標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀下位機(jī)程序算法實(shí)現(xiàn)

摘要：標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀在進(jìn)行器件測試時(shí)對測試周期時(shí)間和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度有較高要求，為提升標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀下位機(jī)運(yùn)行效率及降低硬件功耗，下位機(jī)固件程序采用了匯編語言。文章提出下位機(jī)固件程序中2種重要的算法：一種是壓縮BCD（二進(jìn)制編碼十進(jìn)制，Binary-Coded Decimal）碼的編碼與解碼算法，算法規(guī)避了下位機(jī)接收上位機(jī)數(shù)據(jù)的邏輯錯(cuò)誤；另一種是直接數(shù)字頻率合成器頻率字的改進(jìn)移位除法算法，解決了被除數(shù)小于除數(shù)的運(yùn)算限制。固件程序運(yùn)行結(jié)果顯示，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試速度、準(zhǔn)確度及功耗滿足測試需求。

關(guān)鍵詞：標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀；下位機(jī)程序；編碼；解碼；移位

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0024-04

0 引言

標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種便捷且分析結(jié)果顯示直觀的幅頻特性測試設(shè)備，可對射頻放大器、天線、耦合器、濾波器等器件進(jìn)行傳輸特性和反射特性進(jìn)行實(shí)時(shí)測量調(diào)試。商品化的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀體積龐大，因此在戶外或一些移動(dòng)測試作業(yè)場景上使用受到限制。構(gòu)建一個(gè)便攜、性能穩(wěn)定的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試系統(tǒng)可以使標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀在體積上適于手持使用，同時(shí)能配合個(gè)人電腦系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化操作。便攜標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀整體結(jié)構(gòu)分為上位機(jī)和下位機(jī)2個(gè)部分，上位機(jī)利用開源軟件WinNWT作為測試控制前端，下位機(jī)主要由閉環(huán)硬件架構(gòu)和高效固件程序組成，上位機(jī)和下位機(jī)通過特殊定義的串口進(jìn)行通信并完成各類測試任務(wù)。由于標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀對測試實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求較高，所以下位機(jī)固件程序的算法效率直接影響整個(gè)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作性能。為有效提升下位機(jī)數(shù)據(jù)處理效率，本研究采用壓縮BCD編解碼算法，同時(shí)基于計(jì)算直接數(shù)字頻率合成器頻率字的方法，提出改進(jìn)移位除法算法。

1 運(yùn)行原理

1.1 硬件運(yùn)行原理

標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作流程如圖1所示，上位機(jī)程序和單片機(jī)通過串口協(xié)議連接，單片機(jī)通過上位機(jī)發(fā)送的協(xié)議命令解析并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分析儀的相應(yīng)測試功能。被測器件（Device Under Test，DUT）執(zhí)行幅頻特性測試時(shí)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的頻率范圍及頻率步進(jìn)值控制直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS），輸出一系列掃頻信號，掃頻信號通過寬帶放大電路產(chǎn)生足夠的測試功率，放大后的掃頻信號輸入DUT的輸入端并從DUT的輸出端輸出，輸出信號進(jìn)入對數(shù)放大電路后轉(zhuǎn)換成直流信號，單片機(jī)的模數(shù)采樣端對直流信號進(jìn)行模數(shù)采樣并轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，由此進(jìn)行正確的測量顯示［1］。

1.2 軟件運(yùn)行原理

上位機(jī)軟件WinNWT通過自定的串口協(xié)議規(guī)則和下位機(jī)通信，控制下位機(jī)完成標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要測試任務(wù)，如點(diǎn)頻率輸出、掃頻及功率測量等。網(wǎng)絡(luò)分析儀在掃頻測量時(shí)，不僅要求頻率分辨率高，而且對掃頻速度也有很高的要求，因此下位機(jī)軟件程序需要有足夠快的執(zhí)行和響應(yīng)速度。為此，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用了匯編語言編寫下位機(jī)微控制器的軟件程序，下位機(jī)微控制器采用PIC系列單片機(jī)［2］。

WinNWT上位機(jī)軟件和下位單片機(jī)通信時(shí)執(zhí)行的串口協(xié)議，其規(guī)則在軟件的官方文檔中有具體的描述［3］。協(xié)議中指出：每條協(xié)議命令以十六進(jìn)制的8 F為開始字符，緊接8 F后的是具體的命令字符，例如對數(shù)掃頻會(huì)在8 F字節(jié)后發(fā)送22個(gè)ASCII字符“x001000000000140002000”，每個(gè)字符占用1個(gè)字節(jié)，即相當(dāng)于22個(gè)字節(jié)；其中，“x”表示對數(shù)掃頻，第2至第10個(gè)字節(jié)表示起始頻率，第11至第18個(gè)字節(jié)表示掃頻步進(jìn)頻率值，第19至第22個(gè)字節(jié)表示掃頻采樣點(diǎn)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)分析儀的其他命令格式也相同，唯一的區(qū)別是每個(gè)命令字節(jié)的長短不同。

2 協(xié)議解析

2.1 下位機(jī)選擇

由于標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和上位機(jī)軟件分工聯(lián)動(dòng)工作，因此可以極大地減輕下位機(jī)單片機(jī)的負(fù)荷，同時(shí)降低單片機(jī)的編程量。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的單片機(jī)負(fù)責(zé)控制直接數(shù)字頻率合成芯片，生成上位機(jī)所需的頻率，同時(shí)在掃頻時(shí)負(fù)責(zé)對數(shù)放大芯片的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)通過串口協(xié)議回傳給上位機(jī)進(jìn)行處理；上位機(jī)對單片機(jī)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示正確的測量結(jié)果。因?yàn)镈DS生成的頻率的幅度不一致，所以上位機(jī)軟件需要在網(wǎng)絡(luò)分析儀測量前進(jìn)行測量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)中?；赑C平臺(tái)的上位機(jī)軟件可以更準(zhǔn)確、詳細(xì)地顯示大量測量數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)分析儀下位機(jī)和上位機(jī)軟件WinNWT通信時(shí)也需要滿足相應(yīng)的串口協(xié)議，為此下位機(jī)微控制器選用PIC16F876單片機(jī)。PIC16F876單片機(jī)只有35條指令，時(shí)鐘頻率可以在低功耗狀態(tài)下達(dá)到20 MHz，其芯片內(nèi)部自帶USART串行通信模塊，從而方便與上位機(jī)軟件通信，減少編程量。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀對測試的實(shí)時(shí)性和速度有較高要求，因此采用MPASM匯編語言進(jìn)行單片機(jī)編程。MPASM是美國微芯科技公司的原廠免費(fèi)匯編系統(tǒng)，其編譯的程序更穩(wěn)定、可靠；匯編語言程序具有占用空間小、執(zhí)行效率高的優(yōu)勢，而且硬件功耗低。

2.2 協(xié)議解析算法

以下簡化程序段為下位機(jī)對上位機(jī)串口命令的解析子程序，子程序通過分析上位機(jī)串口發(fā)送的ASCII協(xié)議字符命名，控制下位機(jī)單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作任務(wù)。例如，程序段中先判斷接收的第一個(gè)字符是否為“x”；如果是，再判斷命令長度是否為22個(gè)字符；如果是，則執(zhí)行對數(shù)掃頻；否則再判斷是否是其他命令；最后通過循環(huán)控制，不斷解析上位機(jī)串口發(fā)送的命令。

ParseCommand：

MES_WAIT：

CALL sub_174；讀1個(gè)字節(jié)

BTFSS STATUS，C

GOTO MES_WAIT；為空

XORLW 'x'；AD8307掃頻

BTFSS STATUS，Z

GOTO TRY_COM_F；去點(diǎn)頻設(shè)置

XORLW .22；是否22個(gè)字符

BTFSS STATUS，Z

GOTO TRY_COM_F；去點(diǎn)頻設(shè)置

CALL Sweep；調(diào)用掃頻程序

TRY_COM_F：

XORLW 'f'；點(diǎn)頻設(shè)置

BTFSS STATUS，Z

GOTO MES_WAIT

XORLW .10

BTFSS STATUS，Z

GOTO MES_WAIT

CALL Set_VFO；調(diào)用點(diǎn)頻程序

RETURN

3 核心算法

3.1 壓縮BCD碼算法

在上位機(jī)軟件WinNWT發(fā)送的命令數(shù)據(jù)中，這些數(shù)據(jù)的主體部分都是ASCII形式十進(jìn)制數(shù)，每一位十進(jìn)制數(shù)需要占用1個(gè)字節(jié)，例如上位機(jī)發(fā)送的對數(shù)掃頻命令A(yù)SCII碼為“x001000000000140002000”，22個(gè)字符需要占用22個(gè)字節(jié)長度，這種長度增加了下位機(jī)數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，為此本文在下位機(jī)中采用壓縮BCD算法，壓縮BCD算法可以將串口協(xié)議碼的空間占用減少到原來的一半［4］。

用4位二進(jìn)制數(shù)來表示1位十進(jìn)制數(shù)有16種組合，從中選出10種表示十進(jìn)制數(shù)的10個(gè)數(shù)碼有很多種方法，較常用的是壓縮BCD碼，即4位二進(jìn)制數(shù)的“權(quán)”由左至右分別是8、4、2、1，因此也稱為“8421碼”，用1個(gè)字節(jié)表示的2位BCD碼稱為壓縮型BCD碼。例如ASCII碼“10”用2個(gè)壓縮BCD碼表示為“00010000”，其中“0001”為ASCII碼的“1”，“0000”為ASCII碼的“0”，具體匯編程序代碼如下。

sub_2DD：

SWAPF 0x61，W ；高低4位互換

ANDLW 0xF0；取高4位

MOVWF 0x3F；填充高4位

MOVF 0x62，W

ANDLW 0xF ；取低4位

IORWF 0x3F，F(xiàn)；填充低4位

RETURN

以上子程序?yàn)閴嚎sBCD碼算法，例如ASCII碼“12”的“1”和“2”分別存放在0x61（00000001）、0x62（00000010）中，通過上述壓縮編碼子程序處理后，分別將0x61低4位存放在0x3F的高4位，0x62的低4位存放在0x3F的低4位，這樣ASCII碼“12”就以壓縮BCD碼（00010010）存放在0X3F中。

3.2 BCD解碼算法

如果將上述壓縮BCD碼算法處理后的數(shù)據(jù)直接送至下位機(jī)單片機(jī)中使用，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的邏輯錯(cuò)誤。具體原因可通過數(shù)據(jù)實(shí)例分析，例如上位機(jī)串口傳來的數(shù)據(jù)為10，壓縮BCD碼表示為00010000，如果單片機(jī)直接對該8位壓縮BCD碼進(jìn)行運(yùn)算處理，則會(huì)認(rèn)為是16，這與上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)意圖不一致，因此需要采用BCD解碼算法，具體程序如下。

sub_220：

MOVLW 0x8；8位

MOVWF 0x2C

loc_233：

BCF STATUS，C ；清零

RRF 0x52，F(xiàn)

RRF 0x57，F(xiàn) ；輔助空間

BTFSS 0x52，7；判斷第7位

GOTO loc_246；不為1

MOVLW 0x30 ；為1

SUBWF 0x52，F(xiàn)；減0x30

loc_246：

BTFSS 0x52，0x3 ；判斷第3位

GOTO loc_24A ；不為1

MOVLW 0x3；為1

SUBWF 0x52，F(xiàn) ；減0x3

loc_24A：

DECFSZ 0x2C，F(xiàn)

GOTO loc_233 ；循環(huán)

RETURN

上述程序采用循環(huán)右移算法，其中0x52中存放待處理的8位壓縮BCD碼，0x57中存放解碼結(jié)果，0x52的最低位數(shù)據(jù)每次右移進(jìn)入0x57的最高位，由于狀態(tài)標(biāo)志寄存器的c位每次循環(huán)移位前都要清零，所以不予考慮；0x52的7位和3位如果為1，則需分別減去0x30和0x3，程序中0x52和0x57分別進(jìn)行8次循環(huán)右移，最后0x57中存放的結(jié)果正好是0x52壓縮碼的解碼結(jié)果。具體解碼流程見表1。

從表1中可見，0x52的初始值為00010000（ASCII碼為10），通過8次循環(huán)右移，0x57中的值為00001010，而該值正好是十進(jìn)制的10或十六進(jìn)制的A。該解碼程序?qū)SCII碼“10”進(jìn)行了正確解碼，使下位機(jī)可以正確處理后續(xù)數(shù)據(jù)。

3.3 頻率控制字算法

直接數(shù)字頻率合成芯片的頻率輸出是網(wǎng)絡(luò)分析儀的核心功能，是掃頻輸出各項(xiàng)指標(biāo)正確與否的關(guān)鍵。頻率控制字決定著直接數(shù)字頻率合成芯片的輸出頻率，其具體計(jì)算公式如下：

[k = foutfc2n]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

公式（1）中，k表示頻率控制字，fout表示輸出頻率，fc表示時(shí)鐘頻率；由于式中的輸出頻率小于時(shí)鐘頻率，即被除數(shù)小于除數(shù)，因此不能按計(jì)算機(jī)中常規(guī)的除法運(yùn)算規(guī)則計(jì)算，本文采用改進(jìn)的除法運(yùn)算規(guī)則，具體直接數(shù)字頻率合成芯片的程序算法如下［5］。

sub_260：

MOVF 0x2E，W

MOVWF 0x58

MOVLW .8；8位計(jì)數(shù)

MOVWF 0x56

loc_26C：；循環(huán)

CLRF 0x60

BCF STATUS，C

RRF 0x52，F(xiàn)；右移

BTFSS STATUS，C

GOTO loc_291；無溢出

MOVF 0x58，W

ADDWF 0x60，F(xiàn) ；求和

loc_291：

BCF STATUS，C ；清零

RLF 0x58，F(xiàn)

RLF 0x59，F(xiàn)

DECFSZ 0x56，F(xiàn) ；更新計(jì)數(shù)

GOTO loc_26C

RETURN

為使代碼描述方便、直觀，對其進(jìn)行一定程度的數(shù)據(jù)量簡化，假設(shè)0x58中存放的是系統(tǒng)時(shí)鐘值2（00000010），0x52中存放的是系統(tǒng)輸出頻率值4（00000100），n為8，那么按照公式（1）計(jì)算k等于8。將上述值代入程序驗(yàn)證，表2為程序的直觀數(shù)據(jù)處理過程［6］。從表2可以看到，0x52中的數(shù)值先進(jìn)行一次右移，如果沒有溢出，則0x58中的數(shù)值進(jìn)行一次左移；0x52第2次右移，此時(shí)產(chǎn)生了溢出，為此將0x52中的數(shù)值和0x58中的數(shù)值相加，并將結(jié)果賦給0x60，從程序代碼可以看出，運(yùn)算結(jié)果正好是8，與公式（1）的運(yùn)算結(jié)果保持一致。當(dāng)然，程序代碼中的0x52本應(yīng)該右移8次，相應(yīng)的0x58左移8次（相當(dāng)于28），但為了示例直觀，在數(shù)據(jù)和程序上進(jìn)行了一定的簡化。

4 試驗(yàn)測試

為驗(yàn)證上述算法的正確性，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀首先在上位機(jī)軟件WinNWT校準(zhǔn)狀態(tài)下，對中心頻率為8.998 MHz的晶體濾波器進(jìn)行幅頻特性測試；然后使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備“安捷倫”8714ET網(wǎng)絡(luò)分析儀對該濾波器進(jìn)行相同參數(shù)的測試。表3為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和“安捷倫”8714ET網(wǎng)絡(luò)分析儀主要測量數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，從表3中可看出，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀WinNWT的測試數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)，說明下位機(jī)算法是正確且可行的，尤其掃頻測試涉及數(shù)據(jù)量大時(shí)，能更有效驗(yàn)證算法的正確性。表3對比的兩者中心頻率有50 Hz的誤差，主要是由標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件電路中的時(shí)鐘晶振引起的。

5 結(jié)論

（1）通過WinNWT上位機(jī)軟件串口協(xié)議編寫下位機(jī)軟件的具體程序，不僅很好地利用了上位機(jī)軟件的豐富功能，還減少了網(wǎng)絡(luò)分析儀的開發(fā)工作量。

（2）下位機(jī)使用匯編語言極大地提高了對上位機(jī)的響應(yīng)速度。

（3）網(wǎng)絡(luò)分析儀在程序開發(fā)過程中使用壓縮BCD編碼方法，該方法能有效降低數(shù)據(jù)的空間占用量；采用BCD解碼程序?qū)嚎sBCD碼進(jìn)行解碼處理，從而使下位機(jī)得到正確的處理結(jié)果。

（4）直接數(shù)字頻率合成芯片的頻率控制字按常規(guī)算法編程不可行，進(jìn)行相應(yīng)的算法改進(jìn)后，直接數(shù)字頻率合成芯片的頻率控制字可以正確生成。

通過對上述程序算法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀各項(xiàng)測試功能的可靠性得到了有效保障。經(jīng)試驗(yàn)測試，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀運(yùn)行穩(wěn)定且可靠，能夠直觀、準(zhǔn)確地測試射頻類器件的幅頻特性，其速度、準(zhǔn)確度及功耗均滿足工程實(shí)踐的測試需求。后續(xù)可通過提升軟件功能為標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀添加更多實(shí)用測試功能。

6 參考文獻(xiàn)

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*山西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度課題“虛擬仿真技術(shù)在高等職業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的研究與實(shí)踐”（GH-220443）；2022年度山西工程科技職業(yè)大學(xué)校級科研基金計(jì)劃項(xiàng)目“DDS型標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)計(jì)”（KJ202222）。

【作者簡介】陳玉，男，山西大同人，碩士，任職于山西工程科技職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、嵌入式開發(fā)。

【引用本文】陳玉.標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀下位機(jī)程序算法實(shí)現(xiàn)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：24-27.