能,各种电子测量仪器随着科技的进步,不断取得发展,其精度不断提高,功能不断增强,满足人们在各种场合下的不同要求。与模拟仪器、数字仪器等传统仪器相比,新一代的虚拟仪器(Virtual Instruments)融合了现代的计算机技术、测量技术、通信技术,它以软件为核心,具有开发和应用的灵活性[1]

本课题的研究背景及研究意义

虚拟仪器技术的介绍

与传统仪器相比,虚拟虚拟仪器最大的不同,也是它的特点所在,就在于它的最主要的功能都是基于计算机而实现的。虚拟仪器系统的组成结构如图所示:

虚拟仪器系统的组成

硬件系统是虚拟仪器系统的基础,其所有的功能都是依托在硬件系统的支撑下才能够实现的。其中,计算机可以是通用式计算机系统,也可以是嵌入式计算机系统,虚拟仪器软件的显示功能、分析功能、操作功能都是在计算机硬件平台的基础上才能够完成的。测量电路则是虚拟仪器系统的最根本的硬件部分,没有它的话,则所有的功能都无从谈起。测量电路通过模数转换等方式,获取被测量的信号的各种信息,它们一般表现为电压幅度等数据。IO接口和总线则是数据传输的通道,通过IO接口与总线,将采集到的数据、信息发送给软件部分进行处理。

软件部分是虚拟仪器系统的灵魂,控制与显示模块和数据分析处理模块则是其核心所在。计算机具有强大的功能,它对数据的分析与处理、显示与存储方面,都有着突出的优点。使用计算机上的软件程序,可以很形象的展现仪器的操作面板,并且使用十分方便,可以完成复杂的调控和测试。对于所需要显示的检测结果,计算机软件可以非常方便且美观的将结果显示出来。在计算机平台上,通过编写复杂的数据处理程序,可以实现强大的信号的分析与处理功能。

与传统的仪器相比,虚拟仪器系统具有更好的开放性、集成性[2]。虚拟仪器系统开放灵活,它以计算机技术为基础,并与之同步发展[3]。使用软件以及模块化的硬件的实现方式,既可以实现软硬件的很好连接,又有利于集成多个模块、实现多种功能[4]。虚拟仪器的开发成本低,技术更新快,系统的性能和功能可以很方便的进行调整、升级、扩展。同时,成本低,价格低廉,仪器资源可重复利用[5]

当然,在拥有这些优点的同时,不可否认,当前的虚拟仪器也存在一些局限,受限于计算机和接口卡的速度,大多数虚拟仪器系统的带宽一般较小、采样率较低,正因为这个原因,测试结果的准确度也不是很好。所以就目前来说,虚拟仪器主要应用于对速度和精度要求不是太高的场合[6]

虚拟仪器技术的发展状况

随着仪器技术的不断发展以及用户对测量仪器要求的不断提升,市面上的各种电子测量仪器也在不断升级换代。用户在对仪器测量精度的要求提升的同时,对仪器的使用方便程度的要求也不断提高。而在某些情况下,对测量仪器的成本,也要求尽可能的低廉。在此基础上,虚拟仪器和便携式仪器技术不断取得发展和应用。

当前的虚拟仪器,大多是基于PC端使用LacView、CVI等开发环境进行设计[7]。LabVIEW是由美国国家仪器公司开发的一种程序开发环境,它提供了很多的类似于示波器、万用表的外观的一些空间,因此在创建用户界面的时候十分方便[8]

目前已有的,如文献[9]中提到的利用LabVIEW8.5平台实现的基于声卡的虚拟单踪数字存储示波器,和文献[10]中提到的基于LabVIEW8.6平台的虚拟示波器系统。这种虚拟示波器可以完成基本的信号分析与处理,并且可以在实验教学中投入使用。它们有一定的优势,如价格便宜,使用方便等,因此具有广泛的应用前景。而且通过对虚拟示波器的功能进行全面的测试,结果表明,在一般情况下,虚拟示波器可以基本取代传统的示波器[11]

然而,无论是传统的电子测量仪器,或者是一些功能强大的基于PC的虚拟仪器系统,尽管功能完善、测量相对准确,但往往由于体积较大而不便于携带。它们固然可以达到很好的测量精度,但是,在某些情况下,这种高精度并不是使用者所需要的。比如在有的时候,我们只需要对一些简单的信号(比如正弦波、方波等)进行一些简单的测试,以判断是否符合预期信号的基本特征、是否发生信号的畸变,由此判断该设备是否存在故障。或者在基本的电路、电子线路、数字电路等课程实践教学中,过高的精度并不是十分必要,这种情况下,这些高精度高复杂度的测量仪器的使用就显得大材小用。

在此同时,在某些场合下,相比于测量精度,便携性、使用方便程度可能更受某些用户关注。比如在野外对某些设备或者电路进行测试时,使用传统的电子测量仪器,或者基于PC的虚拟仪器系统,电源的携带将十分困难,环境的恶劣也都不利于测试。而且,在普通的电子线路实验教学中,相比于一台功能强大但操作复杂的测量仪器,一台操作简单、携带方便的测量仪器可能更受学生们的喜爱。

在这种情况下,便携式电子测量仪器便应运而生,这些便携式仪器对于工程现场电路的测试与维护等方面有着很重要的作用。它们一般集成了很多IO接口,如USB、蓝牙、WIFI等,通过这些接口,还可以和电脑进行同步的数据传输,从而强化其功能。文献[12]中,就介绍了一种基于Arduino和图形液晶显示器GLCD的低成本的便携式示波器的设计与开发。示波器通过读取样本,将它们存储到其内部RAM中,并显示实时波形。这些测量仪器供电方便、造价低廉、使用灵活方便。

基于Android的虚拟仪器的设计

目前,手机等移动终端已经进入了人们生活的各个方面。其价格不断下降,而硬件性能则在不断提高,Android只能设备可发挥的作用越来越大。而且,Android手机几乎人手一部,且随身携带。因此,基于Android移动终端系统的虚拟仪器系统,无疑将具有非常好的便携性。

相比于PC系统上的虚拟仪器软件,目前使用Android平台开发的虚拟仪器相对而言比较少,这其中自然涉及到Android终端自身的一些局限性,比如Android终端设备有限的屏幕尺寸。相比于在PC端上开发,在Android上开发相应虚拟仪器相对而言不是那么方便,同时,也很难达到如同PC端上虚拟仪器的那么强大而完善的功能。

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