李伶研 高振斌 宋濤 花中秋

摘 要： 提出一種頻譜分析儀在電磁近場探測的自動化應(yīng)用，系統(tǒng)由頻譜分析儀、上位機軟件、二維掃描架三個部分組成。利用VB 6.0軟件，制作上位機軟件用于控制、設(shè)置頻譜分析儀并可以直觀顯示場強分布情況；在步進電機的基礎(chǔ)上，通過單片機串口通信控制方式，利用滾珠絲杠將步進電機的角位移轉(zhuǎn)換為臺面的線位移，最終實現(xiàn)電磁近場掃描的測試功能。通過實驗測試選擇合適探頭，并測試系統(tǒng)的運行性能。結(jié)果顯示，經(jīng)過軟件設(shè)置，步進電機可以精確控制掃描距離，并且軟件很直觀地顯示場強分布。

關(guān)鍵詞： VB 6.0； 場強分布； 電磁近場探測； 頻譜分析儀； 上位機軟件； 自動化應(yīng)用

中圖分類號： TN643+.1?34； TH71 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0133?06

Automation application of spectrometer in near?field electromagnetic detection

LI Lingyan， GAO Zhenbin， SONG Tao， HUA Zhongqiu

（Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices， Institute of Micro?Nano Photoelectron and Electromagnetic Technology Innovation，

School of Electronic Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： An automation application of spectrum analyzer in near?field electromagnetic detection is proposed. The system is composed of three parts of spectrum analyzer， upper computer software， and 2D scanning frame. The upper computer software is developed by using the VB 6.0 software to control and set the spectrum analyzer， and intuitively display the field intensity distribution. On the basis of the stepper motor， the ball screw is used to transform the angular displacement of the stepper motor into the line displacement of the table?board， so as to realize the testing function of near?field electromagnetic scanning. Appropriate probes were selected by means of experimental testing， and the operation performance of the system was tested. The results show that after software settings， the stepper motor can accurately control the scanning distance， and the software can intuitively display the field intensity distribution.

Keywords： VB 6.0； field intensity distribution； near?field electromagnetic detection； spectrum analyzer； upper computer software； automation application

電磁兼容EMC是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作而且不對該環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)造成不能承受的電磁騷擾的能力[1]。它包含兩個方面：一個方面是電磁干擾EMI；另一個方面是電磁敏感性。EMI測試是電磁兼容測試的重要組成部分，確定設(shè)備是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射限制要求[2?4]。

國外現(xiàn)有的電磁兼容測試系統(tǒng)最具有代表性的為加拿大容向公司的Emscan掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點在于擁有1 218個小型電磁近場探頭，可以快速精確的定位，實時看清電磁場，有強大的后臺分析和處理能力。缺點在于價格昂貴，不適合實驗室測試，并且探頭無法更換，精確度無法調(diào)整。基于這樣的現(xiàn)狀，本文設(shè)計的系統(tǒng)價格低廉，也可以實時顯示電磁場，并通過軟件控制儀器，最主要的功能在于可以更換各種探頭，滿足不同的測試需求，調(diào)整掃描分辨率，使測試更加精確。

1 系統(tǒng)簡介

整合智能測量儀器和計算機測控的電磁近場掃描系統(tǒng)，可使用上位機軟件完成對儀器的控制和測試數(shù)據(jù)的采集顯示，同時上位機軟件控制步進電機實現(xiàn)二維掃描，每一個對應(yīng)測量點的場強強度由頻譜分析儀測量并上傳到上位機顯示，所有的測試點組成電路板的場強分布。系統(tǒng)可以完成400 mm×400 mm電路板的電磁近場測試，通過測試結(jié)果分析并改進電路板，最終達到電磁兼容的測試標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 控制測量軟件設(shè)計

2.1 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)

VISA是I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范的總稱。VISA總線I/O軟件是一個綜合軟件包，可以用來對USB、GPIB，RS 232串口和局域網(wǎng)LAN進行配置、編程和調(diào)試[5]。VISA有自己的一套函數(shù)，不論是用VB語言還是C語言，都需要調(diào)用VISA函數(shù)才能完成計算機對儀器的操作[6]。表1為部分VISA函數(shù)名及其作用。

2.2 頻譜分析儀通信控制

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析儀的幅度測試精準(zhǔn)度也在不斷提高，其可以測量信號各頻譜分量的幅度和中心頻率，測試精度可以滿足一般的測試要求[7]。頻譜分析儀支持USB，GPIB，RS 232，LAN等方式與計算機連接通信。本系統(tǒng)采用LAN通信方式，可以使通信延遲時間短、可靠性較高、連接后通信穩(wěn)定、數(shù)據(jù)的傳輸速率高，如圖1所示。

配置時，用網(wǎng)線將計算機的網(wǎng)口與頻譜分析儀的網(wǎng)口相連，網(wǎng)線連接之后，首次使用時，分別對計算機和頻譜分析儀配置IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。使用ping指令，若有回復(fù)，表示可以連接通信。

2.3 SCPI語言命令

使用頻譜分析儀時，通過可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI進行控制以及數(shù)據(jù)采集[8]。所需要的常用的SCPI指令如表2所示。

利用SCPI指令，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制頻譜分析儀，克服了手動操作相關(guān)儀器的過程復(fù)雜和繁瑣的缺點。通過上位機軟件集成儀器按鈕功能，不僅操作過程簡化，方便測試人員操作，而且更加智能化。

2.4 精確掃描

如今的測試，使用手持探頭測試很多，這樣一方面耗費大量的人力，另一方面人工手持會對電磁場和探頭性能產(chǎn)生一定的干擾，測試位置的精準(zhǔn)度上無法把握。這些不穩(wěn)定因素都會增加測試的誤差。本系統(tǒng)是利用軟件進行定位，掃描位置可控并且精準(zhǔn)，自動化測量方式，克服了上述的缺點帶來的誤差影響。

單片機通過接收串口指令控制電機，單片機連接電源后，發(fā)送指令單片機即可開始工作，6個有序的8位十六進制數(shù)組成步進電機控制指令。

1） 0x28幀頭

2） 0x0X控制二維掃描架上下左右移動，見表3。

2.5 探頭介紹

探頭作為測量電磁場的設(shè)備，也可以測量近場儀器，被廣泛應(yīng)用于電磁兼容實驗以及檢查電場場強，具有很高的工程應(yīng)用價值[9?12]。本系統(tǒng)中，擁有多種不同性能的探頭，根據(jù)測試情況對使用的探頭進行更換。其他產(chǎn)品的探頭是無法更換，這樣使得測試范圍更加局限，無法達到更多的預(yù)期效果。本系統(tǒng)使用的探頭是自己制作的，探頭通過軟件仿真和實際測試，比國外的成品探頭性能效果都很好，并且在高頻段的測試性能很好，達到了生產(chǎn)要求。探頭見圖2。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試PCB探頭的S11曲線，其中性能較好的S11曲線如圖3所示。從S11參數(shù)可以看出，PCB探頭從低頻到高頻均有諧振點，再通過進一步測試驗證。

利用信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，選擇峰值為1 V的正弦波，ALC帶寬設(shè)為100 kHz，環(huán)路狀態(tài)為開環(huán)，沒有輸出消隱，調(diào)制打開并設(shè)為幅度調(diào)制，打開射頻。信號源距離探頭1 cm，頻譜分析儀測試兩個探頭的增益，最終的測試對比圖如圖4所示。經(jīng)測試PCB探頭頻率范圍為50 MHz～17.5 GHz，Langer可測范圍為50 MHz～6.5 GHz，PCB探頭在高頻方面性能良好，可以用于高頻測試。該系統(tǒng)支持更換不同頻段的探頭，測試范圍更廣。

3 測試系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 測試系統(tǒng)組成

該測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括二維掃描架、步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、計算機測控軟件、近場場源探頭和頻譜分析儀。通過軟件顯示電路板不同區(qū)域的場強強度，可以直觀地看出效果，系統(tǒng)框圖如圖5所示。

二維掃描架是通過步進電機進行驅(qū)動，單片機控制步進電機的脈沖輸入，如圖6所示。步進電機的轉(zhuǎn)動角度通過滾珠絲杠可以轉(zhuǎn)化為直線距離，通過使用單片機準(zhǔn)確控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度，精確地控制滾珠絲杠的移動距離，減小了在測量過程中的誤差。

3.2 測量軟件設(shè)計

測量軟件主要作用就是控制儀器和二維掃描平臺和采集數(shù)據(jù)。在VB環(huán)境下利用VISA驅(qū)動通過儀器設(shè)備的LAN網(wǎng)口控制儀器設(shè)備，實質(zhì)上是利用VISA函數(shù)與硬件無關(guān)的特性[13]。

在VB 6.0開發(fā)環(huán)境下需要添加VISA模塊文件和引用選項，這樣才可以在工程中調(diào)用VISA函數(shù)，否則引起程序錯誤。尋找頻譜分析儀VISA地址，用于收發(fā)SCPI指令。以此為基礎(chǔ)開始編寫上位機軟件，設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件的程序流程如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，設(shè)計的上位機軟件基本可以實現(xiàn)并控制對電路板的電磁兼容測試，如圖8所示。

如圖8所示界面包含二維掃描架控制、頻譜分析儀控制和數(shù)據(jù)采集區(qū)域，部分按鈕的具體功能如表7所示。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

使用該系統(tǒng)進行測試，首先連接探頭和頻譜分析儀，接入信號源和二維掃描架，打開軟件設(shè)置對應(yīng)的串口，整個系統(tǒng)連接見圖9。測試的電路板長為16.6 cm，寬為9.9 cm，信號發(fā)生器的信號線接到電路板的VCC端，電路板以及VCC的電路走線如圖10所示。

上位機軟件設(shè)置參數(shù)：掃描的步進距離為0.5 cm；探頭距離為1.4 cm。根據(jù)測試需要設(shè)置彩色條標(biāo)度，單擊“開始掃描”按鈕，掃描測試開始。首先信號線接入頻率為809.51 MHz的信號，二維掃描架帶動探頭掃描電路板，把從頻譜分析儀采集的數(shù)據(jù)顯示在上位機軟件上，并通過顏色表示在繪制方格中。系統(tǒng)測試結(jié)果見圖11。

測試結(jié)果顯示出場強分布與電路分布基本一致。由于導(dǎo)線經(jīng)過電流時，會在其周圍產(chǎn)生電場，呈現(xiàn)面的場強分布。圖11中紅色區(qū)域也就是信號源接入的位置，該部分場強強度很高。綠色區(qū)域按電路的走向分布。而右上方藍(lán)色區(qū)域表示電路板這個部分的場強很弱，強度值平均在-73 dBm左右，出現(xiàn)此情況有兩點原因：一是該部分沒有VCC電路通過，探測的信號較弱；二是低頻段信號在導(dǎo)線傳輸過程中衰減很多，輻射周圍強度較弱。根據(jù)測試的場強分布可以看出電路板線路分布以及信號對電路板功能的影響。低頻段測試效果和探頭性能符合預(yù)期效果，下面對電路板進行高頻測試。設(shè)置信號發(fā)生器的信號為13.71 GHz，信號線接入VCC，測試結(jié)果如圖12所示。

雖然使用高頻信號，但是測試結(jié)果的場強分布依然符合VCC電路的走向。圖12中，紅色區(qū)域依然為信號源所在位置，場強較高。右上方綠色部分，場強強度平均在-64 dBm左右，比在低頻部分的高，這是由于高頻信號在導(dǎo)線傳輸時輻射范圍較大，信號衰減緩慢，并且在高頻情況下PCB探頭的靈敏度變高。中上方藍(lán)色部分的場強強度平均在-71 dBm左右，原因同上。

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測試相對準(zhǔn)確，并且優(yōu)點在于：一是可以設(shè)置掃描距離，根據(jù)不同分辨率調(diào)整測試距離，使測試更加精確；二是上位機軟件控制頻譜分析儀，可以完成頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置并測量某一特定點的實時增益；三是本系統(tǒng)在低頻和高頻測試均可使用，彌補了Emscan無法測到3 GHz以上的缺陷，適用范圍較廣；四是成本低，適用于小型的電磁兼容測試。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的掃描系統(tǒng)，通過LAN通信和串口通信將計算機、頻譜分析儀、二維掃描架連接在一起，組成完整的測試系統(tǒng)。上位機軟件結(jié)合了VISA函數(shù)、SCPI語言等，達到了頻譜分析儀自動化應(yīng)用，測試結(jié)果很直觀的顯示在軟件上，方便測試結(jié)果的分析；結(jié)合單片機C語言完成對二維掃描架的操作，經(jīng)過實驗，該系統(tǒng)基本可以完成電路板的電磁兼容測試。該掃描系統(tǒng)大大節(jié)省了人工測試時間，計算機采集數(shù)據(jù)可以有效地減小誤差。上位機界面簡潔，操作簡單，人性化設(shè)計，直觀地顯示結(jié)果并完整保存相關(guān)數(shù)據(jù)，具有很好的使用價值。

注：本文通訊作者為宋濤。

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