張華春，呂繼宇，禹衛(wèi)東

(中國科學院電子學研究所，北京 100190)

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基于虛擬儀器的功率計控制設(shè)計

張華春，呂繼宇，禹衛(wèi)東

(中國科學院電子學研究所，北京 100190)

以LabVIEW虛擬儀器技術(shù)為開發(fā)平臺，構(gòu)建基于Agilent功率計的虛擬功率計的控制設(shè)計. 采用事件結(jié)構(gòu)(Event Structure)技術(shù)，實現(xiàn)實時操作； 運用全局變量技術(shù)，實現(xiàn)控制參數(shù)的實時跟蹤顯示； 用屬性節(jié)點技術(shù)設(shè)置圖形顯示信息； 用報表生成(Report Generation)和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)生成界面美觀、 圖文并茂的報表； 對所獲取測量數(shù)據(jù)給出數(shù)據(jù)處理的過程. 該虛擬功率計解決了測試中無法保存測試波形的缺陷，能夠方便地對Agilent功率計進行軟件控制，在合成孔徑雷達(SAR)系統(tǒng)集成測試中得到了較好的應用.

虛擬儀器技術(shù)； 功率計； LabVIEW； 數(shù)據(jù)處理； 報表生成

0 引 言

合成孔徑雷達系統(tǒng)測試中，系統(tǒng)指標測試任務(wù)較多. 對合成孔徑雷達地面測試系統(tǒng)而言，手動操作臺式儀器存在效率低，數(shù)據(jù)分析及存儲不便等缺點，因此，基于軟件的自動測試系統(tǒng)設(shè)計勢在必行[1]. 而系統(tǒng)測試的主要項目之一是各類信號的功率測量，但在實際使用中，存在功率計操作繁瑣，且無法保存功率計測試波形的問題. 為了方便對Agilent功率計進行操作，簡化操作步驟，提高測試效率，開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的虛擬功率計，在雷達系統(tǒng)測試中顯得尤為必要.

虛擬儀器以計算機硬件為平臺，與儀器系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、 顯示、 傳送和存儲方面的限制，實現(xiàn)了測試儀器集成化、 遠程測控一體化[2]. LabVIEW 是美國國家儀器公司(National Instruments，NI)創(chuàng)立的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發(fā)平臺，是一種圖形編程語言，用于測量、 過程控制及數(shù)據(jù)分析和存儲[3]. 本文利用虛擬儀器技術(shù)，基于NI公司的虛擬儀器平臺LabVIEW8.5，實現(xiàn)了對功率計的軟件控制，使用操作簡便，對被測信號的處理和測量更加快速，對相關(guān)指標的測試結(jié)果準確有效，為系統(tǒng)測試人員提供了一個快速、 便捷的測試平臺.

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)雷達系統(tǒng)測試需要，功率計虛擬儀器控制應當具有如下功能：

1) 具有良好的用戶界面，完全脫離手動操作儀器面板，測試人員通過鍵盤和鼠標完成對功率計的操作；

2) 實時跟蹤測試參數(shù)的設(shè)置(中心頻率、 量程、 通道損耗、 觸發(fā)源、 觸發(fā)沿、 觸發(fā)延遲時間、 時間范圍等)；

3) 實時動態(tài)刷新虛擬儀器顯示波形，可以觀察測試波形的局部信息；

4) 波形和測試結(jié)果以報表形式保存.

圖 1 功率計控制系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the power meter control system

為了實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)組成如圖 1 所示. 系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件由Agilent N1911A功率計、 GPIB總線和工控機組成，GPIB總線作為控制端與儀器之間傳送數(shù)據(jù)的通道，控制端為帶有VXI和GPIB接口的計算機.

圖 2 虛擬功率計LabVIEW主界面Fig.2 LabVIEW main interface of virtual power meter

軟件由LabVIEW編寫，主要由主控界面和測試參數(shù)設(shè)置、 波形顯示控制子界面組成，子界面包括： Channel (通道設(shè)置，包括頻率、 視頻帶寬、 通道損耗、 波形顯示橫/縱坐標量程等設(shè)置)、 Trig/Acq(觸發(fā)選擇設(shè)置，包括觸發(fā)源、 觸發(fā)模式、 觸發(fā)電平、 觸發(fā)沿、 觸發(fā)延遲時間、 觸發(fā)狀態(tài)等設(shè)置)、 波形顯示設(shè)置(實時刷新顯示波形)、 保存波形設(shè)置(波形和測試結(jié)果的保存). 虛擬功率計的主控界面如圖 2 所示： 中間為測試波形顯示區(qū)域，波形顯示橫/縱坐標量程實時跟蹤參數(shù)設(shè)置； 左側(cè)是功率計參數(shù)設(shè)置、 波形顯示及存儲功能按鍵； 上方是Maker顯示、 波形分析按鍵(波形局部放大或縮小)； 下方是測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果的實時顯示，包括峰值功率電平、 均值功率電平、 波形包絡(luò)的上升沿及下降沿、 脈沖寬度和脈沖頂降.

2 虛擬功率計設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 事件結(jié)構(gòu)(Event Structure)技術(shù)

Event Structure是事件結(jié)構(gòu)編程技術(shù)[2]，這種結(jié)構(gòu)能夠響應Notify(通知)事件. Notify事件通知LabVIEW一個動作已經(jīng)發(fā)生，Event Structure得到該事件發(fā)生的通知，立即進入相應的驅(qū)動程序，提高了響應的實時性. 當沒有任何事件發(fā)生時，Event Structure處于睡眠狀態(tài)，等待預先設(shè)定事件的發(fā)生，程序并不處于循環(huán)查詢狀態(tài).

虛擬功率計主程序中使用Event Structure事件結(jié)構(gòu)模式，設(shè)置5個布爾型控件按鈕值改變事件，用來驅(qū)動Preset(初始化)、 Channel(通道設(shè)置)、 Trig/Acq(觸發(fā)設(shè)置)、 波形顯示、 波形存儲設(shè)置等功能，點擊某按鈕后其值得到改變，將觸發(fā)相應的測試過程.

2.2 測試參數(shù)設(shè)置技術(shù)

2.2.1 對儀器寫入控制命令和讀取數(shù)據(jù)

虛擬功率計的設(shè)計基礎(chǔ)，主要是進行儀器I/O操作，完成對儀器發(fā)送命令，從儀器讀回響應數(shù)據(jù)的操作. 對于GPIB的讀/寫操作，調(diào)用VISA Write和VISA Read函數(shù). 圖 3 分別為寫入命令到儀器(Send Control Command.vi)、 從儀器讀回數(shù)據(jù)(Read Data.vi)的程序.

圖 3 儀器的讀寫操作Fig.3 Read and write operations to the instrument

2.2.2 儀器參數(shù)初始化

圖 4 儀器的初始化操作Fig.4 Initialization operation of instrument

向功率計發(fā)送*CLS命令，清除狀態(tài)數(shù)據(jù)寄存器； 發(fā)送SYS:PRES RAD命令，初始化功率計到雷達測試狀態(tài)； 發(fā)送DISP:WIND1:FORM TRAC命令，設(shè)置功率計顯示界面為圖形界面. 儀器初始化程序框圖如圖 4 所示.

2.2.3 儀器參數(shù)控制設(shè)置技術(shù)

對于功率計的儀器參數(shù)設(shè)置包括： 頻率(Frequency)、 帶寬(Video B/W)、 功率偏置(Offset)、 波形橫軸起始位置(XStart ns)、 波形橫軸量程(XScale us/Div)、 波形縱軸最大值(YMax dBm)、 波形縱軸最小值(YMin dBm). 對上述儀器參數(shù)控制的具體實現(xiàn)程序如圖 5 所示.

圖 5 儀器參數(shù)控制實現(xiàn)的程序框圖Fig.5 Block diagram of instrument parameter implementation

對于觸發(fā)選擇Trig/Acq，分別進行觸發(fā)源選擇(內(nèi)部/外部)，發(fā)送指令TRIG:SOUR EXT或TRIG:SOUR INT來實現(xiàn)； 觸發(fā)沿選擇(上升沿/下降沿)，發(fā)送指令TRIG:SLOP POS或TRIG:SLOP NEG來實現(xiàn)； 觸發(fā)模式選擇(自動/電平)，發(fā)送指令TRIG:LEV:AUTO ON或TRIG:SEQ:LEV +前面板的觸發(fā)電平來實現(xiàn)； 觸發(fā)延遲時間，發(fā)送指令TRIG:SEQ:DEL +前面板的觸發(fā)延遲時間來實現(xiàn)； 觸發(fā)狀態(tài)選擇(連續(xù)/單次觸發(fā))，通過發(fā)送指令I(lǐng)NTI:CONT ON或INIT:CONT OFF來實現(xiàn). 實現(xiàn)方式同通道設(shè)置實現(xiàn)一致，不再贅述.

2.3 屬性節(jié)點技術(shù)

前面板上的每一個變量、 控件和對象都有Property Node(屬性節(jié)點)，可以用來控制位置、 可視、 顏色、 Captoin、 Lable等多種信息.

圖 6 按鈕互鎖功能的實現(xiàn)Fig.6 Realization of buttons interlocking function

2.3.1 按鈕互鎖功能的實現(xiàn)

在波形實時顯示過程中，為了不打斷正常的波形實時動態(tài)顯示，需要操作顯示結(jié)束按鈕之后，再進行波形保存操作. 為了避免誤操作，在波形顯示按鈕按下時，即在波形顯示過程中，保存波形按鈕禁用并變灰. 而當顯示結(jié)束時，保存波形按鈕處于啟用狀態(tài)中，利用保存波形的屬性節(jié)點，實現(xiàn)的程序框圖如圖 6 所示.

2.3.2 波形圖坐標刻度顯示的實現(xiàn)

圖 7 波形圖坐標刻度顯示的實現(xiàn)Fig.7 Implementation of the waveform coordinate scale

在虛擬功率計波形顯示圖中，為了獲取坐標刻度，采用對功率計發(fā)送讀取坐標最大值最小值的查詢命令，獲取坐標的最大、 最小值的ASCII碼值，經(jīng)分數(shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)，解析為相應的浮點數(shù)，寫入Agilent功率計屬性節(jié)點相應的刻度最大值最小值，實現(xiàn)波形刻度顯示的程序框圖如圖 7 所示.

例如查詢縱軸最大值(如設(shè)置為缺省狀態(tài)+20 dBm)，獲取的ASCII碼字符為2B32 2E30 3030 3030 3030 3045 2B30 3031 0A(+2.00000000E+001Line feed回車)，數(shù)據(jù)輸出結(jié)果為20.00 dBm.

圖 8 獲取左右游標位置的實現(xiàn)Fig.8 Obtaining the right and left cursor position

2.3.3 獲取左右游標位置的實現(xiàn)

利用屬性節(jié)點的游標列表屬性，在Agilent功率計波形顯示圖中，獲取左右游標位置信息，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理中獲得左右游標之間的測試結(jié)果做準備. 其程序框圖如圖 8 所示.

2.4 測試數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.4.1 測試波形數(shù)據(jù)的獲取

采用循環(huán)方式進行波形顯示數(shù)據(jù)的獲取，根據(jù)功率計編程指導[4]，對Agilent功率計發(fā)送如下的命令序列來進行波形數(shù)據(jù)的獲取. ①INIT:CONT OFF②TRAC:STAT ON③AVER:STAT OFF④INIT⑤FETCH?⑥TRACE:DATA HRES，此后利用VISA Read函數(shù)讀取波形數(shù)據(jù).

2.4.2 測試波形數(shù)據(jù)格式及處理

波形數(shù)據(jù)以IEEE 488.2任意塊編程數(shù)據(jù)格式獲得，其數(shù)據(jù)塊格式[4]如下所示：

對于測試數(shù)據(jù)的每一個測試點，以IEEE 754[5]32 b浮點數(shù)據(jù)格式表示，即由塊中的4個字節(jié)構(gòu)成一個采樣點數(shù)據(jù).

例如數(shù)據(jù)塊為： 2333 3630 30C2 8A00 00C1 E526 E3C2 04C6 2BC2 …… 0A，前幾位的ASCII碼#3600表示用3位數(shù)據(jù)來表示該數(shù)據(jù)塊中包含的字節(jié)個數(shù)，為600個字節(jié). 而有效數(shù)據(jù)字節(jié)為C2 8A00 00C1 E526 E3C2 04C6 2BC2……. 根據(jù)每4個字節(jié)構(gòu)成一個采樣點數(shù)據(jù)，重新組合為：

C28A 0000 C1E5 26E3 C204 C62B C2…

以C28A 0000為例，下面計算每個采樣點的具體數(shù)值. 首先將C28A 0000拆開成二進制，為1100 0010 1000 1010 0000 0000 0000 0000. 而IEEE754 32 b浮點數(shù)據(jù)格式，使用1個符號，8個階碼，23個尾數(shù)，分別在上面提取這些內(nèi)容.

符號位： 第一位為1，表示負數(shù)；

s階碼： 2～9 b： 10 000 101為133，實際的冪值為133-127=6；

尾數(shù)： 10～32b： 000 1010 0000 0000 0000 0000，實際值為1.000 101(1+尾數(shù))；

根據(jù)IEEE754 32 b浮點數(shù)據(jù)格式變換公式寫出實際數(shù)值大小為-1 000 101，化為十進制為-69 dBm.

從所獲取的IEEE 754數(shù)據(jù)格式，利用LabVIEW實現(xiàn)的上述數(shù)據(jù)變換過程的程序框圖如圖 9 所示.

圖 9 測試波形數(shù)據(jù)處理程序框圖Fig.9 Block diagram of test waveform data processing

根據(jù)數(shù)據(jù)塊開始#部分后面的數(shù)據(jù)字節(jié)有效位數(shù)，定位有效數(shù)據(jù)首字節(jié)的位置，然后循環(huán)提取有效數(shù)據(jù). 循環(huán)語句采用移位寄存器的方式，每次取出4個字節(jié)的有效數(shù)(4個ASCII碼)，根據(jù)匹配模式輸出匹配模式的偏移量，與零進行比較，構(gòu)成是否進行下一循環(huán)的條件. 若后續(xù)還有數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)，則該值大于零，繼續(xù)進行循環(huán). 經(jīng)匹配模式選取的4個ASCII碼，經(jīng)強制類型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成32 b精度的浮點數(shù)，同時循環(huán)次數(shù)i作為數(shù)組指針，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)組置于輸出數(shù)組中進行保存.

2.4.3 獲取游標之間的測試結(jié)果

圖 10 測試數(shù)據(jù)結(jié)果獲取程序框圖Fig.10 Block diagram of test data acquisition program

首先利用對Agilent功率計的查詢指令，SENS:TRAC:TIME和SENS:TRAC:OFFS:TIME，獲取功率計顯示波形橫坐標的持續(xù)時間和開始時間. 根據(jù)2.4.2所獲取的采樣數(shù)據(jù)放置的輸出數(shù)組，經(jīng)數(shù)組大小函數(shù)，返回數(shù)組中元素的個數(shù)，作為采樣點數(shù). 然后利用波形持續(xù)時間和采樣點數(shù)，獲取ΔX每個采樣點的步進時間.

利用2.3.3 屬性節(jié)點特性獲取左右游標的位置，根據(jù)波形開始時間X0，采樣點步進時間ΔX，左右游標位置，對所獲得的功率計數(shù)據(jù)，計算游標之間Peak峰值、 平均值功率電平、 脈沖頂降(功率峰值-功率最小值)的程序框圖如圖 10 所示.

其中： (右游標-X0)/ΔX-(左游標-X0)/ΔX+1，表示左、 右游標間所包含的采樣點個數(shù)，作為數(shù)組子集的采樣點個數(shù)(長度)，而數(shù)組子集的開始位置為(左游標-X0)/ΔX取整后為開始指針，即數(shù)組子集為根據(jù)左右游標信息，從左游標處開始取數(shù)據(jù)，直到右游標處停止的采樣數(shù)據(jù).

對于所得到的左右游標之間的采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)組最大值函數(shù)，獲得左右游標間采樣數(shù)據(jù)的峰值，即峰值功率電平. 為了獲得均值，調(diào)用Decimade.vi，降采樣(單次，DBL)來求解，布爾控件為True，注意到降采樣因子m等于數(shù)組中元素的個數(shù)n，因此，索引數(shù)組輸出即為采樣點數(shù)據(jù)的平均值.

2.5 全局變量技術(shù)

LabVIEW的全局變量技術(shù)是系統(tǒng)參數(shù)跟蹤功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù). 全局變量把兩個獨立的VI聯(lián)系起來，實現(xiàn)不同VI之間的通信，使得異步的任務(wù)可以共享信息.

在2.4.3獲取游標之間的測試結(jié)果中，得到最新的峰值功率和均值功率測量值后存入各自的全局變量，這樣在2.6報表生成及保存技術(shù)中的保存波形VI中，可以共享這兩個全局變量的值，實現(xiàn)測試結(jié)果的實時跟蹤.

2.6 報表生成及保存技術(shù)

利用LabVIEW的Report Generation類函數(shù)制作標準報表或HTML網(wǎng)頁格式的報表. 測試數(shù)據(jù)和測試波形的保存，對于系統(tǒng)測試是必須的，而Agilent功率計無法通過面板操作實現(xiàn)測試結(jié)果和波形的保存，為解決這個問題，實現(xiàn)的報表生成及保存程序如圖 11 所示.

圖 11 報表生成及保存示例程序框圖Fig.11 Block diagram of report generation and save program

INIT子VI初始化報表，設(shè)置報表表頭，測試說明信息等； Append Report Text.vi(添加報表文本)實現(xiàn)添加測試人信息至所選報表； 調(diào)用Append Table to Report.vi將表格化的表頭信息及利用全局變量獲得的測試值，構(gòu)成二維數(shù)組作為指定列寬的表格添加至報表； New Report Line.vi在報表中開始一個新行，準備添加圖像文件； Append Control Image to Report.vi添加控件圖像至報表，而圖像的獲取采用“VI服務(wù)器引用”來實現(xiàn)，右鍵單擊VI服務(wù)器引用，從快捷菜單中選擇鏈接至》窗格》Agilent功率計，即創(chuàng)建一個功率計顯示波形控件引用指定的前面板對象的圖像； Save Report to File.vi按照報表文件路徑，將HTML報表保存至文件中； Dispose Report.vi關(guān)閉報表并釋放其界面以節(jié)省內(nèi)存.

利用該虛擬功率計，對某雷達系統(tǒng)被測信號進行了功率測量，測試結(jié)果保存如圖 12 所示，保存的文件中包含測試結(jié)果和測試波形.

對被測功率的測試結(jié)果表明： 基于LabVIEW的虛擬功率計實現(xiàn)了由虛擬功率計的人機界面遠程控制臺式功率計的參數(shù)設(shè)置及測試波形數(shù)據(jù)的讀取，實現(xiàn)了實時動態(tài)跟蹤顯示臺式功率計的波形，可以方便地進行波形的圖形化保存，操作簡單方便.

圖 12 某被測雷達信號功率測試結(jié)果Fig.12 Test results of a radar power signal

3 結(jié)束語

本文提出的基于LabVIEW的虛擬功率計控制系統(tǒng)，從設(shè)計、 實現(xiàn)和應用等方面同傳統(tǒng)測試方法相比，具有一定的優(yōu)越性. 在傳統(tǒng)測試過程中，需要人工地調(diào)整和手動控制儀器，測試結(jié)果和測試波形無法保存，使用本系統(tǒng)能夠高效地進行系統(tǒng)測試，完全脫離了繁瑣的手動操作過程，不僅實現(xiàn)了被測信號功率波形的實時動態(tài)顯示、 波形及測試結(jié)果的保存，而且提高了測試效率，在SAR系統(tǒng)集成測試中得到了較好的應用.

[1] 呂繼宇，張華春，陰和俊. 基于LabVIEW 的頻譜儀控制系統(tǒng)設(shè)計[J].測試技術(shù)學報, 2005, 19(4)： 426-431. Lv Jiyu, Zhang Huachun, Yin Hejun. Design of control system for spectrum analyzer with LabVIEW[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2005, 19(4)： 426-431. (in Chinese)

[2] 楊樂平，李海濤. LabVIEW高級程序設(shè)計[M]. 北京： 清華大學出版社, 2003.

[3] Robert H. Bishop. LabVIEW 6i[M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 2003.

[4] Agilent Technology. P-Series Power Meter Programming Guide(N1911A and N1912A)[M]. USA： Agilent Technologies Inc, 2005.

[5] ANSI/IEEE Std 754-1985, IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic, Published by The Institute of Electrical and Electronic Engineers[S]. Inc, New York, USA, 1985.

Design of Control System for Power Meter Based on Virtual Instrument Technology

ZHANG Huachun, LV Jiyu, YU Weidong

((Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The control system is designed by power meter which based on agilent with LabVIEW virtual instrument development platform. And operations is realized by using Event Structure technology; Real-time tracking display is obtained by using global variables technology; Graphics information is set by using attribute node technology; While Elegant report form is generated by using report generation and data storage technology; The process of treating data will be delivered in detail when getting. The problem of the waveform and measurement result saving are solved. It can conveniently operate on the Agilent power meter through control software and obtain better application in Synthetic Aperture Radar (SAR) integration test system.

virtual instrument technology; power meter; LabVIEW; data processing; report generation

1671-7449(2016)06-0511-07

2016-06-20

國家部委基金資助課題

張華春(1965-)，男，研究員，主要從事合成孔徑雷達系統(tǒng)集成與信號處理的研究.

TM933

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.011