国家级创新项目-基于Android系统的掌上微型示波器.docx

大学生创新训练项目申请书项目编号 项目名称 基于Android系统的掌上微型示波器 项目负责人 联系电话 所在学院 学 号 专业班级 指导教师 E-mail 申请日期 2019年4月17号 起止年月 2019年6月至2021年6月 填 写 说 明1、本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要2、申请人可以是个人，也可为创新团队，首页只填负责人。“项目编号”一栏不填。3、本申请书为大16开本（A4），左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。4、负责人所在学院认真审核, 经初评和答辩，签署意见后，将申请书（一式两份）报送湖南大学项目管理办公室。一、 基本情况项目名称基于Android系统的掌上微型示波器所属学科学科一级门：工学学科二级类：电子信息类申请金额 10000 元起止年月 2019 年 6月至 2021 年 6 月负责人姓名性别民族出生年月 年 月学号联系电话宅：手机:指导教师联系电话宅：手机:负责人曾经参与科研的情况指导教师承担科研课题情况指导教师对本项目的支持情况项目组主要成员姓 名学号专业班级所在学院项目中的分工主导方向兼硬件部分软件部分兼UI界面设计硬件和软件部分二、 立项依据（可加页）（一） 项目简介该项目是为了解决高校普遍出现的实验器材不足等问题，我们以MIC插孔作为波形传输通道，并在Android环境下，以Java为语言基础，设计APP，调用手机CPU处理数据，并在APP界面上显示。该产品便于携带，使用方便，同时还具有数据共享的功能，极大地促进了学生的主观能动性与实验创新能力。（二） 研究目的随着时代不断地发展，许多高校也不再仅仅局限于书本上的内容，大力支持学生自己动手，用自己课上所学，为自己课后的实验设计提供理论依据，真正做到“将知识化为力量”。在各个大大小小的实验中，示波器肯定是一个不可或缺的实验仪器。然而，仍然有不少学校的实验配置并未达到学生的需求，严重打击了学生的实验积极性和创新能力。故我们意在设计一款基于Android的微型示波器APP，既能满足实验需求，同时，并不需要投入大量的实验成本，达到了促进学生主观能动性的目的。此外，在这个大数据时代，手机更是一个随时随地的信息共享平台，每一份波形数据都能及时分享给他人，满足了时代要求。（三） 研究内容1、硬件部分基于方便，易于操作的原则，我们通过观察到MIC工作现象，了解到其将外部模拟信号转化为电信号，并且能将信号通过MIC线传输到手机内部的工作过程，再通过资料文献，了解到手机3.5mm耳机插孔的工作特点，解决了波形与手机之间的信号传输问题；然后，利用手机内置的ADC将外部模拟信号转化数字信号，并保存在手机内存中，以备进一步处理。2、APP设计APP将具有调用手机CPU处理数据，显示波形及其基本参数，如幅值、频率、相位等的主要功能，兼有合成数据分析报告，便于后期数据查询以及数据分享的功能。（四） 国、内外研究现状和发展动态一国内外研究现状目前国内外已有基于STM32、FPGA等芯片作为基础的掌上示波器研究，且已有相关产品。以STM32芯片作为主控芯片的掌上示波器，利用STM32芯片自带的AD功能实时识别信号源的电压，并且以一定的采样周期采样电压数据，并按照队列方式储存芯片当中，再通过4.2英寸的显示屏把波形实时地显示出来，即可完成功能的实现。以FPGA芯片为主控芯片的掌上示波器，使用FPGA为核心采集模块,以单片机为显示控制核心,以TFT彩屏液晶为显示器件，将三总线结构以及控制信号的握手协议作为基础,保证了FPGA与单片机通信的有效性和可靠性。这些产品虽然具有体积较小的优势，但是价格昂贵，即使很多学生对于便携示波器有一定的需求，也不愿意为此消费，因此，使用传统的数字示波器仍是各大高校的主流。二发展动态在当今电子仪器快速更新换代的年代里,数字示波器已凭借着自身的高性能、高精确度等优势得到了普及，特别是在可存储和可进行数值计算方法并且还具有很大的研究和开发价值。因此，示波器将继续向数字化、智能化、集成化、多功能化与高精度化的方向发展。（五） 创新点与项目特色1.目前国内外，已有基于STM32、FPGA等各种常用处理器的掌上示波器的研究，市面上也有单独的小型掌上示波器，类似于普通仿真器大小，虽然比起实验室的示波器，已经算是小巧轻便，但不如直接在手机上安装app方便。2.此外，真正做到基于Android系统，且能够满足精度要求，直接用手机做处理器的掌上示波器却很少见。3.此项目开发的APP可以真正满足“万物互联”的时代潮流，使用者可以随时随地把自己测试的波形进行分享给需要的人。若可以成功推广到各大高校，不仅可以满足实验需求，而且达到了促进大学生主观能动性的目的。4.移动端芯片在近几年随着手机的发展，性能逐渐完善。故用手机来进行波形处理，不仅可以满足日常实验中的精度要求，而且造价极低，与市面上几百、甚至上千的掌上示波器相比，基本做到“0消费”，从某种意义上，促进了大学生的动手创造能力。（六） 技术路线、拟解决的问题及预期成果一、 硬件部分1. 首先，我们将待测波形通过两个探头接入一个简单的电路，该电路通过两个电路进行分压，起到阻抗匹配的作用。2. 通过耳机线的MIC将信号传输到手机内部。其中，输入手机耳机插孔的电压Ui为： 3. 信号处理最基本的内容包括变化、滤波、解调、检测以及谱分析和估计等。手机内部收到外部信号，通过ADC，对模拟信号进行采样、保持、量化、编码，转化为数字信号，再通过傅里叶变化等算法，将一些难以处理的时域信号转化为便于分析的频域信号，再由滤波模块滤除杂混的噪声和干扰，通过这一系列处理后，存储到手机的数据存储区，最后等待APP对CPU进行调用，当CPU响应了APP的调用信号之后，对波形进行处理和运算，计算出波形的频率、幅值、周期等常用参数，再显示到用户界面。4. 采样部分的细化:在数字信号处理领域，采样定理是模拟信号与数字信号之间的一个基本桥梁。它确定了信号带宽的上限，或能捕获连续信号的所有信息的离散采样信号所允许的采样频率的下限。所以，信号频率和采样频率之间需要满足奈奎斯特采样定理。即，采样频率至少是信号频率的2倍。显然，采样精度越高，转化后的数字信号就越接近模拟信号。迄今为止，大多数手机内置的声卡已经达到了44.1KHz或48KHz，个别手机甚至更高，显然满足日常的实验需求已经完全足够。二、软件部分1. 手机上的应用开发，这款APP应当具有以下基本的五个功能：(a)显示功能：对采集波形的显示；(b)调节功能：对波形的显示范围进行调节；(c)计算功能：完成一些相关的简单运算；(d)储存功能：对采集过的波形数据进行保存；(e)分享功能：可将此次的波形测量结果生成报告，直接通过各大社交软件分享给使用者的好友，满足大数据时代的共享需求。2. 确定需求后，进行相对应UI设计。3. 之后对产品进行实际的编程开发。4. 出产初产品之后，对其进行小范围的测试，从测试者得到反馈。5. 改进后产出成品。预期成果：1. 对波形进行不失真显示2. APP能够显示波形的基本参数，支持用户自定义调节，包括幅值调节、显示范围调节等3. 推广到各大高校，让更多大学生使用我们的产品4. 完成SIT结题报告，并且发表一篇论文（七） 项目研究进度安排第一阶段：2019.4.30.7.30；进行基础理论知识的学习和深入探究，同时，为Android的APP开发做前期，准备建立起对整个项目的框架第二阶段：2019.7.302020.2.30：编写算法，设计APP，初步实现预期目标第三阶段：2020.2.302020.7.30：购买相关硬件，进行调试，优化APP，大致完成整个项目的预期成果；第四阶段：2020.7.302020.12.30：在小范围内进行测试（给部分同学使用，收集反馈信息），再根据反馈完善项目产品。第五阶段：2020.12.302021.4.1：完成SIT结题报告，并且编写发表论文（八） 已有基础1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩1.通过查阅文献，了解到国内外现状和其发展动向。对掌上示波器未来的发展趋势有了更加深入的了解。2.对比分析了不同的Android开发环境，选定了最合适此项目的开发平台Android studio，并且对其进行了初步的认识与分析，同时，还了解到了开发一款APP的基本步骤与运行原理。3.通过查阅各类基于STM32、FPGA的掌上示波器的有关文献，对掌上数字示波器的整个工作原理有了一定的认识，这包括对信号的前级调理、AD转换、处理器对采样数据的存储和处理。4.通过查阅各种资料，加深了对手机内部架构的了解，并且对市面上各类手机芯片的参数进行了整理，对不同的芯片有不同的处理速度，为防止APP崩溃，项目设计应具有普遍性和通用性。2. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法已具备的条件： 了解了整个项目的具体流程。硬件方面，已有STM32、FPGA等开发板的基础，对示波器原理已经比较熟悉，对波形传输线的研究也有了一定的认识。软件方面，掌握了开发APP的具体流程，并且已经有了编程语言的基础，也开始不断探索了Android的APP开发平台的具体实施方法。尚缺少的条件： 1. 对波形中的噪声和干扰信号的可行性分析与处理。 2. 关于手机内部的数字信息如何通过CPU处理，转化到波形，并且显示到用户界面的技术是一大难点，还在考虑中。 3. 波形的不失真显示是一大难点解决方法： 因为项目本身是基于Android的APP，所以外加电路和芯片便无法实现我们的立项初衷。所以，对于这些存在的问题，我们都打算通过对手机内部的各种处理器进行分析并提出解决方案。对于波形中的噪声和干扰信号，和失真波形的情况，则需要结合具体的波形失真原因，来选择合理的方案进行处理，即结合实际情况进行合理处置，达到项目预期目的。三、 经费预算开支科目 预算经费（元）主要用途 阶段下达经费计划（元）前半阶段后半阶段预算经费总额10000项目开发500050001. 业务费5000用于项目设计的大部分经费需求17003300（1）计算、分析、测试费0无00（2）能源动力费0无00（3）会议、差旅费2000到外校交流学习的交通费和住宿费、会务费10001000（4）文献检索费1000资料检索费700300（5）论文出版费2000发表论文020002. 仪器设备购置费4000手机、MIC线、电阻、开发板、芯片等300010003. 实验装置试制费500设备调整费、成品试制费1004004. 材料费500包装加工费、消耗品购置费200300学校批准经费0无00四、 指导教师意见该项目立意新颖，目标清晰，技术路线切实可行，学生前期基础扎实。强烈推荐。 导师（签章）：年 月 日五、 院系大学生创新创业训练计划专家组意见 同意推荐参评校级项目 专家组组长（签章）：年 月 日六、 学校大学生创新创业训练计划专家组意见 同意推荐为省级项目 负责人（签章）：年 月 日七、 大学生创新创业训练计划领导小组审批意见同意专家组意见 负责人（签章）：年 月 日