文常保， 姜燕妮， 楊 窕， 李演明， 巨永鋒

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院 微納電子研究所， 陜西 西安 710064)

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基于VISA-COM的網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺設(shè)計

文常保， 姜燕妮， 楊 窕， 李演明， 巨永鋒

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院 微納電子研究所， 陜西 西安 710064)

針對網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試的局限及實驗教學(xué)遠(yuǎn)程測試的需求問題，提出了一種基于VISA-COM的網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺，包括預(yù)處理模塊、實驗測試模塊以及生成文件模塊。通過LAN通信接口設(shè)備，搭建VISA-COM函數(shù)庫的PC機(jī)發(fā)送SCPI遠(yuǎn)程程序控制指令，從而控制網(wǎng)絡(luò)分析儀完成儀器測量過程。以中心頻率為101.764 MHz的聲表面波器件的遠(yuǎn)程測試為例，對網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺的可行性進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明,該網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠(yuǎn)程連接、校準(zhǔn)、測量分析與數(shù)據(jù)和圖像的遠(yuǎn)程保存。此外，該遠(yuǎn)程測試平臺還實現(xiàn)了對測試對象的標(biāo)記分析、極限分析和比較分析。

VISA-COM； LAN通信接口； 遠(yuǎn)程測試平臺； 聲表面波器件

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠在寬頻帶范圍內(nèi)對反射系數(shù)、電壓駐波比、衰減、相移和群延時等傳輸參數(shù)以及隔離度和定向度等參數(shù)進(jìn)行測量[1-2]，因此，在射頻、微波等測試領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

然而，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀功能強(qiáng)大且精度高所以價格相對昂貴，測試環(huán)境要求也比較苛刻，使其應(yīng)用范圍和場合受到了很大的局限[3-5]。同時，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以及實驗、研究人員對于遠(yuǎn)程測試需求的不斷增加，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠(yuǎn)程測試對于實踐教學(xué)和科學(xué)研究來說都具有十分重要的意義[6-11]。

結(jié)合組件對象模型的虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(Virtual Instrument Software Architecture-Component Object Model,VISA-COM)是一種利用所包含的豐富接口協(xié)議來解決多種儀器間通信的新興技術(shù)[12-13]。這種技術(shù)將可編程儀器的(Standard Commands for Programmable Instruments,SCPI)標(biāo)準(zhǔn)命令與儀器通信總線連接，實現(xiàn)對儀器的程序控制。同時，VISA-COM可以同時支持C++、VB、Java、Delphi等多種高級語言開發(fā)，具有較強(qiáng)的移植性、可擴(kuò)性和兼容性。因此，被包括HP、Tektronix、Fluke、NI、Philips、Agilent和Wavetek等多家世界著名儀器廠家應(yīng)用到儀器總線的程序控制方面[14-15]。

正是基于網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試的需要，以及VISA-COM可以通過LAN接口通信設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程程控的特點，將VISA-COM技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠(yuǎn)程測試成為可能。本文結(jié)合SCPI程序控制命令，在Agilent E5062A網(wǎng)絡(luò)分析儀上設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于VISA-COM的網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺。

1 網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺主要包括預(yù)處理模塊、測試模塊和生成文件模塊。測試平臺上的遠(yuǎn)程用戶端通過LAN接口設(shè)備與實驗室儀器端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。測試人員通過調(diào)用包含三大模塊的主程序控制網(wǎng)絡(luò)分析儀完成對待測器件DUT(Device Under Test)的相關(guān)實驗過程。其遠(yuǎn)程測試平臺結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程測試平臺結(jié)構(gòu)圖

預(yù)處理模塊用來實現(xiàn)測試平臺與網(wǎng)絡(luò)分析儀的連接，是開始測試實驗前必要進(jìn)行的初始化工作。其主要功能包括：遠(yuǎn)程用戶端PC機(jī)登錄填寫個人信息、登錄界面；完成與實驗室儀器端網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)備連接；對所連接的儀器進(jìn)行測量校準(zhǔn)。其中，PC機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)備連接成功是遠(yuǎn)程測試平臺建立并實現(xiàn)測試的前提，并且，對網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量校準(zhǔn)是保準(zhǔn)測試結(jié)果準(zhǔn)確的必要步驟。

測試模塊是遠(yuǎn)程測試平臺的核心部分。主要功能包括測量設(shè)置及測試實驗兩大部分。測量設(shè)置包括系統(tǒng)重置按鍵及對測量中需要設(shè)定的S參數(shù)、測量項目類型、中心頻率、帶寬、掃描功率范圍和中頻帶寬共7個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)重置將測量儀器參數(shù)初始化，恢復(fù)到儀器默認(rèn)值，參數(shù)設(shè)置是根據(jù)不同測試要求完成對測量儀器的參數(shù)設(shè)定。測試實驗設(shè)計完成不同的實驗項目，如對DUT進(jìn)行的頻率響應(yīng)特性實驗和史密斯阻抗特性測量實驗等。

測量參數(shù)中，S參數(shù)是用于評估遠(yuǎn)程測試平臺上的雙端口器件發(fā)射信號和傳送信號的性能參數(shù)，包括S11、S21、S12、S22共4個散射參量。S11為網(wǎng)絡(luò)分析儀端口2匹配時，端口1的反射系數(shù)；S21為端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)；S12為端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)；S22為端口1匹配時，端口2的反射系數(shù)。4個S參數(shù)對雙端口器件的傳輸和反射特性給出清晰的物理解釋，對應(yīng)的散射矩陣為:

式中:a1、a2分別為網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1、端口2的出射波信號;b1、b2是經(jīng)過雙端口器件傳輸和反射后端口1、端口2的入射波信號。

生成文件模塊的主要功能是完成對測試結(jié)果圖像的顯示、測試數(shù)據(jù)的存儲以及測量文件的保存和導(dǎo)出。測試人員可從文件中選擇所需要的數(shù)據(jù)完成對實驗報告的撰寫或?qū)嶒灲Y(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。

2 基于VISA-COM的遠(yuǎn)程測試平臺設(shè)計

遠(yuǎn)程用戶端上搭建的網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺可以自助運行，測試人員在友好的平臺界面下通過點擊鼠標(biāo)完成網(wǎng)絡(luò)分析儀的連接、測試，及對實驗數(shù)據(jù)及圖像文件進(jìn)行保存及導(dǎo)出。

2.1 預(yù)處理模塊設(shè)計

預(yù)處理模塊完成平臺初始登錄界面顯示及與程控儀器的設(shè)備連接功能，包括客戶端登錄(CL)、設(shè)備連接(IC)及測量校準(zhǔn)(MC)三部分，如圖2所示。

測試人員登錄遠(yuǎn)程測試平臺，首先需進(jìn)行設(shè)備連接，建立網(wǎng)絡(luò)分析儀與PC機(jī)的通信通道。對設(shè)備連接部分的設(shè)計流程為首先定義設(shè)備類型，建立資源管理器以及初始化。其次發(fā)送相應(yīng)的SCPI命令，建立通信通道，連接成功，退出，否則提示連接出錯。設(shè)備連接部分的關(guān)鍵代碼實例如下：

W = Combo1.ListIndex

If W = 0 Then

Set Age506x.IO = ioMgr.Open("TCPIP::192.168.1.66::inst0::INSTR")

ElseIf Len(Combo1.Text) Then

hosthome = Combo1.Text

Set Age506x.IO = ioMgr.Open("hosthome")

End If

圖2 預(yù)處理模塊結(jié)構(gòu)圖

測試校準(zhǔn)部分的設(shè)計包括校準(zhǔn)類型、校準(zhǔn)套件及保存狀態(tài)，如圖2所示。校準(zhǔn)類型囊括了網(wǎng)絡(luò)分析儀所有的校準(zhǔn)方式。校準(zhǔn)套件設(shè)置采用組合控件，包括了85032F及85033E兩種常用的校準(zhǔn)套件。保存狀態(tài)保存校準(zhǔn)后的狀態(tài)，設(shè)置了保存類型及保存路徑，測試人員可直接調(diào)用已保存的狀態(tài)，免除重復(fù)校準(zhǔn)的繁瑣過程。測量校準(zhǔn)部分設(shè)計程序采用調(diào)用子函數(shù)的方式進(jìn)行，子函數(shù)包括了開路校準(zhǔn)、短路校準(zhǔn)、傳輸校準(zhǔn)等多個校準(zhǔn)類型。開路校準(zhǔn)子函數(shù)關(guān)鍵部分程序設(shè)計如下：

Sub Cal_Open(Port As String)

Dim Dummy As Variant

Age506x.WriteString":SENS1:CORR:COLL:METH:OPEN " & Port & vbLf, True

MsgBox "Set OPEN to Port " & Port & ". Then click [OK] button"

Age506x.WriteString":SENS1:CORR:COLL:OPEN " & Port & vbLf, True

Age506x.WriteString "*OPC?" & vbLf, True

Dummy = Age506x.ReadString

Call ErrorCheck

End Sub

2.2 測試模塊及生成文件模塊設(shè)計

測試模塊是網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺的重要組成部分，對測量參數(shù)設(shè)置的設(shè)計采用組合框設(shè)計方法，不僅可以選定預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)，而且可以自主輸入數(shù)值。

測試實驗的類型包括幅頻、相頻和阻抗三大類型實驗，幅頻實驗選擇控件為“Log Mag”，相頻實驗選擇控件包括“Phase”和“Group Delay”，阻抗實驗選擇控件有“mith-Lin/Phase”“Smith-Log/Phase”“Smith-Real/Imag”“Smith-R+jX”及“Smith-G+jB”5個實驗類型。測試模塊及生成文件模塊的設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 測試及生成文件模塊設(shè)計流程圖

對測量設(shè)置部分的設(shè)計是首先定義所需變量，然后用條件語句來判斷用戶設(shè)置和輸入的數(shù)據(jù)，將輸入的數(shù)據(jù)保存復(fù)制于一個已定義的變量，如StartVal，將其與SCPI控制命令結(jié)合控制網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。默認(rèn)參數(shù)的設(shè)置編程主要代碼如下：

Age506x.WriteString"SENS1:BAND 30000", True

Age506x.WriteString":SENS1:SWE:POIN 400", True

Age506x.WriteString":CALC1:FORM MLOG", True

Age506x.WriteString":SENS1:FREQ:CENT " + StartVal, True

Age506x.WriteString":CALC1:PAR1:DEF S21", True

Age506x.WriteString":SOUR1:POW:ATT 0", True

Age506x.WriteString":SENS1:FREQ:SPAN " + StartVal, True

測試實驗及生成文件設(shè)計部分主要通過計算機(jī)向網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)送SCPI命令，遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)分析儀完成相應(yīng)的幅頻、相頻及阻抗實驗，并且對測量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記、極限分析及比較分析，最后將測量數(shù)據(jù)和圖片等進(jìn)行顯示和保存。關(guān)鍵代碼如下：

Age506x.WriteString":SENS1:FREQ:DATA?"，True

FreqData=Age506x.ReadIEEEBlock(BinaryType_R8，F(xiàn)alse，True)

Age506x.WriteString":CALC1:DATA:FDAT?", True

ReadData=Age506x.ReadIEEEBlock(BinaryType_R8 False, True)

3 平臺測試及結(jié)果分析

為了驗證網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺的可行性，以一種中心頻率為101.764 MHz的聲表面波器件的遠(yuǎn)程測試實驗為例進(jìn)行說明。

遠(yuǎn)程用戶端登錄該測試平臺后，首先進(jìn)行設(shè)備連接，即將網(wǎng)絡(luò)分析儀的IP地址與PC機(jī)進(jìn)行連接，完成設(shè)備連接運行界面及連接成功提示界面如圖4所示。

對實驗室儀器端網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)主要完成校準(zhǔn)類型、校準(zhǔn)套件、校準(zhǔn)端口的選擇及校準(zhǔn)狀態(tài)的保存。測試中選擇85032F校準(zhǔn)套件進(jìn)行雙端口校準(zhǔn)。雙端口校準(zhǔn)對測量儀器端口1和端口2分別進(jìn)行開路校準(zhǔn)、短路校準(zhǔn)、負(fù)載校準(zhǔn)以及傳輸校準(zhǔn)，減少儀器測量誤差。依據(jù)遠(yuǎn)程測試平臺提示，測試人員逐步完成對儀器的校準(zhǔn)過程。遠(yuǎn)程測試平臺完成校準(zhǔn)過程的測試圖如圖5所示。

圖4 設(shè)備連接運行及連接成功提示界面

圖5 校準(zhǔn)運行界面圖

對聲表面波器件的幅頻、相頻及阻抗三大測量類型中，選擇完成對聲表面波器件的幅頻傳輸特性S21進(jìn)行測試。將聲表面波器件接入網(wǎng)絡(luò)分析儀測試端口，首先完成測量參數(shù)的設(shè)置，運行界面如圖6所示。

圖6 測量參數(shù)設(shè)置運行界面圖

點擊OK，遠(yuǎn)程測試平臺進(jìn)行實驗，同時測量結(jié)果圖形及數(shù)據(jù)會實時動態(tài)顯示在PC機(jī)屏幕上，如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程測試平臺測試圖

聲表面波器件的傳輸特性在中心頻率101.764 MHz時損耗最小，測試人員可以設(shè)置保存類型及保存路徑，點擊Save按鍵，從而對測量結(jié)果進(jìn)行保存，方便進(jìn)一步實驗分析，如圖8所示。數(shù)據(jù)處理是對在不同頻率下掃描點的聲表面波器件各項參數(shù)的響應(yīng)值進(jìn)行輸出顯示、保存、傳輸。如圖9所示，測量數(shù)據(jù)以Excel列表形式顯示，輸入保存文件名及保存路徑，測量數(shù)據(jù)保存。

圖8 幅頻傳輸特性測量界面

圖9 測試數(shù)據(jù)顯示保存運行界面

利用該遠(yuǎn)程測試平臺，可以對測量的結(jié)果進(jìn)行分析，包括標(biāo)記分析、極限分析及比較分析。通過點擊遠(yuǎn)程測試平臺相應(yīng)菜單及按鍵，完成對聲表面波器件的測量結(jié)果分析。

測試人員可以通過標(biāo)記分析對聲表面波器件測量功率范圍內(nèi)的任意一點進(jìn)行標(biāo)記計算，在Frequency處輸入頻率，點擊Maker按鍵，就會顯示相應(yīng)頻率處的響應(yīng)值，多次輸入會累積頻率和響應(yīng)值，如圖10所示。添加導(dǎo)出路徑，可通過Export按鍵將多次標(biāo)記結(jié)果導(dǎo)出保存。

圖10 標(biāo)記分析運行界面

在極限分析運行框內(nèi)輸入對應(yīng)值，完成對聲表面波器件傳輸特性的鑒定，對損耗過大的聲表面波器件進(jìn)行篩選，并對沒通過極限測試的掃描點進(jìn)行導(dǎo)出保存，如圖11所示。對聲表面波器件的比較分析是對不同測量類型的實驗進(jìn)行結(jié)果比較，單窗口分析更易觀察每一頻率點處傳輸損耗與對應(yīng)S11反射損耗值。由圖12可以看出，聲表面器件中心頻率點處反射損耗最大，值為-72.36 dB，此時傳輸損耗最小，值為-27.532 dB。

圖11 極限分析運行界面

圖12 比較分析單窗口運行界面

4 結(jié) 語

本文開發(fā)了一種應(yīng)用于Agilent E5062A網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠(yuǎn)程測試平臺。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀遠(yuǎn)程測試平臺將網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件資源與PC機(jī)軟件資源進(jìn)行有效結(jié)合，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信息時代遠(yuǎn)程仿真、測試以及實驗數(shù)據(jù)保存一體化過程，減少了測試工作量，降低了實驗成本。遠(yuǎn)程測試平臺可進(jìn)一步完善應(yīng)用于其他實驗項目，為教學(xué)及研究提供更加高效、便利的信息化平臺。

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Remote Measurement Platform of Network Analyzer Based on VISA-COM

WENChang-bao,JIANGYan-ni,YANGTiao,LIYan-ming,JUYong-feng

(Institute of Micro-nanoelectronics, School of Electronics and Control Engineering, Chang’an University，Xi’an 710064， China)

In order to solve the limitation of remote measurement on network analyzer and the demand of remote measurement problems in experimental teaching, a remote measurement platform of network analyzer based on VISA-COM is proposed. There are three functional modules in the remote measurement platform which are the pretreatment module, the testing module and the file generated module. The PC with VISA-COM library sends SCPI remote program control order to control the experiments of network analyzer via to the LAN communication interface equipment. A remote measurement of SAW device with the center frequency of 101.764 MHz is experimented to verify the feasibility of platform. The experimental results confirm that the remote network platform can realize the remote connection of network analyzer, the calibration, the measurement analysis and the remote storage of data and images. Furthermore, the remote measurement platform completes the marker analysis of the measuring object, the limit analysis and the comparative analysis.

VISA-COM; LAN communication interface; remote measurement platform; surface acoustic wave (SAW) device

2016-01-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(60806043)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2015JM6271)；陜西高等教育教學(xué)改革研究項目(15BY23)。

文常保(1976-)，男，山西運城人，博士/博士后，教授，主要從事真空微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究。

Tel.：15902962067； E-mail：estlab@chd.edu.cn

TP 391; G 311; TN 65

A

1006-7167(2016)09-0054-05