卜云萍 成絲雨 王道酉 趙 洋 陳 珺

(1.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院神舟學(xué)院，洛陽(yáng) 471003)

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基于模塊化設(shè)計(jì)的自動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)

卜云萍1成絲雨2王道酉1趙 洋1陳 珺1

(1.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，洛陽(yáng) 471003；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院神舟學(xué)院，洛陽(yáng) 471003)

通過(guò)一個(gè)應(yīng)用測(cè)量的完整實(shí)例，介紹了通過(guò)調(diào)用VISA庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種接口智能儀器進(jìn)行程控，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)組成一個(gè)綜合自動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的方法。

GPIB；VISA；信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)

0 引言

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了更高的要求：能夠進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量；能夠快速進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線實(shí)時(shí)測(cè)量和控制，滿足網(wǎng)上遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的要求；能夠?qū)崟r(shí)快速地進(jìn)行信號(hào)分析和處理。所以，傳統(tǒng)儀器為主的測(cè)試方式已經(jīng)不能滿足要求，以計(jì)算機(jī)為核心的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)以顯而易見的優(yōu)勢(shì)正在逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試方式，正是基于此種考慮，我們按照實(shí)際測(cè)試要求構(gòu)建了此信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

本測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)源、頻譜儀、功率計(jì)、示波器和數(shù)字表等常用測(cè)試儀器的綜合控制。系統(tǒng)分割成對(duì)每臺(tái)儀器的單獨(dú)控制，并通過(guò)軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中不同設(shè)備的同步操作，完成靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試。如同時(shí)控制信號(hào)源和頻譜儀，可以完成通信鏈路衰減測(cè)試、天線方向圖測(cè)試等功能。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，利用主控計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬各測(cè)試儀器的控制面板，以圖表、曲線、數(shù)字等多種形式顯示檢測(cè)結(jié)果；利用主控計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理與存儲(chǔ)；通過(guò)GPIB總線、LAN口或RS232串口等總線控制各測(cè)試儀器完成信號(hào)的采集、測(cè)量，控制打印機(jī)打印測(cè)試報(bào)告，從而構(gòu)成一套能夠完成多種測(cè)試功能的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

組建的基于虛擬儀器的信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)主要由包括系統(tǒng)控制器、GPIB接口設(shè)備、GPIB接口板卡、LAN接口設(shè)備及串行接口設(shè)備和各種外設(shè)設(shè)備等硬件模塊組成，其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

硬件系統(tǒng)中的系統(tǒng)控制器就是指控制和統(tǒng)籌各種接口設(shè)備工作的計(jì)算機(jī)，分為現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)是在信號(hào)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各個(gè)測(cè)試、輔助設(shè)備進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)，主要用于近距離的測(cè)量測(cè)試控制；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)局域網(wǎng)上連接的所有現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)和LAN接口設(shè)備的控制，或者直接對(duì)LAN接口設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。GPIB接口設(shè)備，通過(guò)GPIB轉(zhuǎn)接卡連接現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)，由現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交互。串行口設(shè)備直接通過(guò)RS232數(shù)據(jù)傳輸線連接現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)備控制和數(shù)據(jù)交互。在系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的功能是可以互換的，可以通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)從而完成對(duì)各種接口設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)具有以下顯著特點(diǎn)：

1)便攜、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。該系統(tǒng)搭建靈活、便捷，可根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要，選擇使用的測(cè)試設(shè)備，完成系統(tǒng)的硬件連接，通過(guò)系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)試，并利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，很好地滿足了快速、網(wǎng)絡(luò)化工程測(cè)試需求。

2)實(shí)時(shí)、直觀性好。測(cè)試結(jié)果可通過(guò)圖表、曲線、數(shù)字等形式將測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。充分利用計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，出具測(cè)試報(bào)告。

3)軟件兼容、擴(kuò)展性好。該系統(tǒng)利用虛擬儀器的接口技術(shù)完成了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的互換性和可操作性。

3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用虛擬儀器技術(shù)，利用主控計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各測(cè)試設(shè)備的控制，通過(guò)GPIB總線、LAN口或RS232串口等總線來(lái)完成信號(hào)的采集、測(cè)量，從而構(gòu)成一套能夠完成多種測(cè)試功能的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)的分析和處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、通信模塊、報(bào)表生成模塊等模塊組成。各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，這為軟件的設(shè)計(jì)維護(hù)和日后升級(jí)改進(jìn)提供了巨大的便利。其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 設(shè)備接口控制模塊

這個(gè)模塊通過(guò)調(diào)用VISA I/O函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算機(jī)和儀器通訊功能。模塊主要包括I/O接口VISA軟件和儀器驅(qū)動(dòng)程序，其中I/O接口軟件駐留于虛擬儀器系統(tǒng)的系統(tǒng)管理器——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器之間命令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄汉图~帶，為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件層，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心；儀器驅(qū)動(dòng)程序是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，它對(duì)儀器的操作是通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)；儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過(guò)I/O軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(kù)(VISA庫(kù))的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的儀器控制模塊完成對(duì)串行口設(shè)備、GPIB接口設(shè)備及LAN等接口設(shè)備的I/O通信。

3.2 通信模塊

通信模塊負(fù)責(zé)自動(dòng)測(cè)試方式下不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和通信從而完成相應(yīng)的測(cè)試功能。這個(gè)模塊是根據(jù)測(cè)試任務(wù)要求，進(jìn)行測(cè)試過(guò)程配置，選擇所需的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行初始化，設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)中的測(cè)試設(shè)備發(fā)送程控指令，控制測(cè)試設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄，其流程如圖3所示。

圖3 通信模塊程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)必須滿足對(duì)測(cè)試全過(guò)程產(chǎn)生的需要記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效的管理要求，首先要進(jìn)行測(cè)試過(guò)程表設(shè)計(jì)，主要包括儀器程控指令表、測(cè)試過(guò)程信息表、測(cè)試原始數(shù)據(jù)表和測(cè)試數(shù)據(jù)處理表，其中儀器程控指令表用于調(diào)用程控指令來(lái)控制測(cè)試設(shè)備完成相應(yīng)的功能；測(cè)試過(guò)程信息表主要存儲(chǔ)測(cè)試任務(wù)的公共信息，主要包括測(cè)試文件名、測(cè)試設(shè)備名、設(shè)備編號(hào)、測(cè)試時(shí)間、溫度、濕度、測(cè)試人員及備注等字段名，表中的記錄與系統(tǒng)的每次測(cè)試過(guò)程相對(duì)應(yīng)，即每次測(cè)試都將在表中添加一行數(shù)據(jù)來(lái)記錄測(cè)試過(guò)程的真實(shí)情況；測(cè)試原始數(shù)據(jù)表是為了記錄測(cè)試原始數(shù)據(jù)而建立的數(shù)據(jù)表，它也是隨測(cè)試過(guò)程而隨機(jī)產(chǎn)生的，每臺(tái)設(shè)備的每次測(cè)試過(guò)程都將根據(jù)測(cè)試人員的命名產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)表，該類表主要包括功能、量程、頻率、測(cè)量值及檢定時(shí)間等字段名，全面記錄測(cè)試產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)。同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還提供按不同條件對(duì)各種數(shù)據(jù)的查詢功能。

3.4 數(shù)據(jù)處理和分析模塊

數(shù)據(jù)處理和分析模塊主要用于對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行相應(yīng)的分析處理、顯示，主要完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的粗大誤差剔除、求和及求極值等運(yùn)算處理、測(cè)試數(shù)據(jù)的重新組合以及處理結(jié)果的顯示，從而完成系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

3.5 報(bào)表生成模塊

該模塊包括測(cè)試報(bào)告格式設(shè)計(jì)、測(cè)試報(bào)告管理以及測(cè)試報(bào)告輸出三部分。測(cè)試報(bào)告是以存儲(chǔ)的表格樣式形式來(lái)顯示和輸出的。系統(tǒng)內(nèi)置了測(cè)試報(bào)告模板，將報(bào)告模板中需要填充的部分以變量代替，即制作定位符。按照具體的測(cè)試任務(wù)要求，系統(tǒng)選擇需要的參數(shù)自主生成測(cè)試報(bào)告，同時(shí)還具備測(cè)試報(bào)告的輸入、輸出、刪除等管理功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

下面以頻譜測(cè)試為例說(shuō)明系統(tǒng)使用過(guò)程，圖4為其設(shè)備連接示意圖。

系統(tǒng)中主控計(jì)算機(jī)同時(shí)調(diào)用信號(hào)源和頻譜儀來(lái)完成測(cè)試功能，在完成系統(tǒng)硬件連接以后，操作系統(tǒng)軟件先對(duì)彈出的信號(hào)源軟界面進(jìn)行頻率、功率等參數(shù)設(shè)置，再對(duì)頻譜儀軟界面進(jìn)行頻率、跨度、帶寬和掃描時(shí)間等參數(shù)設(shè)置，然后設(shè)置信號(hào)源射頻輸出。測(cè)試開始后，在頻譜儀界面中捕捉到該信號(hào)，因?yàn)椴捎昧颂摂M儀器技術(shù)，所有上述過(guò)程均在主控計(jì)算機(jī)有頻譜圖實(shí)時(shí)顯示。對(duì)于感興趣的測(cè)試數(shù)據(jù)，可選擇保存頻點(diǎn)數(shù)據(jù)或者保存頻譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)操作，將原始數(shù)據(jù)同步保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并提供測(cè)試數(shù)據(jù)查詢、頻譜圖回放、測(cè)試報(bào)告打印等服務(wù)，測(cè)試頻譜圖如圖5所示。

圖4 設(shè)備連接框圖

圖5 頻譜圖顯示

5 結(jié)束語(yǔ)

在該套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，虛擬儀器技術(shù)的采用賦予系統(tǒng)非常強(qiáng)大的儀器控制功能，系統(tǒng)可支持GPIB接口、RS-232串行接口、USB(通用串行總線)和LAN等多種儀器接口，具有很好的通用性和靈活性；通過(guò)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)提供了便利；在數(shù)據(jù)管理方面，建立了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。系統(tǒng)采用中文圖形界面，操作使用簡(jiǎn)便，利用計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、回放，降低了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度，減少了人為操作可能帶來(lái)的失誤，提高了工作效率，在工程實(shí)踐應(yīng)用中具有廣泛借鑒價(jià)值。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.11