无线幅频仪制作(WiFi通信)-含STM32源程序,JAVA上位机与设计报告-国赛福利

国赛福利四川省一等奖作品-2017-8
含完整的设计文档，上位机（JAVA）和下位机（stm32），程序代码，用WiFi通信

2017年全国大学生电子设计竞赛试题设计文档

远程幅频特性测试装置（H题）

【本科组】

摘要：本装置测量放大器的幅频特性，并将数据绘成直观的图线。系统以32位高性能单片机STM32F103为主控制器，由数字式频率合成器AD9854产生所需信号，通过键盘与OLED显示屏直观控制扫频、点频等模式与频率、幅值等参数，产生一路稳定幅值的正弦扫频信号。信号通过自制的0~40dB可调增益放大器，经均值响应功率检波器AD8361检波后得到直流信号，即放大器输出信号的幅值信息；再经单片机内部模/数转换器采样，处理计算后，将幅值、频率信息发送至Wi-Fi模块ESP-32，使得局域网内的设备可以获取幅频特性数据。作品另配有计算机应用程序和安卓APP，可以方便地显示幅频特性曲线，从而实现放大器的远程幅频特性测试。

一 系统方案1.1 比较与选择

本系统主要由控制器、信号源模块、放大器模块、键盘显示模块、网络模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1.1 控制器的论证与选择

方案一：采用51单片机控制。51系列单片机是廉价、易得的微控制器，但由于其采用集中指令结构，运行速度不够可观。在执行大型程序时，51单片机容易显现出功耗大、不稳定的缺点。

方案二：采用FPGA控制。FPGA即现场可编程门阵列，是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA一般来说功耗较低。但在开发过程中往往需要快速增减一些简单功能，如串口通信等，而此类功能有可能占用过多的逻辑门资源，因此采用FPGA开发整个系统则较为不便。

方案三：采用STM32单片机控制。STM32系列单片机具有开发方便、I/O口数量多等特点。ARM内核使得其运行速度明显优于51系列单片机。STM32F103属于增强型系列，是同类产品中性能最高的产品。

综合以上两种方案与实际情况，选择方案三。

1.1.2 信号源的论证与选择

方案一：采用分立元件和中小规模集成电路构成波形发生器采用RC串并联振荡器生成正弦信号。该方案的优点：技术成熟，可供参考的资料较多。缺点：外围元器件多，调试工作量较大，频率稳定度和准确度差，很难满足频率变化的范围要求，更难准确地实现频率步进的要求。

方案二：利用专用直接数字合成DDS芯片AD9851实现波形发生器。AD9851可以产生一个稳定的频率和相位且可数字化编程的模拟正弦波输出。但是该芯片理论上可达到70MHz，其实在实际应用中，当频率达到30MHz时，波形就失真了，而且外围电路较为复杂，需耗费大量时间。

方案三：采用AD9854芯片构成信号源。AD9854芯片可产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，允许输出的信号频率高达150MHz，而数字调制输出频率可达100MHz，满足项目40M的要求。

综合以上三种方案，选择方案三。

1.1.3 放大器模块的论证与选择

方案一：选用两级电压反馈运算放大器OPA847放大，再由数字衰减器PE4302衰减。OPA847是宽带超低噪声电压反馈运算放大器，常被用于前级放大，且带宽可高达3.9GHz，噪声极小。数字衰减器可以实现对DC~4.0GHz信号产生最大31.5dB的衰减，步进为0.5dB，但不可以实现系统增益连续可变。

方案二：选择运放AD8009。通过调AD8009 R1和Rf，实验发现可以实现单片运放0~40dB的要求，但是不能满足项目输入阻抗600Ω的要求。

方案三：选择压控正益放大器VCA824级联，外加AD690调节输入阻抗，满足项目要求。

综合以上三种方案，选择方案三。

1.1.4 键盘与显示模块的论证与选择

（1）键盘：

方案一：独立键盘。控制简单，但是占用单片机IO口资源太多。

方案二：矩阵键盘。控制较为复杂，但是占用单片机IO口资源少。

方案三：周立功键盘。控制较为复杂，操作点单，但功能强大。

（2）显示器：

方案一：TFT。功能强大，但是用于控制DDS显得过于复杂。

方案二：OLED。IIC通信方式，占用单片机IO口资源少，满足需求。

方案三：12864。操作简单，但占用单片机IO口资源多而且费电。

综合以上几种方案，选择周立功键盘和OLED。

1.1.5 网络通信模块的论证与选择

方案一：使用ESP-8266作为TCP客户端，与主机建立一对一通信。ESP-8266常被用作单片机WiFi模块使用，可以通过串口传输AT指令加以控制。

方案二：使用ESP-32建立TCP服务端，供局域网内其他设备访问。ESP-32是上海乐鑫公司出品的性能更强的物联网模块，同时也可以单独作为单片机使用。另外，设立TCP服务端，也使得让电脑客户端软件和手机APP同时访问成为可能。

综合以上两种方案，选择方案二。

1.2 方案描述

根据上文得出方案：系统以STM32为主控板，以ZLG键盘和OLED屏为交互方式，控制DDS AD9854进行扫频，经过自制的放大器，由均值检波器AD8361读出幅值信息。幅频特性数据通过ESP-32实现串口透传，由特别编写的计算机程序和安卓APP接收和绘制。

二 理论分析与计算2.1 信号发生器的电路设计

经讨论后，我们决定采用DDS AD9854。我们按照官方提供的电路，完成了如下设计。

图1 正交扫频信号源子系统电路原理图（大图见附录）

2.2 放大器设计

为了达到放大性能、带宽、输入阻抗和带载能力的要求，我们以OPA690跟随器为第一级，设定输入阻抗600Ω，继而用两级VCA824达到信号0~40dB放大的要求。经测试，20MHz下，该系统可完成0~44.6dB连续可调的要求。

图2 放大器系统电路原理图（大图见附录）

2.3 频率特性测试仪器

由于示波器有X Y输入模式，由单片机DA产生的电压信息直接输入通道CH1、CH2，当扫描足够快时，由于视觉暂留现象，屏幕上便会留下幅频特性曲线。

三 电路与程序设计

3.1 电路设计

图4系统电路原理图

3.2 程序设计

这里主要对两个设备进行了编程：STM32和ESP-32。STM32使用μVision官方SDK，ESP-32使用新兴的嵌入式综合开发平台PlatformIO设计，也可以在ArduinoIDE内进行开发。程序详见附录2。

计算机客户端采用Java编写，手机端APP使用AndroidSDK进行设计。

图
5 计算机客户端效果

图6 安卓客户端效果

四 测试方案与测试结果
4.1 测试方案及测试条件

在未带放大器网络的条件下，采用DDS扫频，获得如下数据:

0,0.476953
1,0.510791
2,0.567187
3,0.678369
4,0.838696
5,0.982910
6,1.115845
7,1.256836
8,1.376074
9,1.508203
10,1.605688
11,1.710425
12,1.741846
13,1.865918
14,1.915869
15,1.962598
16,2.002881
17,2.026245
18,2.062500
19,2.076196
20,2.077808
21,2.106812
22,2.145483
23,2.148706
24,2.154346
25,2.157568
26,2.153540
27,2.156763
28,2.155151
29,2.149512
30,2.132593
31,2.130176
32,2.127759
33,2.129370
34,2.124536
35,2.059277
36,2.039136
37,2.035913
38,2.041553
39,2.021411
40,2.030273
41,2.031079
42,2.027856
43,2.037524
44,2.047998
45,2.046387
46,2.047192
47,2.060083
48,2.080225
49,2.104394
50,2.066528
4.2 测试结果完整性

              由于篇幅限制，省略了放大器的数据。在之后的测量中，获得了放大器的幅频特性曲线，并在 RIGOL示波器DS1054上正确显示：

图6

4.3 测试结果分析

测试初步确定了方案总体正确，甚至使幅频曲线的部分细节得到了正确显示。但由于示波器DS1054刷新频率较慢，因此效果仍未达到最佳状态。

附录1：电路原理图

图1   正交扫频信号源子系统电路原理图

图2 放大器系统电路原理图

附录1：部分代码ESP-32主程序代码

1. //2017-08-10
   
2. //该程序用于ESP-32建立TCP Server并实现串口透传
   
3. //修改自ESP-32库的Example>WiFi>WiFiTelnetToSerial
   
4. //WiFiTelnetToSerial - Example Transparent UART to Telnet Server for ESP32
   
5. #include <WiFi.h>
   
6. #include <WiFiMulti.h>
   
7. 
   
8. WiFiMulti wifiMulti;
   
9. 
   
10. //how many clients should be able to telnet to this ESP32
    
11. #define MAX_SRV_CLIENTS 3//此处设置WiFi最大连接数（请至少允许2个设备连接，保证电脑端和安卓端同时正常运行）
    
12. const char* ssid = "NUEDC2017-H";//SSID
    
13. const char* password = "nuedc2017-h";//密码
    
14. 
    
15. WiFiServer server(2323);//设备端口（TCP Server服务器与端口：192.168.0.3:2323）
    
16. WiFiClient serverClients[MAX_SRV_CLIENTS];
    
17. //此处开启了G16、G17作为串口，此应用下可不理会
    
18. HardwareSerial Serial1(2);  // UART1/Serial1 pins 16,17
    
19. 
    
20. void setup() {
    
21.   Serial.begin(9600);//此处应与上位机波特率一致
    
22.   Serial.println("\nConnecting");
    
23. 
    
24.   wifiMulti.addAP(ssid, password);
    
25.   //wifiMulti.addAP("ssid_from_AP_2", "your_password_for_AP_2");
    
26.   //wifiMulti.addAP("ssid_from_AP_3", "your_password_for_AP_3");
    
27. 
    
28.   Serial.println("Connecting Wifi ");
    
29.   for (int loops = 10; loops > 0; loops--) {
    
30.     if (wifiMulti.run() == WL_CONNECTED) {
    
31.       Serial.println("");
    
32.       Serial.print("WiFi connected ");
    
33.       Serial.print("IP address: ");
    
34.       Serial.println(WiFi.localIP());
    
35.       break;
    
36.     }
    
37.     else {
    
38.       Serial.println(loops);
    
39.       delay(1000);
    
40.     }
    
41.   }
    
42.   if (wifiMulti.run() != WL_CONNECTED) {
    
43.     Serial.println("WiFi connect failed");
    
44.     delay(1000);
    
45.     ESP.restart();
    
46.   }
    
47. 
    
48.   //start UART and the server
    
49.   Serial1.begin(9600);
    
50.   server.begin();
    
51.   server.setNoDelay(true);
    
52. 
    
53.   Serial.print("Ready! Use Telnet ");
    
54.   Serial.print(WiFi.localIP());
    
55.   Serial.println(":2323 to connect");
    
56. }
    
57. 
    
58. void loop() {
    
59.   uint8_t i;
    
60.   if (wifiMulti.run() == WL_CONNECTED) {
    
61.     //check if there are any new clients
    
62.     if (server.hasClient()){
    
63.       for(i = 0; i < MAX_SRV_CLIENTS; i++){
    
64.         //find free/disconnected spot
    
65.         if (!serverClients[i] || !serverClients[i].connected()){
    
66.           if(serverClients[i]) serverClients[i].stop();
    
67.           serverClients[i] = server.available();
    
68.           if (!serverClients[i]) Serial.println("available broken");//?
    
69.           Serial.print("New client: ");
    
70.           Serial.print(i); Serial.print(' ');
    
71.           Serial.println(serverClients[i].remoteIP());
    
72.           break;
    
73.         }
    
74.       }
    
75.       if (i >= MAX_SRV_CLIENTS) {
    
76.         //no free/disconnected spot so reject
    
77.         server.available().stop();
    
78.       }
    
79.     }
    
80.     //check clients for data
    
81.     for(i = 0; i < MAX_SRV_CLIENTS; i++){
    
82.       if (serverClients[i] && serverClients[i].connected()){
    
83.         if(serverClients[i].available()){
    
84.           //get data from the telnet client and push it to the UART
    
85.           while(serverClients[i].available()) Serial1.write(serverClients[i].read());
    
86.         }
    
87.       }
    
88.       else {
    
89.         if (serverClients[i]) {
    
90.           serverClients[i].stop();
    
91.         }
    
92.       }
    
93.     }
    
94.     //check UART for data
    
95.     if(Serial.available()){
    
96.       size_t len = Serial.available();
    
97.       uint8_t sbuf[len];
    
98.       Serial.readBytes(sbuf, len);
    
99.       //push UART data to all connected telnet clients
    
100.       for(i = 0; i < MAX_SRV_CLIENTS; i++){
     
101.         if (serverClients[i] && serverClients[i].connected()){
     
102.           serverClients[i].write(sbuf, len);
     
103.           delay(1);
     
104.         }
     
105.       }
     
106.     }
     
107.   }
     
108.   else {
     
109.     Serial.println("WiFi not connected!");
     
110.     for(i = 0; i < MAX_SRV_CLIENTS; i++) {
     
111.       if (serverClients[i]) serverClients[i].stop();
     
112.     }
     
113.     delay(1000);
     
114.   }
     
115. }

复制代码

stm32单片机下位机源程序如下:

1. 
   
2. #include "stm32f10x.h"
   
3. #include "LED_TEST_VET6.H"
   
4. #include "delay.h"
   
5. #include "dac.h"
   
6. #include "math.h"
   
7. #include "adc.h"
   
8. #include "usart.h"
   
9. #include "AD9854.h"
   
10. #include "zlg7290.h"
    
11. #include "exti.h"
    
12. #include "oled.h"
    
13. 
    
14. #define Vppin_up 409
    
15. #define Vppin_low 1
    
16. #define sweep_step_up 2000
    
17. #define sweep_step_low 10
    
18. int Vppin100mv[50]={98,98,99,101,100,101,102,103,104,105,
    
19.                                         106,107,105,108,108,108,109,109,110,110,
    
20.                                         110,111,113,113,113,113,113,113,113,113,
    
21.                                         112,111,109,108,107,105,104,103,102,101,
    
22.                                         101,101,101,101,101,101,101,104,105,107};
    
23. 
    
24. float Vpp_num[50];
    
25. char Mode=4;
    
26. //PB5 INT ;PB7 SDA; PB6 SCL
    
27. float Mhz=1.0;
    
28. float Vpp=0;
    
29. int Vppin=5;//5~100mv
    
30. int sweep_step=1000;//Khz
    
31. float sweep_start=1;
    
32. float sweep_end=50;
    
33.                                        
    
34. void sweep(void);
    
35. void Test_key(void);
    
36. void num_goback(void);
    
37. float GetVpp(void);
    
38. float GetVpp1(void);
    
39. void sweep3(void);
    
40. void sweep_100mv(void);
    
41. void sweep3_100mv(void);
    
42. int main(void)
    
43. {               
    
44. 
    
45.          
    
46.         LED_Init();//初始化
    
47.         delay_init();
    
48. 
    
49.         OLED_Init();                        //初始化OLED  
    
50.         OLED_Clear();  
    
51.         Dac1_Init();//DAC通道1初始化        
    
52.         Dac2_Init();//DAC通道2初始化        
    
53. 
    
54.         EXTIX_Init();
    
55.         uart_init(9600);
    
56.         AD9854_Init();
    
57. //        AD9854_SetSine_double(27000000,1844);
    
58.         Adc_Init();
    
59.         ZLG7290_Init();
    
60.         while(1)
    
61.         {
    
62.                 if(Mode==1)
    
63.         AD9854_SetSine_double(Mhz*1000000,Vppin*10);
    
64.                 if(Mode==2)
    
65.                         sweep();
    
66.                 if(Mode==3)
    
67.                         sweep3_100mv();
    
68.                 if(Mode==4)
    
69.                         sweep_100mv();
    
70.         }
    
71. }
    
72. float GetVpp()//PA1
    
73. {        u16 adcx;
    
74.         float temp;
    
75.         adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,10);
    
76.         temp=(float)adcx*(3.3/4096);
    
77. return temp;
    
78. }        
    
79. float GetVpp1()//PA0
    
80. {        u16 adcx;
    
81.         float temp;
    
82.         adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_0,10);
    
83.         temp=(float)adcx*(3.3/4096);
    
84. return temp;
    
85. }
    
86. 
    
87. void sweep()
    
88. {
    
89. for(Mhz=sweep_start;Mhz<sweep_end;Mhz=sweep_step/1000.0+Mhz)
    
90.         {
    
91.         AD9854_SetSine_double(Mhz*1000000.0,Vppin*10);
    
92.                 delay_ms(10);
    
93.         }
    
94. for(Mhz=sweep_end;Mhz>sweep_start;Mhz=-sweep_step/1000.0+Mhz)        
    
95.         {
    
96.         AD9854_SetSine_double(Mhz*1000000.0,Vppin*10);
    
97.                 delay_ms(10);
    
98.         }
    
99. }
    
100. void sweep_100mv()
     
101. {
     
102.         char i=0;
     
103.         {
     
104.         for(i=1;i<=50;i++)
     
105.         {AD9854_SetSine_double(i*1000000.0,Vppin100mv[i-1]*10);
     
106.         Vpp=GetVpp();
     
107.         printf("A%d,%f\r\n",i,Vpp);
     
108.         printf("A%f,%f\r\n",i+0.5,Vpp);        
     
109.         OLED_ShowNum(48,4,Vpp,4,16);
     
110.         OLED_ShowNum(48,2,i,4,16);
     
111.         }
     
112.         for(i=50;i>1;i--)
     
113.         {AD9854_SetSine_double(i*1000000.0,Vppin100mv[i-1]*10);
     
114.         Vpp=GetVpp();
     
115.         printf("A%d,%f\r\n",i,Vpp);
     
116.         printf("A%f,%f\r\n",i+0.5,Vpp);        
     
117.         OLED_ShowNum(48,4,Vpp,4,16);
     
118.         OLED_ShowNum(48,2,i,4,16);
     
119.         }
     
120.         }
     
121. }
     
122. void sweep3_100mv()
     
123. {
     
124.         u8 i;
     
125.         u8 j;
     
126.         {
     
127.         for(i=1;i<=50;i++)
     
128.         {AD9854_SetSine_double(i*1000000.0,Vppin100mv[i-1]*10);
     
129.         Vpp=GetVpp();
     
130.         Vpp_num[i-1]=Vpp;
     
131.         OLED_ShowNum(48,4,Vpp,4,16);
     
132.         OLED_ShowNum(48,2,i,4,16);
     
133.         }
     
134.         
     
135. for(j=0;j<200;j++)
     
136. {
     
137.         for(i=1;i<50;i++)
     
138.         {
     
139.         Dac1_Set_Vol(i*66);//PA4
     
140.         Dac2_Set_Vol((Vpp_num[i-1]-0.5)*1650);//PA5
     
141.         delay_us(100);
     
142.         }
     
143. }
     
144.         
     
145. //        for(i=50;i>1;i--)
     
146. //        {AD9854_SetSine_double(i*1000000.0,Vppin100mv[i-1]*10);
     
147. //        Vpp=GetVpp();
     
148. //        Vpp_num[i-1]=Vpp;
     
149. 
     
150. //        }
     
151. //        for(i=50;i>1;i--)
     
152. //        {
     
153. //        Dac1_Set_Vol(i*66);//PA4
     
154. //        Dac2_Set_Vol((Vpp_num[i-1]-0.5)*1650);//PA5
     
155. //        delay_us(100);
     
156. //        }
     
157.         }
     
158. }
     
159. void Test_key()
     
160. {
     
161. u8 KeyValue=0;
     
162. u8 RepeatCnt=0;
     
163. u8 FnKeyValue=0;
     
164.         ZLG7290_ReadReg(ZLG7290_Key,&KeyValue);
     
165.         ZLG7290_ReadReg(ZLG7290_RepeatCnt,&RepeatCnt);
     
166.         ZLG7290_ReadReg(ZLG7290_FunctionKey,&FnKeyValue);
     
167. {                        AD9854_Init();
     
168. printf("%d\r\n",KeyValue);
     
169. if(Mode==1)//点频
     
170. {
     
171.         switch (KeyValue)
     
172.         {
     
173.         case 4:
     
174.                 Mhz++;
     
175.                 break;
     
176.         case 3:        
     
177.                 Mhz--;
     
178.                 break;
     
179.         case 2:
     
180.                 Vppin+=1;
     
181.         break;
     
182.         case 1:
     
183.                 Vppin-=1;
     
184.         break;
     
185.         
     
186.         case 20:
     
187.                 Mhz+=10;
     
188.         break;
     
189.         case 19:
     
190.                 Mhz-=10;
     
191.         break;
     
192.         case 18:
     
193.                 Vppin+=10;
     
194.         break;
     
195.         case 17:
     
196.                 Vppin-=10;
     
197.         break;
     
198.         }
     
199. 
     
200.         num_goback();
     
201.         OLED_ShowNum(48,2,Mhz,4,16);
     
202.         OLED_ShowNum(48,4,Vppin,4,16);
     
203. }
     
204. 
     
205. if(Mode==2)
     
206. {
     
207.         if(FnKeyValue==255)
     
208.         {
     
209.                 switch (KeyValue)
     
210.                 {
     
211.                 case 4:
     
212.                         sweep_step+=10;;
     
213.                         break;
     
214.                 case 3:        
     
215.                         sweep_step-=10;
     
216.                         break;
     
217.                 case 2:
     
218.                         Vppin+=1;
     
219.                 break;
     
220.                 case 1:
     
221.                         Vppin-=1;
     
222.                 break;
     
223.                 case 20:
     
224.                         sweep_step+=100;
     
225.                 break;
     
226.                 case 19:
     
227.                         sweep_step-=100;
     
228.                 break;
     
229.                 case 18:
     
230.                         Vppin+=10;
     
231.                 break;
     
232.                 case 17:
     
233.                         Vppin-=10;
     
234.                 break;
     
235.                 }
     
236.         num_goback();
     
237.         OLED_ShowNum(48,2,sweep_step,4,16);
     
238.         OLED_ShowNum(48,4,Vppin,4,16);
     
239.         }
     
240.         if(FnKeyValue==254)//调范围
     
241.         {        switch (KeyValue)
     
242.                 {
     
243.                 case 4:
     
244.                         sweep_start+=1;
     
245.                         break;
     
246.                 case 3:        
     
247.                         sweep_start-=1;
     
248.                         break;
     
249.                 case 2:
     
250.                         sweep_end+=1;
     
251.                 break;
     
252.                 case 1:
     
253.                         sweep_end-=1;
     
254.                 break;
     
255.                 case 20:
     
256.                         sweep_start+=10;
     
257.                 break;
     
258.                 case 19:
     
259.                         sweep_start-=10;
     
260.                 break;
     
261.                 case 18:
     
262.                         sweep_end+=10;
     
263.                 break;
     
264.                 case 17:
     
265.                         sweep_end-=10;
     
266.                 break;
     
267.                
     
268.                 }        
     
269.                 num_goback();
     
270.                 OLED_ShowNum(48,6,sweep_start,2,16);        
     
271.                 OLED_ShowNum(72,6,sweep_end,2,16);        
     
272.         }
     
273. }
     
274. if(KeyValue>=9&&KeyValue<=12)
     
275. {
     
276. OLED_Clear();
     
277. switch (KeyValue)
     
278. {        
     
279.         case 12:
     
280.                 Mode=1;
     
281.                 showCinese_byrow(0,0,0,"45860");
     
282.                 showCinese_byrow(0,1,0,"018");
     
283.                 showCinese_byrow(0,2,0,"238");
     
284.                 OLED_ShowNum(48,2,Mhz,4,16);
     
285.                 OLED_ShowNum(48,4,Vppin,4,16);
     
286.                 OLED_ShowString(96,2,"Mhz",16);
     
287.                 OLED_ShowString(96,4,"mV",16);
     
288. 
     
289. …………限于本文篇幅 余下代码请从51黑下载附件…………
     
290. 
     

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全部资料下载（含完整的源码与word格式的文档）：
无线幅频仪设计资料.7z (4.46 MB, 下载次数: 128)

2021-8-24 17:43 上传

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正好准备用AD9854

谢谢分享！

谢谢分享

很好的资料，刚好电赛可以用到，谢谢分享！

楼主，请问你的VCA824电路是怎么接的？单电源好像手册都没有参考电路

17年大二，因为有事没参加这次比赛

谢谢楼主分享。楼主很棒

上位机源代码有吗 学习一下

感谢分享 太棒了

王修宇 发表于 2019-7-25 20:22
上位机源代码有吗 学习一下

参考http://www.51hei.com/bbs/dpj-96630-1.html