聶 鵬，宋 平，徐 濤，韓 嬌

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

基于LAN總線的頻譜儀控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

聶 鵬，宋 平，徐 濤，韓 嬌

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

闡述了一套基于LAN總線的頻譜儀自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)以圖形化編程語(yǔ)言labview為開發(fā)平臺(tái),引入虛擬儀器這一概念，通過(guò)VISA函數(shù)庫(kù)和SCPI命令進(jìn)行編程，通過(guò)LAN總線與計(jì)算機(jī)連接傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了對(duì)頻譜儀的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，提高了測(cè)量的效率和測(cè)量精度，且易于和其他儀器連接做進(jìn)一步的系統(tǒng)開發(fā)。

LAN總線；虛擬儀器技術(shù)；Labview；頻譜儀

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)在自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。頻譜儀作為測(cè)試領(lǐng)域的重要儀器，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而使用傳統(tǒng)的手動(dòng)操作頻譜儀進(jìn)行測(cè)量耗時(shí)耗力，測(cè)量結(jié)果的可靠性也不高，顯然已經(jīng)不能滿足當(dāng)今時(shí)代測(cè)試系統(tǒng)的要求，因而開發(fā)自動(dòng)化的測(cè)試系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。而儀器控制技術(shù)作為虛擬儀器技術(shù)重要內(nèi)容之一，則成為開發(fā)自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文在labview開發(fā)環(huán)境下，應(yīng)用儀器控制技術(shù)，通過(guò)VISA庫(kù)函數(shù)及SCPI命令進(jìn)行編程，通過(guò)LAN總線接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)頻譜儀的控制。

1 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)系統(tǒng)要求，測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分主要由AV4036型號(hào)頻譜儀、LAN總線、毫米波天線發(fā)射機(jī)和計(jì)算機(jī)組成。測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

AV4036頻譜儀是一種在測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的儀器，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)向測(cè)量?jī)x器移植的產(chǎn)物，能通過(guò)總線接受外來(lái)信號(hào)命令改變內(nèi)部狀態(tài)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程受計(jì)算機(jī)控制，能夠靈活接受命令，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。頻譜儀和PC機(jī)的連接采用LAN總線，使用labview提供的MAX儀器配置工具對(duì)頻譜儀進(jìn)行配置。配置時(shí)要設(shè)置頻譜儀的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并使頻譜儀的網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼和計(jì)算機(jī)的相同。完成配置后PC機(jī)即可通過(guò)LAN總線對(duì)頻譜儀發(fā)送命令從而進(jìn)行控制，使得頻譜儀能實(shí)現(xiàn)多種功能。

LAN(local-area networking)總線是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。LAN為計(jì)算機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。LAN應(yīng)用于儀器控制的歷史并不長(zhǎng)，在儀器控制總線的應(yīng)用仍只占一小部分，但同GPIB總線相比仍具備了不可替代的優(yōu)勢(shì)。LAN總線相比于GPIB總線系統(tǒng)搭建成本要低廉而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)要容易。同時(shí)LAN總線突破了GPIB總線在長(zhǎng)度上的限制，增加了儀器遠(yuǎn)程控制的距離，這也是LAN總線最明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)突破了GPIB總線傳輸速度慢，當(dāng)系統(tǒng)需要長(zhǎng)距離分布式的測(cè)量或需要測(cè)量?jī)x靠近測(cè)量源而遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)時(shí)，這種距離上的優(yōu)勢(shì)就顯得尤為重要。LAN總線比GPIB總線等具有更高的帶寬，可靠性也比較高。LAN總線便于增加系統(tǒng)連接儀器的數(shù)目，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。另外，LAN總線允許測(cè)量?jī)x器連接以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 虛擬儀器軟件構(gòu)架

虛擬儀器軟件構(gòu)架VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)是VPP聯(lián)盟制定的通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器硬件之間進(jìn)行通信的橋梁和紐帶。通常把這個(gè)I/O函數(shù)庫(kù)稱為VISA庫(kù)。VISA庫(kù)為用戶提供了統(tǒng)一的函數(shù)接口，開發(fā)控制程序時(shí)只需根據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)形式進(jìn)行調(diào)用即可，擺脫了不同儀器需要不同I/O接口軟件的狀況。目前大部分都是通過(guò)調(diào)用VISA實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序?qū)x器的控制。VISA定義的I/O接口規(guī)范適用于LAN、GPIB、串口(如RS-232)和其他接口。下圖給出了測(cè)試系統(tǒng)軟件構(gòu)架原理圖。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)軟件構(gòu)架原理圖

2.2 可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令

可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)是1990年由SCPI聯(lián)盟提出的用于解決程控儀器編程進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化的通用程控語(yǔ)言。在IEEE488.2和IEEE754提出的標(biāo)準(zhǔn)代碼和格式的基礎(chǔ)上建立了SCPI標(biāo)準(zhǔn)，它包含了IEEE488.2所提出的通用命令，并且通過(guò)指定通用的控制命令來(lái)對(duì)不同的儀器實(shí)現(xiàn)控制。[1]SCPI最大的特點(diǎn)是它描述的是正在打算測(cè)量的信號(hào)，并不是正在用以測(cè)量信號(hào)的儀器。SCPI語(yǔ)句以ASCII文本的方式存在，因此可以叫入到任何計(jì)算機(jī)測(cè)試編程語(yǔ)言之中。編寫儀器控制程序時(shí)，在儀器提供的儀器用戶手冊(cè)中通常給出用于實(shí)現(xiàn)儀器遠(yuǎn)程控制的SCPI命令庫(kù)，為開發(fā)儀器控制程序提供了便利的條件。SCPI命令分為通用命令和分系統(tǒng)命令。通用命令用來(lái)控制儀器狀態(tài)寄存器、狀態(tài)報(bào)告、同步、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及其它通用功能。所有的通用命令都可以通過(guò)命令字的第一個(gè)“*”被識(shí)別，在IEEE488.2中詳細(xì)定義了通用命令。表1為通用命令集。

表1 通用命令集

分系統(tǒng)命令用來(lái)進(jìn)行測(cè)量、讀取數(shù)據(jù)以及控制儀器設(shè)置等工作，每一個(gè)命令子系統(tǒng)都是對(duì)應(yīng)著頻譜儀內(nèi)部一個(gè)功能模塊的命令集。下面介紹常用到的命令：

(1)[:SENEe]:FREQuency:CENTer該命令是設(shè)置頻譜儀的中心頻率。

(2)[:SENEe]:FREQuency：SPAN該命令是設(shè)置頻譜儀為中心頻率/頻寬模式。

(3)[:SENEe]:FREQuency:STARt/STOP該命令是激活起始頻率，并設(shè)置頻譜儀為起始頻率/終止頻率模式。

(4)[:SENEe]:SWEep:TIME該命令是設(shè)置頻譜儀的掃描時(shí)間。

(5)：TRACe[:DATA]?該命令是返回儀器的軌跡數(shù)據(jù)。

2.3 程控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用labview編寫控制程序，Labview是美國(guó)NI公司推出的可視化的虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，是一款圖形化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，專用于虛擬儀器開發(fā)的語(yǔ)言之一。它結(jié)合了圖形化編程方式的高效性和靈活性，以及包括了幾乎所有測(cè)試測(cè)量工程與自動(dòng)化控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的高端性能和配置功能。同編程工具VB，VC相比，labview具有學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單、便于掌握的優(yōu)點(diǎn)。而且，運(yùn)用labview可以設(shè)計(jì)出形象逼真的用戶界面。

本系統(tǒng)的編程原理是：應(yīng)用VISA函數(shù)庫(kù)，通過(guò)LAN總線接口把SCPI命令送到儀器中，儀器接收命令后進(jìn)行分析，并做出相應(yīng)的響應(yīng)，最后將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)LAN總線接口返回計(jì)算機(jī)，再進(jìn)行進(jìn)一步處理，從而完成儀器的控制。系統(tǒng)的流程圖如下：

圖3 軟件系統(tǒng)流程

在labview中進(jìn)行儀器控制主要進(jìn)行3個(gè)步驟：(1)查閱儀器手冊(cè)，找到儀器所需的SCPI命令。(2)用NI-VISA Write.vi向儀器發(fā)送指令。(3)用NI-VISA Read.vi從儀器中讀回?cái)?shù)據(jù)。整個(gè)labview程序框圖采用順序結(jié)構(gòu)：頻譜儀初始化、設(shè)置頻譜儀初始參數(shù)、讀取頻譜儀參數(shù)、最后關(guān)閉頻譜儀，在進(jìn)行參數(shù)下發(fā)和讀取時(shí)嵌套循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)[2]。下面分析關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1 設(shè)置頻譜儀初始參數(shù)

在labview中對(duì)頻譜儀的中心頻率、跨度、起始/終止頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其部分程序框圖如下：

通過(guò)VISA函數(shù)模板對(duì)頻譜儀寫入SCPI命令并設(shè)置頻譜儀的起始/終止頻率，首先用VISA Open函數(shù)打開VISA資源,設(shè)置終止符“ ”，然后用VISA Write函數(shù)寫入設(shè)置起始/終止頻率命令，這里用到字符串函數(shù)功能格式化寫入字符串將SCPI命令寫入并能在前面板輸入起始終止頻率，最后用VISA Close函數(shù)關(guān)閉VISA資源。

圖4 設(shè)置起始/終止頻率的程序框圖

2.3.2 數(shù)據(jù)的讀取

本設(shè)計(jì)不但向頻譜儀發(fā)送控制命令，而且還需要從頻譜儀讀取測(cè)量結(jié)果并保存，頻譜儀的數(shù)據(jù)采集程序如下圖所示。

圖5 頻譜儀數(shù)據(jù)讀取程序框圖

通過(guò)VISA函數(shù)模板對(duì)頻譜儀寫入SCPI命令并從頻譜儀讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，首先用VISA Open函數(shù)打開VISA資源,然后用VISA Write函數(shù)寫入數(shù)據(jù)采集命令“TRAC:DATA?TRACE 1”,接著VISA Read函數(shù)讀取頻譜儀數(shù)據(jù),最后用VISA Close函數(shù)關(guān)閉VISA資源。數(shù)據(jù)采集程序采用While循環(huán)結(jié)構(gòu),考慮到數(shù)據(jù)通信的時(shí)間延遲,循環(huán)間隔設(shè)定為500 ms。

2.3.3 頻譜儀波形參數(shù)的解析

頻譜儀開始采集被測(cè)信號(hào)后，被測(cè)信號(hào)波形顯示在屏幕上，還需對(duì)波形相關(guān)參數(shù)(峰值頻率、峰值幅度等)進(jìn)行采集，以方便對(duì)數(shù)據(jù)的處理。其部分程序框圖如下。

測(cè)試時(shí)通過(guò)SCPI命令控制頻譜儀在最大保持掃描模式下進(jìn)行測(cè)量，打開頻標(biāo)1，查詢到頻標(biāo)1的最大值，查詢頻標(biāo)1最大值的橫坐標(biāo)值即為測(cè)量信號(hào)的頻率值，最大值處的縱坐標(biāo)值即為測(cè)量信號(hào)的幅值。

2.3.4 全局變量

全局變量是控制系統(tǒng)參數(shù)跟蹤功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)中包含多個(gè)VISA資源，在編程時(shí)要在不同的子VI多次打開接口資源。由于頻譜儀的SCPI命令庫(kù)非常龐大，編程時(shí)使用這些命令比較繁瑣。為了方便這些接口資源以及SCPI命令的管理和使用，引入了全局變量。全局變量把兩個(gè)獨(dú)立的VI聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)不同VI之間的通信，使得異步的任務(wù)共享信息。

2.3.5 事件驅(qū)動(dòng)技術(shù)

Event Structure是事件驅(qū)動(dòng)編程技術(shù)，使用事件來(lái)控制程序的運(yùn)行，使其在不同的分支之間跳轉(zhuǎn)。相比于用For循環(huán)等進(jìn)行循環(huán)方式進(jìn)行編程，此技術(shù)可以避免循環(huán)方式帶來(lái)的CPU浪費(fèi)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)滯后的缺點(diǎn)，提高整個(gè)程序的運(yùn)行速度。

圖6 頻頻儀采集信號(hào)部分程序

本設(shè)計(jì)將事件驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用到參數(shù)下發(fā)這一事件，將每個(gè)參數(shù)下發(fā)作為一個(gè)事件對(duì)事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行定義，當(dāng)有新的參數(shù)下發(fā)時(shí)，事件驅(qū)動(dòng)得到通知進(jìn)入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序；若無(wú)參數(shù)下發(fā)，事件驅(qū)動(dòng)則處于睡眠狀態(tài)直到預(yù)先設(shè)定的事件發(fā)生時(shí)才會(huì)蘇醒，程序不會(huì)一直處于循環(huán)狀態(tài)。

3 測(cè)試結(jié)果

本測(cè)試系統(tǒng)過(guò)程是由毫米波天線發(fā)射機(jī)發(fā)出信號(hào)，其頻率為35 GHz，通過(guò)天線接收由頻譜儀測(cè)量其參數(shù)，頻譜儀的參數(shù)設(shè)置如下圖所示。

圖7 頻譜儀的參數(shù)設(shè)置

頻譜儀測(cè)量天線的頻率和幅值的結(jié)果如下圖所示。

圖8 測(cè)量天線的頻率和幅值

經(jīng)過(guò)同頻譜儀自身顯示的數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比，本測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是和其相同的。

4 結(jié)論

虛擬儀器以其可視化、低成本的優(yōu)勢(shì)被更多的程序員所采用，其已成為自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域的主流。Labview作為圖形化測(cè)試系統(tǒng)的一種專用工具得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文采用了labview編寫的程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)頻譜儀的控制。文中介紹了系統(tǒng)的硬件的結(jié)構(gòu)和功能，和軟件的流程，分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)如全局變量、事件驅(qū)動(dòng)等技術(shù)。本系統(tǒng)易于和其他測(cè)試儀器(如示波器、功率計(jì))組成測(cè)試系統(tǒng)為進(jìn)一步開發(fā)天線測(cè)試系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：李丹莉)

ConroltechnologyforspectrumanalyzerbaseonLANbus

NIE Peng,SONG Ping,XU Tao,HAN Jiao

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Shenyang Aerospce University,Shenyang 110136,China)

The essay describes the design of an automated control system for spectrum analyzer based on LAN bus.Using the graphical programming language Labview as the development platform,the system connects with computer by LAN bus to transfer data by introducing the concept of virtual instrument and programming through the VISA function library and the SCPI command.The system improves the efficiency and precision of measurement.It is easier to operate and link to other instruments for further systematical development.

LAN bus;virtual instrumental technology;Labview;spectrum analyzer

2014-09-18

聶鵬(1972-)，男，吉林吉林人，教授，主要研究方向：測(cè)控技術(shù)。E-mail:niehit@163.com。

2095-1248(2014)06-0042-06

TP311

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.06.008