基于AV4036F頻譜分析儀的示教系統(tǒng)在課程教學(xué)中的應(yīng)用實踐

李青 王成 沈俊田

中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 石家莊 050003

0 引言

在現(xiàn)代測試技術(shù)課程教學(xué)過程中，為了使學(xué)生充分體驗應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)測量控制、數(shù)據(jù)處理等工作[1]，選用基于AV4036F 頻譜分析儀的虛擬儀器教學(xué)案例開展案例式教學(xué)，使學(xué)員更好地理解虛擬儀器技術(shù)在測量工作中的應(yīng)用，體會虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器測量的區(qū)別與特點(diǎn)。

虛擬頻譜分析儀是虛擬儀器的一種，是在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，把研究電磁波頻譜特性參數(shù)的頻譜分析儀這種儀器虛擬化，由用戶設(shè)計定義的虛擬面板、由測試軟件實現(xiàn)測試功能的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是將計算機(jī)資源與儀器硬件、DSP 技術(shù)相結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享軟硬件資源。它打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，而變成了由用戶自己定義儀器功能——使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。

1 整體設(shè)計

1.1 硬件平臺的搭建

軟件系統(tǒng)的設(shè)計離不開其硬件平臺，因此要設(shè)計出符合需求、具有高性能的軟件，需要對它依賴的硬件平臺有深刻的理解。

圖1 硬件平臺聯(lián)接框圖

AV4036F 頻譜分析儀和主控計算機(jī)通過網(wǎng)線接入符合IEEE802.3 規(guī)范的局域網(wǎng)后，主控計算機(jī)通過TCP/IP 協(xié)議與頻譜分析儀實現(xiàn)通信，并可對AV4036F 頻譜分析儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在通信過程中，主控計算機(jī)作為控制端，發(fā)送SCPI 命令給AV4036F 頻譜分析儀；頻譜分析儀作為受控端，通過LAN 通信接收主控計算機(jī)發(fā)來的SCPI 命令，并根據(jù)命令內(nèi)容對信號源提供的測試信號進(jìn)行測試。

1.2 軟件設(shè)計

1.2.1 程序流程

編程中采用Labwindows／CVI 平臺上調(diào)用VISA 庫函數(shù)的方法。程序流程圖如圖2 所示。

圖2 虛擬儀器的程序流程

1.2.2 操作界面設(shè)計

Labwindows/CVI 是一個完全的ANSIC 開發(fā)環(huán)境，是用于儀器控制、自動檢測、數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用軟件。它以ANSIC 為核心，將強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺與數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來。它的交互式開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和函數(shù)庫大大加強(qiáng)了C 語言的功能，為熟悉C 語言的開發(fā)人員建立自動化的監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等提供了一個理想的開發(fā)環(huán)境。

與NI 公司開發(fā)的另一款LabView 相比，Labwindows/CVI更適合中、大型復(fù)雜測試軟件開發(fā)。由于Labwindows/CVI 附加了各種軟件開發(fā)包，如數(shù)據(jù)庫軟件包、Internet 軟件包、大小分析軟件包等，利用該軟件能夠大大節(jié)省開發(fā)時間，增強(qiáng)測試軟件性能。

頻譜分析儀虛擬儀器軟件的操作界面采用Labwindows/CVI 開發(fā)。在主控計算機(jī)中設(shè)計遠(yuǎn)程控制軟件，需要顯示從儀器中獲取到的頻譜數(shù)據(jù)[2]，在軟件中使用曲線顯示軌跡，有利于觀察信號的頻譜。為了能即時用遠(yuǎn)程控制儀器進(jìn)行測量，在軟件中還需要具有專門發(fā)送SCPI 命令的操作區(qū)，通過該操作區(qū)可以直接發(fā)送儀器支持的SCPI命令給儀器。

本例中利用Labwindows/CVI 設(shè)計的用戶界面主要分為四個區(qū)域。

（1）加封：集裝箱出場站之前，在集裝箱門上加一把電子鉛封，封住集裝箱門。具體過程如下：挑選一把電子鉛封；將集裝箱號、運(yùn)載車輛號碼、起點(diǎn)海關(guān)、終點(diǎn)海關(guān)輸入場站計算機(jī)；將電子鉛封放在加封器上；場站計算機(jī)通過加封器讀出電子鉛封ID號；場站計算機(jī)將集裝箱號和電子鉛封號傳到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心按加密程序返回密碼；場站計算機(jī)通過加封器將密碼、集裝箱號碼、起點(diǎn)、終點(diǎn)海關(guān)等信息寫入電子鉛封；用電子鉛封封住集裝箱門。

1）波形顯示區(qū)。用戶能夠在該區(qū)域通過波形采集命令按鈕采集波形，顯示在圖表控件上并觀察，如圖3 所示。

2）參數(shù)設(shè)置區(qū)。用戶在該區(qū)域能夠設(shè)置頻率、頻寬、衰減、參考電平、掃描時間等參數(shù)，還能選擇分辨率帶寬模式和衰減自動關(guān)聯(lián)開關(guān)，如圖4 所示。

圖4 參數(shù)設(shè)置區(qū)

3）頻標(biāo)設(shè)置區(qū)。用戶能夠在該區(qū)域開啟/關(guān)閉頻標(biāo)，顯示頻標(biāo)的頻率值、幅值信息，并以頻標(biāo)頻率值設(shè)置軌跡的起始、中心、終止頻率，根據(jù)頻標(biāo)幅值調(diào)整參考電平，如圖5 所示。

圖5 頻標(biāo)設(shè)置區(qū)

4）SCPI 命令調(diào)試區(qū)?？赏ㄟ^該區(qū)域向儀器發(fā)送SCPI 命令并顯示返回值，此設(shè)計的作用是便于直接對儀器發(fā)送查詢語句和控制命令[2]，補(bǔ)充前述按鈕所不能提供的功能，幫助用戶對儀器進(jìn)行調(diào)試，如圖6 所示。

圖6 SCPI 命令調(diào)試區(qū)

2 SCPI 命令設(shè)計

2.1 參數(shù)和響應(yīng)的類型

SCPI 在程控和響應(yīng)消息的使用中定義了不同的數(shù)據(jù)格式以符合“靈活地聽”和“精確地講”原則?！办`活地聽”指的是命令和參數(shù)的格式是靈活的，“精確地講”意味著特定查詢的響應(yīng)格式都是相同的。如：FREQ:OFFS:STAT ON 與FREQ:OFFS:STAT 1都是設(shè)置頻率偏移功能開啟。而查詢功率狀態(tài)（:POWer:ALC:STATe?），當(dāng)儀器處于開啟狀態(tài)時，不管先前發(fā)送的是“POWer:ALC:STATE 1”或者“POWer:ALC:STATe ON”，響應(yīng)總是為1。

2.2 數(shù)據(jù)塊參數(shù)

有些參數(shù)如軌跡參數(shù)是由數(shù)據(jù)塊構(gòu)成的，參數(shù)是一組描述軌跡的數(shù)據(jù)，默認(rèn)的使用方式是“display units”，包括751 個軌跡點(diǎn)，每一個點(diǎn)的取值范圍是0 至1024。同時，軌跡數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式包含ASCII 碼方式、INTeger,32（二進(jìn)制整形數(shù)據(jù)）、REAL,32（二進(jìn)制單精度浮點(diǎn)數(shù)）及REAL,64（二進(jìn)制雙精度浮點(diǎn)數(shù)），通過對軌跡點(diǎn)取值進(jìn)行處理，能夠在軟件上同步頻譜分析儀顯示信號的軌跡。

2.3 通過SCPI 命令設(shè)置測量參數(shù)

在SCPI 標(biāo)準(zhǔn)中，SCPI 命令需要設(shè)計成層次的樹狀結(jié)構(gòu)，SCPI 命令由兩個部分組成：儀器特定的控制命令和IEEE488.2 公共的命令[3]。IEEE488.2規(guī)定了儀器必須實現(xiàn)的公用命令，同時它還規(guī)定了公用命令的句法和語義。儀器特定的控制命令需要依據(jù)特定的儀器進(jìn)行設(shè)計。

在設(shè)計儀器的SCPI 命令時，需要依據(jù)儀器的功能進(jìn)行設(shè)計。在儀器中許多有關(guān)頻率的設(shè)置，如可以設(shè)置儀器的起始頻率、中心頻率、終止頻率等；在儀器中對掃描帶寬的設(shè)置，會影響儀器測量信號的準(zhǔn)確性，所以需要設(shè)計設(shè)置掃描帶寬的命令[3]；在儀器中，掃描帶寬和RBW 的值是聯(lián)動的，可以設(shè)置掃寬RBW 的比值是自動的還是手動的等。由于這些功能都與儀器的頻率設(shè)置功能有關(guān)，那么針對儀器的這些頻率設(shè)置功能可以使用中心頻率、自動步進(jìn)等頻率設(shè)置的SCPI 命令。

在儀器的掃描設(shè)置功能中，主要涉及的是對掃描時間、掃描方式和掃描點(diǎn)數(shù)的設(shè)置，針對這個功能可以使用掃描設(shè)置的SCPI 命令，用于遠(yuǎn)程設(shè)置儀器的掃描時間、掃描方式和掃描點(diǎn)數(shù)等。

頻標(biāo)設(shè)置是頻譜儀的一大特色功能，可以用于顯示測試數(shù)據(jù)和實現(xiàn)一些高級的測試功能，如顯示頻譜數(shù)據(jù)的最大峰值等。可以利用儀器的頻標(biāo)設(shè)置功能來獲取測試數(shù)據(jù)或依據(jù)測試數(shù)據(jù)對儀器進(jìn)行設(shè)置。

在儀器中，可以依據(jù)需要顯示三種軌跡，每種軌跡有不同的顯示方式，如最小值保持、最大值保持等。為了遠(yuǎn)程控制儀器的軌跡設(shè)置功能，可通過軌跡設(shè)置命令控制儀器顯示的軌跡類型、控制不同軌跡的顯示方式或獲取不同數(shù)據(jù)類型的頻譜數(shù)據(jù)。

除設(shè)計儀器不同功能對應(yīng)的SCPI 命令以外，還需要依據(jù)儀器的參數(shù)特點(diǎn)，如頻率取值的精度、RBW 的取值特點(diǎn)和SCPI 命令的需要，設(shè)計儀器SCPI 命令使用的參數(shù)類型。

3 軟硬件連接測試

虛擬儀器軟件系統(tǒng)設(shè)計完成以后，必須要在硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)試，只有通過調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)軟件錯誤，不斷改進(jìn)并完善程序，最終達(dá)到程序能夠正確、穩(wěn)定且高效運(yùn)行的結(jié)果。軟件調(diào)試分為兩個部分：軟件代碼調(diào)試和軟件功能驗證。軟件代碼調(diào)試主要是在軟件開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行在線編譯、單步調(diào)試，檢測代碼是否有誤。軟件代碼調(diào)試工作主要在軟件編寫過程中進(jìn)行。

AV4036F 頻譜分析儀的LAN 與主控計算機(jī)通信，可以驗證頻譜分析儀端的驅(qū)動程序能否接收主控計算機(jī)發(fā)送的SCPI 命令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。調(diào)試和驗證步驟如下。

1）硬件設(shè)備準(zhǔn)備。主控計算機(jī)、頻譜分析儀、網(wǎng)線和信號源。

2）建立硬件連接。啟動頻譜分析儀，用網(wǎng)線將主控計算機(jī)與頻譜分析儀接入同一局域網(wǎng)，使用信號源提供中心頻率為2 GHz 的被測信號。

3）與頻譜分析儀建立通信。打開Labwindows/CVI 軟件的用戶界面，在右下方選擇頻譜分析儀的地址。按下復(fù)位和初始化按鈕，觀察儀器狀態(tài)，判斷是否正常。而后，在SCPI 命令調(diào)試區(qū)，可對如軌跡刷新模式、檢波方式、數(shù)據(jù)格式等儀器基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和查詢。

4）對信號進(jìn)行測試。先設(shè)置信號源的中心頻率與振幅，此處分別設(shè)為2 GHz、-20 dBm。在參數(shù)設(shè)置區(qū)，設(shè)置中心頻率為2 GHz，參考電平為3 dBm，分辨率帶寬為510 KHz，頻寬為4 MHz，掃描時間為5 s，點(diǎn)擊用戶界面上的“采集波形”按鈕，此時會給頻譜儀端發(fā)送SCPI 命令“TRACe:DATA?TRACE1”，該命令的作用是獲取頻譜分析儀端的軌跡數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)行圖形化顯示，如圖7所示。

圖7 軟件的圖形化顯示

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于AV4036F 頻譜分析儀示教系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代測試技術(shù)課程教學(xué)，通過項目化教學(xué)模式，達(dá)到了使學(xué)生體會應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)信息化條件下的測量的學(xué)習(xí)目的，在課程教學(xué)中，通過讓學(xué)生應(yīng)用該示教系統(tǒng)進(jìn)行動手操作，提高了學(xué)生的動手能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富了課程的教學(xué)手段，為該類課程建設(shè)提供了有益借鑒。