python基于千兆以太网的FPGA频谱分析,上位机部分

原创已于 2025-12-05 15:07:06 修改 · 3.1k 阅读

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#python #matplotlib #pyqt #fpga开发

于 2023-03-07 11:13:20 首次发布

本文详细介绍了如何使用Python的scapy库进行以太网数据抓包，实现实时频谱分析。项目通过监听网口数据，利用sniff函数抓取UDP包，然后进行FFT变换以显示频谱。在设计中，使用了线程来处理实时数据和图形更新，同时利用matplotlib在Pyqt5界面中嵌入动态图。文章还提到了遇到的问题，如数据包处理和线程同步，并分享了解决方案。

一、背景

该项目原课题为基于千兆以太网的FPGA的频谱仪显示，上位机的难点显然不在于FFT的频谱分析，如何实时获取数据，与FPGA进行对接成为主要的难点。

程序语言：python

环境：Anaconda envs:python3.7

平台：Pycharm; Qt designer

参考平台：Wireshark

二、设计原理

首先设计信号监听函数，若有数据输入，则接口正确；若无数据输入则继续监听直到传入数据。接收到数据后根据控件可打开线程，首先是线程一，实时监听数据并将数据存入数组，并附有一个时间轴数组与之对应。主线程为作图函数，首先对接受的数据进行FFT变换，之后对信号与频谱作图并实时刷新。线程二为控制绘图线程，点击控件后会改变绘制条件来结束绘制。逻辑图如下：

三、具体设计

1.基于sniff函数实时抓包以太网网口的数据

首先要安装python抓包的核心库：scapy,之后核心是实时监听网口抓包数据，用到的是sniff函数，它可以用于接收和发包，便于上位机自检。抓包函数只需下面两行：

while 1:
    sniff(filter="udp", prn=pack_callback, iface=IFACES.dev_from_index(11), count=1)
#其中11为以太网的网口，每次接收一个包，prn后的是自己定义的回调函数

其中回调函数可定义，因为基于千兆以太网的FPGA传来的是UDP包，设置过滤为udp，我们需要从抓到的udp包中获得它的数据部分，于是我们可定义以下回调函数：

    def pack_callback(packet):
        p = packet

        # 如果UDP包中含有数据层，则把Raw曾的数据提取出来
        if 'Raw' in p:
            data = p.getlayer(Raw)
            for each in data.load:
                tim = np.append(tim, ttemp / (bagsize *sample_bag))
                # datax为数据数组
                datax = np.append(datax, int(each))
                # ttemp为所有数据的个数
                ttemp += 1  # 数据个数
                # bagsize为一组显示单元，控制数组长度，避免数组无限长导致的开销加大
                if ttemp > bagsize:
                    self.tim = np.delete(self.tim, [0])
                    self.datax = np.delete(self.datax, [0])

tim为时间数组，用于与datax的数据对应，需要将时间归一化。其次需要及时删掉之前的数据防止数组无限大。其中bagsize为一个包中数据部分大小，此处为512，sample_bag为一秒抓包个数，此处为10。这两个参数需要与发包方对接修改。

sniff同时可以自发包自抓包来进行自检，发送一个八个0和八个8循环的方波，长度为512，0.1秒发一个包，注意网口要和抓包那边的网口一致并且存在。发包函数如下定义：


L=[0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8,0,0,0,0,0,0,0,0,8,8,8,8,8,8,8,8]
L3=L[0:512]
line=str(L3)
de=b''.join([bytes([int(i)]) for i in line[1:-1].split(',')])
# # 发送端IP地址不是本机ip地址   目的端IP地址不详      传输层的TCP并未指明数据包类型：syn fin ack 窗口大小 数据包如果分片，要指明序号
pkt = Ether(dst="22:33:44:55:66:77:88")/IP(src='1.1.1.200', dst='2.2.2.200')/UDP(sport=100, dport=200)/de
# # 间隔0.1秒发送一次   总共发送1000次   发送网卡口：11口
sendp(pkt, inter=0.1, count=1000, iface=IFACES.dev_from_index(11))

当时将网口设置为本地连接时没有任何问题，但是改为以太网的网口会出现错误，具体报错也不记得了，但是解决方法是将npcap退回至1.3.1，希望可以有所帮助。

关于sniff函数的具体用法我参照了这篇文章：Scapy 嗅探Python仿真实验（GUI界面）--2.2使用sniff监听网口抓包_谁月的博客-优快云博客

2.FFT作图

在得到实时抓包的数据后，直接调用scipy的fft函数，得到的是一个复数，其中包括了它的幅度、频率等信息，不过需要手动处理（python fft的文章太多了，就不展开了）。主要问题如下：因为需要一边实时抓包一边作图，就需要设置线程。将抓包函数可定义为线程与控件结合，一开始我把matplotlib的作图函数放在线程下导致报错，原因在于matplotlib的相关函数必须放在主线程下。因为要与pyqt5的界面交互显示，用到了下面这些东西：

from matplotlib.pylab import mpl
from matplotlib.backends.qt_compat import QtWidgets
from matplotlib.backends.backend_qtagg import (FigureCanvas, NavigationToolbar2QT as NavigationToolbar)
from matplotlib.figure import Figure

之后便是动态图与UI嵌入设计，从matplotlib中学到具体方法，同时也需要设计回调函数与刷新速率，刷新速率应该与抓包速率相同。回调函数只需要表示你想要画的东西，因为里面的参数在实时修改，所以会进行图像刷新。详见这篇：Embedding in Qt — Matplotlib 3.7.1 documentation

其中刷新速率如下定义：

timer1 = dynamic_canvas.new_timer(1000/sample_bag))

这方面就不多展开了，只需要将上面那篇文章显示与于CentralWidget改为listview便可以进行交互的设计了。ui设计如下：

四、结语

这是在本科第一次做的联合项目，文章介绍了上位机的核心思路，当时拿到课题真的是一无所知，最后还是一步一步做出来了，我把我当时遇到的瓶颈的解决思路向大家分享出来了，剩下的都是简单的码农该干的事了（bushi。希望这篇文章对大家有所帮助。