基于Android系统的掌上微型示波器_蒋仕东.pdf

2023.6电脑编程技巧与维护1概述示波器是一种电子设备，可以通过波形绘制采集数据的波形，或者收集数据应用于各种工程。早期的示波器只能进行数字存储，之后运用微处理器和半导体存储技术，达到了存储波形的目的。经过一个多世纪的发展，示波器的研发让人们看到了更多的机会。如今各类项目都向着信息化发展，人们也需要更加智能且轻便的工具，由此示波器也需要得到进步。近年来，个别电子测量的操作系统的稳定性还不够，有些是应用Windows或Linux两种操作系统，在技术方面成熟度也参差不一。在这种情况下，团队一致商议便使用了Android系统完成开发，从搭建开发平台到程序功能设计，再到程序的整体框架成型，都基于An-droid系统完成。该平台相比其他平台，受众人群更广，有利于增加软件的普及率，此外对数据和波形的处理也都具有稳定性。2软件 UI 设计2.1操作界面Android系统智能移动通信终端经过显示屏幕，将波形等所需要的信息通过人机交互传递给使用者，而使用者通过对屏幕上的操作，例如，终端界面上的按键，通过触控将自己想要进行的操作传递给移动终端。所以一个友好的交互界面，对于一个软件和使用者来说就显得尤为重要。界面总体架构如图1所示。2.2按钮图形软件中的按钮大部分由Button控件组成，虽然Button控件的属性很多，但其使用较为简单。考虑到Android系统自身的Button控件形状方方正正，美化程度较低。为了提高用户的使用体验，也为了让整个界面更加美观，在此对各按钮进行了“圆滑”处理，增加了控件的扁平性。具体处理如下，在drawable文件夹中添加了button.xml这样的样式类文件，再调整好对应的属性，随即对Button属性进行这样一个配置操作：an-droid:back ground=drawable/boutton，主要在样式中增加弧度和颜色，并且用6位十六进制表示法来表示颜色，例如FF0000代表红色、00FF00代表绿色，而对于“圆滑”水平，则用弧度值的大小来体现。2.3菜单嵌套在软件的菜单设计中，大部分参考了数字荧光示波器的结构形态，为了方便观察波形变化，于是波形显示屏的占比就较大，但Android系统的屏幕大小有局限，菜单项也需要一定的空间大小来存放。为处理这一问题，把菜单存储在水平滚动控件嵌套的线性规划中，在这样的前提下，又把功能类似的菜单存储在一起，具体使用了分级菜单的形式进行菜单的分类。这样便解决了菜单数量多、布局混乱的问题，极大地避免了界面看起来杂乱无章。3交互模块设计3.1SurfaceView 组件SurfaceView是一个绘图类，它继承于View类，而在平台中波形绘制就显得尤为重要。因为要经常地刷新基金项目：2022年国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号为202210205020）。作者简介：蒋仕东（2003），男，研究方向为软件设计。基于 Android 系统的掌上微型示波器蒋仕东，韩敬峰，张大明，刘玉钵，尚永昆，徐政（长春师范大学计算机科学与技术学院，长春130031）摘要：大数据时代的到来，各大高校都鼓励并支持学生实际操作，完成理论到实践，知识的输入到输出的过程。在许多实验中，示波器始终是一个必不可少的仪器，但价格偏高，如果学校没有这种设备容易影响学生的创新和科研精神。为了降低实验成本，设计了一款基于 Android 系统的掌上微型示波器，提高学生的实验积极性。关键词：Android 系统；示波器；软件设计图1界面总体架构图测量信息触发电平和波形绘制区域探头衰减比开始/停止极性选择模式选择连接耦合选择电压和时基的调节76DOI:10.16184/prg.2023.06.0292023.6电脑编程技巧与维护波形，而且刷新时要解决的数据量也较大，用户需要得到实时反馈，依据绘图类组件的3大特征展开研究，被动更新、子线程刷新和双缓存机制，软件避免了画面卡顿、响应慢和绘图时间长的可能。此外，该组件通常和SurfaceHolder两者合作完成绘图，后者接口通常是担任Surface中的监听功能，其原理是通过调用getHolder()接受创建、删除或改变。使用SurfaceView绘制波形，具体流程如下。（1）对SurfaceView类进行自定义，继承并完成SurfaceHolder.Callback接口，对增、删、改3个函数分别完成重写，它们3个函数的功能分别是可以初始化界面、负责销毁工作及具有更改数据的功能。（2）对于打开子线程刷新，需要采取surfaceCreat-ed这个方法。（3）在子线程中编写对应的While循环，达到持续绘制的效果。（4）在While循环中要获取需要的对象，锁定画布进行绘制，就要使用SurfaceHolder对象的lockCanvas方法。（5）绘制完成后取消画布的锁定，回传Canvas对象结束改变，需通过SurfaceHolder对象的lockCanvas函数方法完成。（6）完成整个绘制过程，使用surfaceDestroyed方法中改变while循环的Flag为false。3.2控件实现流程用户对于界面的操作主要是靠控件实现的，不同的控件功能各不相同，它们的功能包括显示文本和图片、加载资源等，这些实现的过程都是基于Android事件处理机制完成的。回调事件机制，可以重写回调方法来触发，从而在重写的过程中团队按照自己的需求，编写更加具有可行性和实用性的事件处理方法。其中，事件的传播不一定按照顺序进行，委托事件比回调事件处理高一级。监听事件处理机制。在这种机制下，可以处理事件、事件源和事件处理器3种对象，同样也可以采用委托机制。同时在布局文件中设置指定的事件处理相应函数，对于特定的对象设置特定的接口，进而更好地完成程序。通过运用以上的两种机制，将软件的控件分为以下几大类。（1）设置二级菜单。（2）通过对话框直接输入或删除信息。例如，测量和设置IP地址按钮。（3）标记或改变参数值。例如，单独标记FFT菜单中的矩形窗；再如“交流”按钮被按下后变成“直流”按钮，进而改变显示。（4）发送命令到硬件。主要通过设置的某个线程发出，例如，连接和断开。3.3手势触控实现在智能手机的普及下，触屏操作成为人机交互的重要手段，主要触控事件类型如表1所示。为用户使用便捷，获得更高的交互效率，设计以下的手势触控流程。（1）关于MotionEvent事件的产生，开始点击手机屏幕时，引发了单点或多点触控、封装手势、弹道球多种动作。（2）捕捉屏幕的触摸监听接口负责监听事件，调用onTouch()方法返回值判断是否为true，从而获得该对象。（3）监听接口可以提供相应的抽象方法，因为从GestureDetector辨认到手势，给容器添加了单击事件，转发MotionEvent对象给监听接口OnGestureListente。（4）经过识别使用者不同手势做出不同处理，最终通过OnGestureListener获取这个对象。4平台通信设计4.1有线数据通信ETH、PLC、RS-485、USB这些都是有线通信技术，在目前的主流电子设备中，采用最多的连接是USB。USB接口还具有即插即用、数据传输快、支持多种模式等特点，基于以上优势选择USB的有线通信方案。USB的传输方式有4种，基本介绍如下。（1）控制传输，传输精度高，但双向传输的方式会导致传输量较小，控制传输主要用于计算机的主机和USB外设之间的信息传输。（2）同步传输，如果已经确定了带宽及间隔时间，并且单向传输，则其传输速度是确定的。若传输过程中出现错误，则USB会忽略这些错误继续传输，故容错率较高。同步传输常用于网络通话方面，或者传声器、耳机等硬件设备。（3）中断传输，经常定时询问设备是否存在数据传触控事件表示含义ACTION_DOWN表示开始触摸ACTION_UP表示抬起手指ACTION_MOVE表示手指移动ACTION_CANCEL表示手势取消ACTION_POINTER_DOWN表示非主要手指按下ACTION_POINTER_UP表示非主要手指抬起表1主要触控事件类型772023.6电脑编程技巧与维护通信方式 频率/GHz传输速率（Mbit/s）最大功耗/mW传输方式 连接数量 通信距离/mWiFi2.45.2654100mW点到多点50100蓝牙2.4131100mW点到多点710100UWB3.110.6534801mW以下点到多点810DECT1.881.91.152100mW以下 点对多点1250300RFID5.80.212不需供电点对点2小于10输，端点模式器的不同会导致它的询问频率也不同，但总体传输量还是很少。中断传输一般应用于鼠标和操纵杆这类分散数据传输设备。（4）大量传输，没有带宽和时间的约束，因此可以进行大量的数据传输和接收。大量传输适用于扫描仪、打印机这种要求保证传输效率的设备。经过讨论和比较，示波器传输的数据量较大，对精度要求较高，于是选择大量传输这种传输类型。在这种模式下，示波器通过USB传输发送数据，处理由An-droid平台负责。4.2无线数据通信为丰富软件通信方式，给用户多种选择，开发了无线数据通信的方案，这也弥补了有线传输带来的距离限制。市面上的移动设备普遍使用WiFi、蓝牙、NFC、超宽带（UWB）等无线通信方式，几种无线通信的比较如表2所示。为达到传输速度快、距离远且稳定的效果，选用了无线WiFi的通信方案。在指定的WiFi通信方案中，传输的数据量较大，于是采用传输控制（TCP）协议，它允许连接的双方随时可以发送数据，最后使用Socket接口完成发送和接收网络请求。4.3通信数据处理在数据处理中最复杂的便是频谱分析，而示波器的处理器计算能力较弱，如今市场Android系统的智能手机在芯片处理数据方面已经足够强大，对于Android系统的处理采用的是快速傅立叶变换（FFT）算法，为了得到正弦函数和频率之间的关系，这个算法的目的就是将无数个正弦信号叠加在一起，从而达到效果。从数据结构来看，该算法的时间复杂度为O（nlogn），与离散傅里叶变换（DFT）算法对比，其时间复杂度为O（nn），故FFT算法的运算效率明显高得多。5数据存储设计5.1数据存储的意义示波器绘图的过程就是数据产生的流程，然而这种数据往往时效性较长，尤其是在实验过程中，会经常对不同的数据进行记录、比对和分析。于是加入了存储数据的功能，方便提高人们使用软件的效率，丰富软件功能多样性。5.2数据存储实现在数据的存储载体上，首先想到了移动硬盘，它高速存取的特点可以在短时间内对数据进行回收，而且相较于U盘，移动硬盘的故障率也更低、更耐用。但在实现的开始阶段，发现如果使用示波器就需要加入其他的设备进行存储，这样方便携带的特性就大打折扣，因此摒弃了这个方案。于是将载体的目光转移到Android系统本身，具体的实现方法如下。（1）存储。使用openFileOutput()方法，接收两个参数（文件名和运行方式），得到这个对象后就可以将回收的数据存储在指定的目录中。（2）读取。调用FileOutputStream()方法，经过File类来打开系统文件，调取流的读写方法，随即关掉流。（3）删除。调用deleteFile()方法，就可以把不重要或过时的数据进行删除。这样一来，当使用者想再次查看先前的数据时，就能快速地再次打开并展示之前绘制的波形，包含3个特征信息，分别是频率、峰值和占空比。6结语智能设备的电子化、虚拟化是这个时代进步的大趋势，掌上微型示波器基于Android系统，为了解决高校普遍出现的实验器材不足等问题，采用线性布局和分级菜单是在HorizontalScrollView嵌套中，完成App各种UI设计，经过不断的努力和软件优化，如果要对示波器操作，使用者可以通过控件和触控实现，并且采用USB编写程序和Socket编写程序，完成USB有线通信方案和WiFi无线通信方案，当手机中央处理器（CPU）经过FFT算法对数据进行处理时，它会出现在Android系统的界面上，完成人机交互。该产品方便携带，易上手操作，同时具有资料存储功能，可最大限度地提高学生实验及探究