（信号与信息处理专业论文）计算机自动控制与接口技术在天线近场测量系统中的应用.pdf

壁ji 坌塞 进差也自幺整型生蓬旦燕鲞垄五缝垂经鲤量至缝主笪廛旦 摘要 本论文基于虚拟仪器技术，计算机自动控制技术，计算机接口技术和平面近场 测量系统的相关理论，以我校电波暗室为例，研究了近场天线测量系统中的数据采 集和扫描架控制技术，并提出软件系统集成的方案，主要工作包括以下几个方面： 1 ) 分析近场天线测试的软、硬件环境，及测量过程介绍： 2 ) 研究如何通过计算机对天线测试装置系统初始化和从矢量网络分析仪上采 集数据； 3 ) 用l a b w i n d o w s c v i7 0 编程软件完成界面设计、溅量前对矢网的初始化以 及测量开始同步从矢网上采集数据； 4 ) 分析步进电机的控制原理，并从源程序中提取出控制扫描架运动的流程及关 键参数，修改并编出在w i n d o w s 系统下使用的控制函数： 5 ) 在w i n x o 操作系统下，完成扫描步进电机与计算机连接的i s a 接口卡驱动的 编写： 6 ) 研究近场测量数据采集系统和控制系统的集成，并提出实施方案。 关键词：近场测量，数据采集，电机控制，w i n d r i v e r ，l a b w i n d o w s c v l ， 多线程。 亟业塞盐簋丑自功筐型量蓬望整查垒丞缝堑扬翌! 量至筮虫苣廛旦 a b s t r a c t i nt h isp a p e r ，w et a k ea n e c h o i cc h a m b e ro fo u ru n i v e r s i t ya sa ne x a m p l e t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mi nn e a r f i e l da n t e n n a m e a s u r e m e n th a sb e e nr e s e a r c h e d t h em a i nw o r ki sa sf o ll o w s ： 1 ) t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eu s e di na n t e n n am e a s u r e m e n th a v eb e e ns h o w n ，a s 3 ) 5 ) 6 ) w e l la st h ep r o c e s so fa na n t e n n am e a s u r e m e n t h o wt oi n i t i a l i z et h ea n t e n n am e a s u r e m e n ts y s t e mb e f o r et e s t i n g ，a n dh o w t oa c q u i r ed a t af r o mt h ev e c t o rn e t w o r ka n a l y z e rw h e ns t a r ti n gt e s th a v e b e e ns t u d l e d ： t h eu i ( u s e ri n t e r f a c e ) d e s i g na n dd a t aa c q u i s i t i o nd e s i g nw h i c hc a n a c q u i r ed a t a f r o mt h ev e c t o rn e t w o r ka n a l y z e rh a v eb e e nf i n i s h e d ： t h ep r i n c i p l eo fs t e p p i n gm o t o rc o n t r o lh a v eb e e na n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h es o u r c ec o d e ，t h ef l o wc h a r t sa n dt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sh a v e b e e ns h o w na n dt h es o u r c ec o d et ob eu s e di nn e ws y s t e mh a sb e e nm o d i f i e d ： t h ed r i v e r o ft h e i s ac a r dh a sb e e nd e v e l o p e d ： t h ea p p li c a t i o ns o l u t i o nt oi n t e g r a t et h et w os y s t e m sh a sb e e ns h o w n k e yw o r d s ：n e a r f i e l dm e a s u r e m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s t e p p i n g m o t o rc o n t r o l ，w i n d r i v e r ，l a b w i n d o w s c v i ，m u l t i - - t h r e a d i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：纽谚年多月阳 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交共授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盔盔测年6 月。日 雯土熊塞 迁墓扭自麴控剑生接旦越丕垄丞鸯堑扬趔童丞蕴生盐廛旦 1 绪论 1 1 论文的工作背景 天线平面近场抛星系统的建立，使我国的天线测量技术迈进了一大步，解决了 大口径天线的测量，能够较好的完成低交叉极化天线的测量，由于近场测量采 用探头运动，被测天线不动的方式，因此，对完成卫星天线的系统测试非常有利。 从长远看，空间技术迅猛发展，星载天线越来越复杂，为了适应高精度卫星天线的 测试要求，建立近场测量系统势在必行。 天线测量是天线研究、制造过程中一项重要而又繁杂的工作，天线测量技术直 接关系到工作量的大小和效率，所以拥有先进且方便的天线测量系统是很必要的， 结合我校电波暗室的具体情况具体分析，改进原有的硬件测量环境是可行的也是有 必要的。 1 2 电子测量概述7 1 1 电子测量仪器得到了迅猛的发展。电子测量仪器发展至今，大体可分为四代： 模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 第一代模拟仪器，这类仪器至今仍在各个场合被广泛使用着。如指针式万用表、 晶体管电压表及模拟示波器等，均是典型的模拟式仪器仪表。这类仪器仪表的基本 结构是电磁机械式的，利用电磁测量原理，借助指针的移动或电子束的偏移来显示 最终结果。它们的特点是结构简单，成本较低，易于维护，适用于对精度要求不高 的场合。 第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。 这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号浇量，并以数字方式输出最终结果，适 用于快速响应和较高准确度的测量。 第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数 扼处理，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。智能仪器以微电子器件代替 常规电子线路，具有信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，甚至具有辅 助专家进行推断分析与决策的能力。它的功能块全部部是以硬件( 或固化的软件) 的 形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 第四代虚拟仪器，这类仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和 扩展传统仪器的功能。它利用现有的计算机，配上相应的硬件( 如数据采集卡、输 入输出卡、g p i b 卡等) 和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器 所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。 虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的革命性产物。它从根本上更新 了仪器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。它的出现是仪器发展史上的一场革 受监毫 过簋拯自动趁劐生蘧量蓬丕在丕缮垂扬型量基箕主鲍厦虽 命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术 的发展和工业生产将产生不可估量的影响。虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器 系统技术相结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。它推 动着传统仪器朝着数字化( 智能化) 、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的 功能。由于软件是虚拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的 软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种 多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据 的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅 可以用于测量、测试、分析、计量等领域，而且还用于进行设备的监控，用于工业 过程自动化。 1 3 论文研究意义 要想紧跟技术的发展，就要不断更新测量设备，以满足越来越高的测量要求， 同时测量手段的进步也为技术的进一步发展奠定了基础。虚拟仪器则是提高测量精 度和效率的有效手段。它改变了传统的测量模式，使测量系统由松散结合的、常常 不兼容的独立仪器发展成紧密结合的虚拟测量系统，把计算机技术与仪器技术完美 的结合起来。 在各种现代测量手段中，计算机扮演着非常重要的角色。计算机以其优越的显 示、打印输出及数据处理等功能，与原有的测量系统相结合，可以大大提高溅量的 效率、精度和灵活性。计算机在测量过程中的作用主要包括：控制测量过程；采集 所需信号；对信号述行各种数学逻辑运算，作出觌断和估值；以各种方式输出测量 结果；测量数据管理等。计算机辅助溅量的突出优越性在于用软件提高测量的准确 性、可靠性、经济性，投资小，见效大，性能价格比好。而且由于软件的柔性，可 以在不改变硬件的情况下，通过软件来实现不同的测量功能，用于不同的测量对象， 使测量系统具有通用性。 在我匡传统仪器技术还比较落后，目前有大批陈旧的测试仪器等待改造和更 新。与国外比较，测量精度和可靠性均低一个数量级，自动化程度低。高档仪器基 本上依靠国外进口，每年都消耗国家大量外汇。广泛采用虚拟仪器技术有助于提高 我国仪器的整体水平，节省仪器开发的人力和费用，减少国家负担。因此，虚拟仪 器技术在我国的研究和开发有着十分现实的意义。 根据我校电波暗室的特点，在天线平面近场自动测量系统中，扫描架控制与数 据采集由两台计算机分别实现，为了提高测量系统自动化程度，提高工作人员测试 天线的效率，将原有二台计算机完成的工作结合起来，用一台计算机实现控制和采 集，那么测量效率将大大提高。 2 亟盈塞 吐墓扭自生建型生蓬堕燕垄盘五缝垂垣鲤量垂筮主鲍瞳旦 1 4 本论文的工作 本课题基于虚拟仪器技术，计算机自动控制技术，计算机接口技术和平面近场 测量系统的相关理论，对电波暗室现有的测量系统进行分析和改进。 我校电波暗室于2 0 0 0 年投入使用，当时由外单位负责承建，仅有2 1 8 g h z 近 场天线测试功能，控制扫描架和采集数据各用一台计算机完成，外单位留下的开发 资料很少，包括采集数据的安装文件和在d o s 环境下控制扫描架的源程序且没有相 关说明。经过近几年的努力，特别经过“2 l l 工程”二期项目投资的支持，进行了 功能扩展和频段扩展，使电波暗室具有i g h z - - 2 0 g h z ，2 6 5 g h z - - 4 0 g h z ，7 5 g h z i o o g h z 三个频段的近场和远场的天线测试功能，但近场测试系统还是用二台计算机 完成，一台计算机控制扫描架运动并发脉冲通知矢网采集数据，工作在d o s 系统下： 另外一台计算机采集矢网数据，工作在w i n d o w s 系统下。外单位留下的数据采集软 件仅有安装程序，没有源代码。这样，测量天线的时候要同时对两台计算机进行操 作，效率不高，浪费人力物力。本课题采用一台计算机实现控制和采集功能，提高 了效率和自动化测试程度。 本文就天线近场测试系统进行了研究，主要开展了以下工作： ( 1 ) 用l a b w i n d o w s c v i 编程完成对天线测试装置的初始化，和从矢量网络分析仪 上采集数据； ( 2 ) 分析x y 二维扫描架的控制原理，画出i s a 接口板的原理图； ( 3 ) 给出控制步进电机运动的程序流程及关键参数，分析并画出控制扫描架运动 测量天线整个流程； ( 4 ) 在w i n x p 下开发i s a 接口卡驱动； ( 5 ) 研究数掘采集系统和控制系统的集成，并提出了实施方案。 亟至迨塞盐篡丑自立趁制蔓蓬旦燕苤查丞线垂堑趔曩薹筮主曲廛旦 2 平面近场天线测量系统 天线方向图测量的方法有近场测量和远场测量，所谓近场测量是指在距天线口 径3 l o 个波长的距离上，用一个特性己知的探头，抽测天线某一面上场的幅、相 分布，应用较严格的数学变换关系来确定天线远场特性的一种方法。 2 1 系统硬件介绍 图2 1 1 我校电波暗室测量系统 该测试系统是一套在计算机控制下进行自动化天线平面近场测量的系统，如图 2 1 1 所示，该系统以计算机为核心，同时控制着带有各种功能的外围设备，能在 i g h z 2 0 g h z ，2 6 5 g h z 一4 0 g h z 和7 5 g h z 一1i o g h z 三个频带内自动完成天线的近场测 量任务。 天线测量系统使用的大型仪器包括a v 3 6 3 5 天线测试装置、a v 3 6 1 5 矢量网络分 析仪、a v l 4 8 1 c 合成扫频源、h p8 3 6 2 0 b 扫频源。两个扫频源与矢网、计算机之间 通过g p i b 总线连接，通过矢网可以直接对两个源设定参数，计算机则通过g p i b 总 线控制矢网。根据不同的波段范围还要选择与之相对应的混频组件、倍频组件、波 导探头等来完成对天线的近场测试。 2 2 系统软件介绍 系统软件采用模块结构，执行什么功能就调入该种功能程序，操作人员只要根 4 亟逾塞 址曼熟自盘蕉型生蓬旦燕丕查云缮堑堑窭垦丞缍主鲑廛虽 据视窗菜单提示，键入诸如测量频率、测量的扫描列数、扫描列间距、每列测量点 数，测量点间距等参数，即可自动进行分析，快速取得测量结果。系统软件设计具 有较强的通用性，便于用户掌握和开发，机械精度及电性能指标满足天线测量的基 本要求。 主程序 图2 2 1 系统流程图 该测试系统具有定位控制、扫描测试、数据变换、仪器控制和结果输出等五种 功能，如图2 2 1 所示。主要功能介绍如下： 定位控制用于控制被测天线与探头的相对位置。在正式对天线进行扫描测试之 静，调整天线和探头的位置，确定扫描面范围，都要用到定位功能。 仪器控制用于测量前对测量系统的初始化设置，频率和发射源功率变化都要进 行设置，并且及时从矢网上采集数据，以供计算机同步显示。 扫掐测试软件有六种扫描测试方式可供选择，这六种方式分别是x ，y 向扫描： x y ，y x 单向面扫描；x y ，y x 双向面扫描。选定扫描方式后计算机提示用户输入有 关的参数，例如测试频率，数据采样点数，采样间隔等，然后系统进入自动扫描测 试工作状态，控制x y 二维扫描架按预想要求完成扫描及数据采集，并将采集的数 据以文件的形式存于磁盘上，以备进一步处理。 数据变换程序的功能是将测试得到的天线近场数据进行计算，推出被测天线任 意远处的电磁场的分布，也可以用于进行近场诊断。 甄i 金g 盐爱扭鱼动控魁生莹望拄壅盏五些堑盈鲴嚣虽统生塑盛厦 2 。3 系统工作原理 由于系统总是要在微波和毫米波波段之间变换，为了便于毫米波频段近场测试 系统和原i g h z 一2 0 g h z 频段近场测试系统兼容，我们采用了黑箱原理，把1 g h z 一2 0 g h z 频段近场测试系统和毫米波频段近场测试系统之间变换对焉耍变更的嚣件作在黑 箱中，并设计成标准接口，变更系统时只是需要把相应的黑箱的对外接口连接到系 统中即可，操作方便。易于规范化。 图2 3 1 天线近场溺量系统原理图 其中i g h z 一2 0 g h z 频段近场测试系统罴箱的内部结构如图2 3 2 “1 所示。 隰12 7 2 筐如 | a vlr 七皇鹫o l5 r- ll 了j ：厂ql 接发射天线 图2 。3 2i g h z 一2 0 g h z 黑箱的内部结构及其外郝连接 毫米波近场天线测试系统是在原有的1 g h z 一2 0 g h z 频段近场测试系统基础上建 成的，其中毫米波段的近场测试系统中增加了放大器a v 3 8 6 0 ，毫米波傣频模块。毫 亟耋论望 荭簋扭自动坦剑立擅旦基莶聋五些堑扬麴置丕缝主鲍廑旦 米波测试混频组件等，如图2 3 3 啪。 图2 3 3 毫米波黑箱内部连接及其与外部的连接 测试开始时，如图2 3 1 【2 1 所示，当扫描架扫描至合适的位置时，计算机1 向 矢网发送脉冲信号，控制矢网采集数据，计算机2 在整个测量过程中一直处于检测 状态，当它检测到矢网有数据产生时，就从矢网g p i b 接口读取数据以备后级处理。 我们的近场系统具有在1 g h z 一2 0 g h z 、2 6 5 g h z 一4 0 g h z 和7 5 g h z 一1i o g h z 频率范 围天线测试( 包括：近场测试、远场3 d 方向图分析、e 方向和h 方向切割的2 d 方向 图分析、口径面幅相分布以及近场诊断等) 的基本功能”，。 7 型! l 监塞 盐簋熟自麴蕉型生姥旦筮盎垄五垡垂扬翘屋丕筮主趋应旦 3 近场天线测量数据采集 通常把在人工最少参与的情况下能自动进行测量、数据处理并输出测试( 量) 结 果的系统称为自动测控系统( a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ) 。自动测控系统最早出现于 二十世纪5 0 年代初期，至今历经三个阶段o 】： 第一阶段，总装阶段。将几种不同的输入和输出电路的几种可程控仪器总装在 l 起形成一个组装系统。这种系统的设计、维护复杂，适应性不强，研制费用较高。 第二阶段，接口标准化阶段。这种系统组建方便，由专门的通用接口电路更改， 增加测试内容也很灵活，显示了很大的优越性，因此得到了广泛的应用。 第三阶段，p c 仪器阶段。在此出现了所谓的“虚似仪器”，给测试系统带来了 革命性的冲击，对测试理论、测试方法等很多方面都产生了重大影响。 计算机硬件和软件的渗入给传统测试技术带来了新的革命，在计算机、微电子、 传感器、通信网络等技术不断进步的有力支撑下，明显地表现出与高新技术深度融 合，尤其是网络技术开始应用到测试技术中，成为测试技术满足实际需求的关键支 撑，网络化必然是测试系统发展的大趋势。 3 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 最先提出 的。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器 通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计 算处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本 和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。美国国家仪器公司提 出“软件即是仪器”的虚拟仪器( v i ) 概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革， 使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了 “软件即是仪器”的先河。 3 1 1 虚拟仪器特点 虚拟仪器是一种功能意义上而非物理意义上的仪器，它通过硬件接口和仪器驱 动实现了与测控设备的硬件通信，将信号采集、分析与处理结合成一体，将信号的 分析、显示、存储、打印和其它管理集中交给计算机来处理。虚拟仪器的特点归纳 起来有以下三点“1 ： ( 1 ) 虚拟仪器强调“软件就是仪器”的新概念。软件是虚拟仪器的核心： ( 2 ) 虚拟仪器采用模块化的结构。各个功能模块结合在一起构成了虚拟仪器系 统： ( 3 ) 虚拟仪器具有图形用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控 制面板在虚拟仪器中被相应设置选项和结果输出控制的软面板所代替。 亟垃塞 苴基扭宜盘埕型：i 篮旦越盘查云垡重扬型量丞堡虫盥廛虽 3 1 2 虚拟仪器的构成 从功能上来说，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来， 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能，因此，它可划分为 数据采集、数据分析、结果显示三大功能模块，图3 1 1 为其内部功能框图”1 。 插入式d a q 卡 信弩喧隗 恩 传箍 g p 珥投器鼓字8 9 拔- _ - 硬复制 v 仪器 一 统计文件i o r s 一2分析图形用户界面 采集硅埋数据分析结皋表达 图3 1 1 虚拟仪器的功能框图 其中，采集处理功能主要完成数据的调理采集；数据分析功能对数据进行各种 分析处理；结果表达则使将采集到的数掘和分析后的结果表达出来。 从结构上划分，虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大 部分构成，其结构框图如图3 1 2 所示。1 。 叫髂号调珲电路| l 某一龚型罘集卡 9 叫。糯筏口电路卜l 删8 接口卡卜心弋面i 。 糙 叫串口馒嚣 叵1 i 卑口 b 。r 捌 菡羽 对 较件 象 虻圃l-_-_一- - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ - 一 i _ 一 吐i一 叫其它计算饥硬件板卡i - 一舞场簋鳃f r e l d r 啪，静嚣1 - 图3 1 2 虚拟仪器结构框图 3 1 3 虚拟仪器的硬件 硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储、处理及 输入输出等工作，由两部分构成； ( 1 ) 计算机 它一般为一台p c 机或者工作站，是硬件平台的核心。包括微处理器、存储器和 输入输出设备等，用来提供实时高效的数据处理工作。 ( 2 ) 接口设备 9 亟圭盈墓 盐差篮宜动丝劐量篮望董盔垄云巍堡堑麴至丕筮主酸垄豆 即信号采集调理部件，包括p c 总线的数据采集板卡( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x l 总线仪器模块、串口仪器模块、串口总线仪器等，主要完成被测输入信号的采集、 放大、模数转换。主要有5 种方式嘲： p c d a q 系统 p c d a q 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插 卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线，将数采卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 系统 g p i b 是计算机和仪器问的标准通信协议，g p i b 的硬件规格和软件协议已纳入 国际工业标准i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 中。g p i b 是最早的仪器总线，目前多数仪器 都配置了遵循i e e e 4 8 8 标准的g p i b 接口。 v x l ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统 v x i 系统是v m e 总线在仪器领域的扩展，1 9 8 7 年在v e 总线e u r o c a r d 标准( 机 械结构标准) 和i e e e 4 8 8 标准的基础上，由主要仪器制造商共同制定的开放性仪器 总线标准。v x i 系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。目莳，国际 上有两个v x i 总线组织v x l 联盟和v x i 总线，这两个联盟制定的标准组成了v x i 标 准体系，从而实现了v x i 的模块化、系列化、通用化以及v x l 仪器的互换性和互操 作性。v x i 的价格相对过高，适应于罚的测试领域。 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri 彘t r u m e n t a t i o n ) 总线 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、 模块化仪器总线规范，其核心是c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。于x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 增加了用于多板同 步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星型触发总线以及用于相邻模块间高速 通信的局部总线等，以满足试验和测量用户的要求。 串口系统 串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器现试 系统。无论上述哪种v i 系统，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合。 3 1 4 虚拟仪器的软件 虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和i o 接口仪器驱动程序。虚拟仪器 应用程序实现虚拟仪器面板功能并定义测试功能的流程图。r i o 接口驱动程序完成 特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现 不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，提高计算机软件编程的效率意义重大。 虚拟仪器系统的软件主要分为4 层：系统管理层、测控程序层、仪器驱动层和 1 0 塑；量i 幺毫 让簋扭自勉整劐皇挂旦蕉盔垄丞缝垂堑趔量垂箍主酸座旦 i 0 接口层。作为开发虚拟仪器软件的工具平台，必须使设计出的以上软件层具有 鲜明的“即调即用”特征，并且确保用户能用以完成整个系统中所有软件部分的开 发工作。 目前比较流行的软件开发工具平台有“1 ： 可视化编程工具 v i s u a jc 一是一种功能齐全的面向对象的开发工具，可直接对硬件操作，支持 多任务多线程。v i s u a lc + + 不仅是c + + 语言的集成开发环境，而且与w i n 3 2 紧密相 连，所以，利用v i s u a lc + + 开发系统可以完成各种各样应用程序的开发，从底层软 件直到上层直接面向用户的软件都可以用v i s u a lc + + 来完成开发。 l a b w i n d o w s c v i l a b w i n d o w s c v i 是基于a n s ic 的、交互式c 语言集成开发平台。l a b w i n d o w s c v i 具有以下主要特点： 基于a n s ic ，不用学复杂的c + + 即可实现w i n d o w s9 x n t 下的编程： 同标准c c + + 兼容，可实现3 2 位用户库、目标模块、d l l 的相互调用； 可直接生成3 2 位d l l ，生成的d l l 也可被l a b v i e w 直接调用； 提供各种灵巧方便的界面生成、编程、调试工具，使得编程、调试轻松自如； 提供丰富的数值分析、数字信号处理函数库； 提供g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 、数据采集板卡以及网络连接功能； 可免费获得数百种源码组g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 仪器驱动程序。 l a b v l e w n i 公司的虚拟仪器开发平台l a b v i e j v 作为目前国际上唯一的编译型图形化编程 语言，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图 形) ，并用线条把各种功能( 图形) 连接起来的简单图形编程方式。l a b v i e w 中编写的 方框图程序，很接近程序流程图。只要把程序流程框图画好，程序也就差不多编好 了。 3 2 近场天线测试系统环境 3 2 1 接口环境 ( 1 ) 仪器接口 我校的天线测量系统采用是青岛4 l 所提供的测量仪器主要包括a v 3 6 3 5 型天线 测试装置，a v 3 6 1 5 矢量网络分析仪主机，h p8 3 6 2 0 b 本振源，a v l 4 8 1 c 合成扫频源 发射源。它们直接通过g p i b 总线相连接，是i e e e 4 8 8 标准的g p i b 接口仪器，由a v 3 6 1 5 矢量网络分析仪主机控制，即通过它可以对其他几个仪器进行配置。 ( 2 ) 计算机接口 数据采集计算机接口采用的是国家仪器( n i ) 公司的p c i g p i b 接口卡，通过 1 l 璧茎盈兰盐差丑鱼麴撞型皇鏊望基垄盔丞绫垄堑型量墨煎主鳇艟里 此接口对仪器进行通信，如图3 2 1 所示。 图3 2 1p c i - g p i b 接口卡 控制扫描架计算机接口是由译码器和寄存器以及基本门电路组成，通过此 i s a 接口，计算机对扫描架驱动器发控制信号，原理图见附录a 。 图3 2 2i s a 接口卡 3 2 2 软件开发环境 l a b w i n d o w s c v i 软件平台是以a n s ic 为核心，将功能强大、使用灵活的c 语 言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化 开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强了c 语言的功能， 为熟悉c 语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统、过程监控 系统等提供了一个理想的软件开发环境。 考虑到青岛4 l 所的a v 3 6 1 5 矢量网络分析仪的控制指令说明书是以b a s i c 语言 给出的，为了有效正确地利用外控计算机通过g p i b 接口协调控制a v 3 6 1 5 矢量网络 分析仪，所以本课题选用l a b w i n d o w s c v i7 0 软件平台设计应用程序。 1 2 亟逾塞进簋盈垒麴蕉型当鏊旦基苤垄丞缝重拯趔量垂笙主篮廛虽 3 3 数据采集设计及编程 3 3 1 界面设计及功能介绍 主面板： 图3 3 1 主面板 主显示界面如图3 3 1 所示，包括【文件】的保存，【配置】菜单包括【接收 机设置】，【测量设置】，【扫描架定位】的子菜单。当进行测量时，首先要配置测试 环境包括接收机设置，测量设置，第一次测量还要定位扫描架。当选择子菜单后， 会弹出相应子面板，下面会一一介绍。 测量设置子面板 图3 3 2 测量设置子面板 亟l 论塞荭笪丑宜动趁劐曼羹旦羹苤垄五线垂瑟翘量垂统主笪查盟 测量设置界面如图3 3 2 所示，首先选择扫描的方式，包括x 轴扫描，y 轴扫 描，) ( 1 双向扫描，y x 双向扫描，x y 单向扫描以及y x 单向扫描一共六个方向，在控 制面板中都用图示表示出来了，方便做选择。 然后进行步进设置，包括扫描点数和扫描间隔，当进行x 轴扫描。y 轴扫描时 直接根据需要填写就好，当选择 ( 1 f 双向扫描，y x 双向扫描，x y 单向扫描以及y x 单向扫描中的一项时，此时的x 轴步进框变为扫描轴设置，y 轴步进框变为步进轴 设置。 接收机设置子面板 图3 3 3 接收机设置子面板 接收机设置界面如图3 3 3 所示，首先选择要测试的波段范围( 分成三段7 5 6 一l l o g ，2 6 5 6 - - 4 0 6 ，l g 一2 0 g ) ，即中心频率要在其范围内，然后输入中心频率， 最后调整发射源功率( 根据实际情况调整) ，本振源功率一般不变，不用设置，具体 可以参考矢网初始化设置小节中的表3 3 1 。 定位控制子面板 图3 3 4 控制架定位子面板 亟土逾塞盐蔓扭自动鳇型生撞旦越垄垒五些重扬刮垦基筮主笪鲤旦 扫描定位界面如图3 3 4 所示，用来定位扫描架使天线和波导探头对准。 测试显示： 当设置完成后，点击主面板上的【启动测量】，便开始采集矢网数据并显示， 当启动测量按钮被按下后，除【停止测量】按钮有效，其他控件都无效，防止误操 作干扰测量，如图3 3 5 所示。 图3 3 5 测试主面扳 3 3 2 数据采集设计与编程 把杂散的命令组织成有序的测量。图3 3 6 表示出一个典型的测量顺序m 矢数 网据 设 连 提内传 霄校 接 取 部 - - - )送 矢 准 坡 数 数 至 网 测 据据 计 件 处 算 理 机 ( 1 ) 设置矢网 图3 3 6 测量顺序 壅皇监奎 吐簋扭自弦趁剑蔓篷旦基垄垄五缝垂拯翌重丕缍主鲍堕围 通过设置所有的基本测量参数来定义指定的测量。这些参数包括全部激威参 数：扫描方式、带宽、扫描时间、扫描点数及r f 功率电平，还包括被测参数及平均。 这些参数定义了仪器内部的数据采集方式、处理过程，改变其中的任一项都会引发 重新扫描。 还有其它的不直接影响矢网数据采集的参数，如：平滑、轨迹运算等。这些函 数被划分到滞后处理函数。矢网在保持方式时它们可以被改变，采集的数据仍能准 确反映当前仪器状态。 ( 2 ) 校准 一旦定义完矢网状态后，就可以执行测量校准了。测量时不要求必须校准，但 为了提高测量精度，建议使用校准。 可通过以下方法来校准矢网： 操作人员用仪器前面板的按键来完成校准。 在计算机控制下，操作人员根据计算机提示完成校准。 从以前的校准中传一份校准数据回仪器。 ( 3 ) 连接被测件 。 连接并调整被测件。被测件的所有调整都要在这个阶段完成。 ( 4 ) 提取数据 连好被测件后，发命令给矢网，以提取以后传送给外控机的数据。 一次扫描方式命令( s i n g ) 被设计成确保一次扫描有效。当扫描结束后，矢网彼 设为保持方式，并将数据存在矢网中。定组扫描命令n u m g n 的工作原理与一次扫描 方式相同，不同的是触发n 次。无论是一次扫描方式，还是定组扫描方式都会复位 平均计数器。 ( 5 ) 滞后处理 如图3 3 7 所示，所有的滞后处理函数均处于误差修正阶段以后。有些函数， 如：光标( m a r k e r ) 搜索、电延迟等是非常有用的。如果激活的校准方式是全双端口 校准，那么无需重新扫描即可任选一s 参数观察。 ( 6 ) 数据传送 最后，传送矢网的输出结果。所有的数据输出命令都能确保传送的数据反映矢 网的当前状态： o u t p d a t a ，叫t p r a w ，o u t p f o r m 用于传送整个数据轨迹。 o u t p 姒r k 用于传送当前激活的光标( m a r k e r ) 结果。如果没有选择激活的光 标( m a r k e r ) ，这条命令将自动激活一个光标( m a r k 职) 。 1 6 亟边塞 让差扭自弛埕剑生篮旦拄鲞查丞缝堑堑鲤量丕缠虫鲍廛虽 3 3 3 矢网初始化设置 a v 3 6 1 5 矢网在测量前，首先要进行初始化设置，矢网网络分析仪初始化，具体 步骤如下： ( 1 ) 各个分机的地址 四通道高灵敏度幅相接收机：( 矢网)1 6 射频信号源：( s o u r c e1 ) 1 9 本振信号源：( s o u r c e2 ) 1 8 测试装置：( t e s ts e t ) 3 1 打印机：( p r i n t e r ) 0 7 ( 2 ) 选择测量域为角域 ( 3 ) 编辑多源模式 表3 3 1 矢网设旨参考表”1 渡段如分破段1渡段2波段3坡段4玻段5啵段6渡段7玻段8 频率范围 0 1 - 21 2 0 1 8 2 6 52 6 5 - 4 03 3 - 5 04 0 - 6 05 0 - 7 5 7 5 一1 1 0 ( g h z ) 源l 功率 ( 发射源) l o d b ml o d b ml o d b m+ 5 d b m+ 2 d b m+ 2 d b m+ 2 d b mo d b m _ p 源l 功率一1 l o1 1 01 1 0一a5a- 35 变化范围 + 1 0+ l o+ l o+ 5+ 2+ 2+ 2+ o 源t内稳内稳内稳模块模块模块模块换块 稳幅方式 幅 幅幅稳循稳幅稳幅稳幅稳幅 本振 谐波次数 11244468 源2 功率 2- 2 3- 2 3- 2 3- 2 3- 2 3- 2 3一2 3 ( 本振源) d b md b md b md b md b md b md b md b m 凉2 功率 一2 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 变化范围+ 3一2 5- 2 5- 2 5- 2 5 - 2 5 - 2 5- 2 5 源2内稳夕h 稳外稳外稳外稳外稳外稳外稳 稳幅方式 幅幅幅幅幅幅幅蝠 发射源：分子为l ，分母为1 ，频率偏移为0 ： 本振源：分子为1 ，分母为上表中对应频率段的本振谐波次数，频率偏移 为2 0 m h z ； ( 4 ) 设定源的稳幅方式：见上表3 3 1 ( 5 ) 设置发射源和本振源的功率：见上表3 3 1 ( 6 ) 设置测量参数：选用s 2 1 参数测量，a l 参考通道和b l 测试通道设置 ( 7 ) 设置触发方式：外触发模式 亟垃塞 进簋熟自动蝗型生篷旦燕盔在磊缮垂堑麴量至统主敛廛旦 3 3 4 从矢网采集数据设计 o u t p m e m 0 表示：处理函数 表示：可访数组 图3 3 7 数据处理链 数据层次 如图3 3 7 所示m ，从矢网可以获取多种层次的数据。 a 原始数据 亟i 金窑 让簋赳自动毽剑皇蘧量基垄琶丞线垂扬鲤里丕丝生鲍廛旦 这是基于i f 平均、激励参数上的最基本的测量数据。如果全双端口校准打开， 有四组原始数据，每个s 参数一组。用o u t p r a w 1 4 命令读出。否则，只有一组原 始数据有效，并保持当前s 参数。每个数据是一组实部、虚部对。 b 误差修正后数据 这是将原始数据修正后的数据。数组内存放的是当前s 参数的数据。用o u t p d a t a 命令读取该数据。用o u t p m e m o 读取内存内的有效轨迹，也是修正后的数据。无论 是原始数据，还是修正后数据都不包含滞后处理函数的因素。如：电延迟、轨迹运 算等。 c 格式化数据 这是用于显示的数据数组。它包含了诸如电延迟等滞后处理函数的因素，其单 位由当前的显示格式决定。如表3 3 2 m 。读取此种数据用o u t p f o r m 命令。 表3 3 2 各种显示格式 显示格式光标( 姒r k 腿) o l t p m a r k 摹本单位的值1 、值2 对数幅嚏( l o gm a g ) d bd b 。0 相位( p i a s e )度( 。)度，0 延迟( d e l a y )秒( s ) 秒，0 史密斯圆图( s m i t hc i a r t )r j x ( q ) o h s ，0 1 1 m s 驻波比( s w r ) ( 无单位)s w r ，o 线性幅宣( l i n e a rm a g n i t u d e )p ( 无单位) ( 反射)线性幅度，0 ( 无单位) ( 传输)线性幅度，0 极坐标使用线性光标( l i nm k ro np o l a r )p 么巾( 反射)线性幅度，度数 f 么0 。( 传输)线性幅度，度数 极坐标使用对数光标( l o gm k ro np o l a r ) d b 么由。对数幅度，度数 极坐标使用复数光标( r e i mm k ro np o l a r )x j y ( 无单位) 实部，需部 负阻圆图( i n l ，e r t e ds m i n i )g j b 1 o h m s ，1 o 1 l n s 实部( r e a l ) x ( 无单位)实数，0 虚郭f i a g i n a r y ) j y ( 无单位) 实数，0 d 校准系数 校准的结果存在校准系数( 又称误差系数) 数组中，供误差修正函数使用。每个 数组对应误差模型中的指定误差项。读取此种数据用0 u t p c a l c 命令。 由于格式化数据与屏幕上看到的数据相同，因而是非常有用的。但是，如果不 需要滞后处理函数的话，误差修正后数据会更有用。你可以把误差修正后数据重新 装入矢网，便于以后的滞后处理函数使用。 数据格式 矢网通过g p i b 发送数据有五种格式。1 。 a 格式l 1 9 亟兰迨塞盐曼也鱼生撞劐生撞旦莛丕垄丞线堑扬型置墨堑主的厘旦 矢网内部格式，每点数据6 字节。该数组有4 字节的数据头。前两字节是字符 串“尊a ”，是标准的数据块头。后两字节用整型数代表后面数据块的数据长度( 字节 数) 。这就意味着2 0 1 点传送1 2 1 0 字节。格式l 适用于计算机快速收发数据。 b 格式2 i e e e3 2 位浮点数格式，每点数据8 字节。该数组有4 字节的数据头。前两字 节是字符串“# a ”，是标准的数据块头。后两字节用整型数代表后面数据块的数据 长度( 字节数) 。每个数包括1 位符号位，8 位带符号阶码，2 3 位尾数。因每点由两 个数据组成，故2 0 1 点传送1 6 1 2 字节。 c 格式3 i e e e6 4 位浮点数格式，每点数据1 6 字节。该数组有4 字节的数据头。前两字 节是字符串“# a ”，是标准的数据块头。后两字节用整型数代表后面数据块的数据 长度( 字节数) 。每个数包括1 位符号位，1l 位带符号阶码，5 2 位尾数。因每点由 两个数据组成，故2 0 1 点传送3 2 2 0 字节。 d 格式4 a s c i i 码数据传输格式。在此种方式下，每个数据以2 4 个字符的字符串发送。 每个字符可以是数字、符号( 正负号) 或小数点。因每点由两个数掘组成，故2 0 1 点 传送9 6 4 8 字节。 e 格式5 m s - d o s 个人计算机格式。此格式是i e e e3 2 位浮点数格式的反向格式。该数组 有4 字节的数据头。前两字节是字符串