（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器的直放站自动测试系统的设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 为了解决移动通信直放站在研发、生产和入网检测过程中繁琐而不安全的手 动测试，和提高直放站的调测效率，本课题的目标是设计基于g p i b 虚拟仪器的直 放站自动测试系统。本自动测试系统的设计参考了当前国内外主流直放站厂家和 检测机构的测试平台，满足s u n w a v e 公司的g s m 、c d m a 、d c s 、w c d m a 制式各类型直 放站的自动测试、参数设置、故障诊断和报表分析功能。 本自动测试系统采用虚拟仪器技术g p i b ( i e e e 4 8 8 2 ) 接口总线连接各信号 源、测试仪器和射频开关箱，采用r s 2 3 2 接口查询与设黄直放站，以计算机“软 件为核心”控制被测直放站和测试仪器协调工作。该项目的创新技术极大地提高 了直放站的钡4 试效率和仪器的使用率。 在设计过程中，测试流程充分考虑了相关行业标准，按照2 0 0 6 年中国移动集 中采购标准协议。在直放站内，采用p h i l i p sl p c 2 2 1 2a r m 7 内核的单片机设计主 控c p u 完成数据采集与监控。在带g p i b 接口的可程控射频开关系统箱的设计中， 采用i n t e l 8 0 5 1 单片机实现开关系统的控制，采用i n t e l 8 2 9 1 a 和8 2 9 2 做g p i b 接口 控制芯片。采用b o r l a n dc + + 编写自动测试系统软件，调用标准p n pv i s a 函数实 现对各类信号源和测试仪器的控制与读数。采用o l e 方法将测试报告直接输出到 w o r d 文档中，为电子化办公提供了方便。 经过s u n w a v e 公司实验测试结果表明，本直放站自动测试系统的性能良好， 达到了预期的设计目标。 关键词：虚拟仪器，自动测试系统，射频技术，移动通信，g p i b 总线，嵌入式a r m 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t os o l v ef u s s ya n du n s a f em a n u a lt e s to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e p e a t e r s w h e nr e p e a t e r sa r et e s t e d b yr & d m a n u f a c t u r i n ga n d n e t w o r ka c c e s s l i c e n s i n g ，a n d t oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fr e p e a t e rt e s t w ed e s i g nar e p e a t e r a u t o m a t e dt e s ts y s t e mb a s eo ng p i bi n t e r f a c eb u sv i r t u a li n s t r u m e n t t h e a u t o m a t i ct e s ts y s t e md e s i g na c c o r d i n ga sc u r r e n t l ya u t o m a t i ct e s ts y s t e mo f d o m e s t i ca n df o r e i g nr e p e a t e rl e a d i n gp r o v i d e ra n dd e t e c t i n go r g a n i z a t i o n ，t h e a u t o m a t i ct e s ts y s t e mc a nt e s t 。c o n f i g 。d i a g n o s ea n dr e p o r ta u t o m a t i c a l l y s u n w a v ee a c ht y p eo fg s m ，c d m a 。d c sa n dw c d m a r e p e a t e r s i nt h et e s ts y s t e m ，c o m p u t e rl i n k ss i g n a lg e n e r a t o r ，t e s ti n s t r u m e n ta n dr f s w i t c hb yg p i b ( i e e e 4 8 8 2 ) i n t e r f a c eb u sw i t hv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ， c o m p u t e rc o n f i gr e p e a t e rb yr s 2 3 2i n t e r f a c eb u s ，c o m p u t e rw i t ht e s ts o f t w a r e c o n t r o lr e p e a t e ra n da l li n s t r u m e n t st ow o r kf o l l o w i n gt h ep r e s c r i b e do r d e r i n n o v a t i v et e c h n o l o g yo ft h er e p e a t e ra u t o m a t i ct e s ts y s t e mw i l l i m p r o v e g r e a t l yr e p e a t e r st e s te f f i c i e n c ya n du t i l i z a t i o nr a t eo fi n s t r u m e n t s w ea n a l y z ef u l l yi n t e r r e l a t e di n d u s t r ys t a n d a r dt od e s i g np r o c e s so fa u t o m a t i c t e s t w eu s ep h i l i p sl p c 2 2 12a r m 7s c ma sc p uf o rs t a t u sm o n i t o ra n d d a t aa c q u i s i t i o ni nr e p e a t e r ，a c c o r d i n ga sr e p e a t e r ss t a n d a r dp r o t o c o to f c h i n am o b i l ec e n t r a lp u r c h a s ei n2 0 0 6 i n t e l 8 0 5 1s c mi su s e dt oc o n t r o lr f s w i t c hs y s t e m ，i n t e l 8 2 9 1 aa n d8 2 9 2a r eu s e da sg p i bi n t e r f a c ec o n t r o lc h i pi n p r o g r a m m a b l er fs w i t c hs y s t e mc a s e t h ea u t o m a t i cs y s t e mp r o g r a m s o f t w a r ei sw r i t t e n b y b o d a n dc + + c o m p u t e r c a l lp n pv i s a s t a n d a r dc o m m a n d st oc o n t r o io rr e a de a c hs i g n a lg e n e r a t o ra n dt e s t i n s t r u m e n t s t e s tr e p o r tf o r m sa r eo u t p u tw o r dd o c u m e n tb yo l ef o r e l e c t r o n i co f f i c eb u s i n e s se x p e d i e n t l y t h er e p e a t e ra u t o m a t i ct e s ts y s t e mh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a n dm e e t st h e g o a lo ft h ed e s i g na f t e rs u n w a v ee x p e r i m e n ti nf a c t o r y k e y w o r d a ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ，r ft e c h n o l o g y ， m o b i l ec o m m u n i c a t i o n g p i bb u s e m b e d d e da r m i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密u 。 学位论文作者签名： 签字日期。渐 豺为褪 勿r 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 蝴橼丢小侄产铲，乡驴2 邮编7 卿 - - k t _ “也引 月 b 占 告节 名 期 师 字 导 签 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一龋象搦越 日期：为胗存1 日lt 日 ， ， 江苏大擘硕士学位论文 第一章绪论 1 1 直放站概述 在信息时代的各种信息技术中，信息的传输即通信起着支撑作用。其中，移 动通信是现代通信系统中不可缺少的重要组成部分。目前，移动通信已从模拟通 信发展到了数字通信阶段，并且即将迈入第三代移动通信时代。随着移动通信技 术向纵深发展，移动通信网络面临着一个如何提高网络覆盖质量的问题。 一般的做法是通过对现有通信网络进行系统优化，改变基站小区天线方向和 系统参数，调整网络的覆盖范围，提高网络覆盖效果。但是在系统优化后，网络 覆盖很有可能仍不能满足业务需要，此时就需要增加适量的基站或直放站来解决 覆盖问题。在网络建设中，直放站与基站相比，具有低投入、低运行成本、相对 短的建设周期和较好的网络质量等优点，为提高网络信号的覆盖率，满足大量的 小话务量用户群体提供了最佳的解决方案。目前，各类直放站已成为网络建设的 重要组成部分，应用数量越来越多，范围越来越广，相应的设备厂家以及设备类 型也是越来越多“1 。 1 1 1 直放站分类与工作原理 直放站也称中继器，属于同频放大设备，是在无线通信过程中起信号增强作 用的一种无线电发射中转设备，是一个射频信号功率倍增器“1 。直放站系统原理 如图1 1 所示。 移动通信直放站的种类如下： ( 1 ) 从传输信号来分有g s m 直放站、d c s 直放站、c d m a 直放站、w c d m a 直放站、 t d - s c d m a 直放站； ( 2 ) 从安装场所来分有室内型直放站、室外型直放站和p i c o ： ( 3 ) 从传输带宽来分有宽带直放站和选频直放站； ( 4 ) 从传输方式来分有无线射频直放站、干线放大器、和光纤直放站，其中 无线射频直放站又分同频和移频两种。 光线直放站和无线射频直放站的基本工作原理基本一致。以无线直放站为例， 说明其工作过程。 江苏大学硕士学位论文 基站 。 直放站 图1 1 直放站系统原理图 覆盖区 - _ ， 典型的无线射频直放站的原理框图如图1 1 所示，直放站在下行链路中，由施 主天线从现有的覆盖区域中提取信号，通过带通滤波器对通带外的信号进行极好 的隔离，将滤波的信号经功率放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链路中，覆 盖区域内移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应 基站，从而达到基站与手机的信号传递。 1 1 2 嵌入式直放站监控单元 为了适应智能的自动化生产测试需要和本地与远程监控需要，本直放站本地 监控单元采用p h i l i p sl p c 2 2 1 2a r m 7 内核的单片机0 1 作为主控c p u ，完成对上下 行低噪放模块、功放模块、中频选频模块、电源模块和d e m 的数据采集、处理、 控制，和与计算机通信功能。 c p u 控制板与直放站内部各模块间采用1 2 c 总线通信接口，与m o d e m 采用 u r a t l m o d e m 总线通信接口，与计算机采用r s 2 3 2 或u s b 通信接口。 1 2 直放站自动测试系统概述 随着通信技术和微电脑技术的高速发展，通信仪表的智能化程度在迅速提高。 传统的通信仪表虽然依然在使用，但在功能上、效率上和准确性上已经远远满足 不了现在的直放站批量测试需求。为了更好地利用现有的通信仪表来提高测试的 效率、准确性和增加仪表的使用寿命，可以利用现有互连技术把具备相应互连接 口的通信仪表、打印机等设备和计算机连接起来形成一个测试系统“1 。本系统以 全面提高系统的通用性、自动化程度为指导思想，设汁测试系统的组成结构。 移动通信直放站自动测试程序开发是为了控制通信仪表和增强仪表的测试功 能。通过自动测试软件，可以实现对多台仪表的协调统一控制，组成大型的自动 2 江苏大学硕士学位论文 测试系统，自动完成复杂、繁琐的测试工作，避免人为因素造成的误差。通过计 算机完成大量的统计、计算工作。测量结果可以用数据、图形、表格和其它希望 的方式给出，结果一目了然。随着计算机网络技术的发展，还可通过计算机网络 实现自动测试的远程监控。 1 2 1 直放站自动测试与手动测试的比较 自上世纪末，全球移动通信产业迅猛发展，直放站作为网络覆盖补盲优化产 品大量应用于网络建设中，随着直放站的规模化生产，手动与自动测试的资金时 间花费对比如图1 2 所示，所以手动测试难以满足规模化生产的需要。 资 金 时 间 花 费 测试次数 图1 2 手动与自动测试时问花费对比 另外，直放站自动测试系统与手动测试相比有很多优点呦。 ( 1 ) 测试快捷，可避免人为差错，极大地提高生产效率。自动测试完全替代 手工对直放站设置，操作和更换仪表，计算记录数据等工作，因此生产效率得到 极大提高； ( 2 ) 保护仪表，避免人为操作失误引起仪表损害。在大功率测试时可保障测 试仪器安全，避免操作及连接错误而造成的贵重仪器的损坏； ( 3 ) 自动输出测试报告和保存测试数据。相对于手动测试，应用自动测试， 测试结果更加准确，测试报告更加规格，有利于提高产品质量，增加客户满意度。 同时测试结果采用数据库管理更加便于生产统计和分析； ( 4 ) 节省人力。自动测试操作简便，操作人员经过现场培训就可以立刻熟练 操作，节省对其仪表操作培训和直放站测试培训的费用和时间。般规模的生产 车间，直放站整机测试仅需要一套自动测试系统和一个操作工人。降低了生产成 本； ( 5 ) 软件模块化设计，易于改动和升级。 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 直放站自动测试系统组成原理 移动通信直放站自动测试系统( a t s ) 是为了解决直放站生产厂商、网络运营 商和检测机构对直放站射频及相关指标进行检测而研发的集成系统。本系统能够 自动完成激励、测量、数据处路、故障诊断并显示或输出测试结果。 直放站整机与射频模块需要测试的指标达3 0 6 0 种之多，需要的仪表也是种类 繁多。对技术人员要求很高。对直放站进行一次整机手动测试，需要技术人员分 别连接直放站上、下行端口到不同仪表进行测试，测试中需要改变直放站射频状 态，操作仪表进行不同设置来测量不同指标，手动测试一台整机需要4 0 - 6 0 分钟。 为了提高测试效率、自动化生产和故障诊断程度，和降低人为的测试错误， 本文提出了基于g p i b 总线虚拟仪器的直放站自动测试系统的概念，并详细阐述了 研究设计自动测试系统、系统软件、本地监控单元( c p u 主控板) 、射频开关系统。 自动测试系统结构如图1 3 所示0 1 。 图1 3 自动测试系统结构图 在整个自动测试系统中，计算机为整个系统的核心。在i e e e 4 8 8 总线结构中， 计算机起c o n t r o l l e r 的角色，控制连接在总线上所有仪表的数据交换。另外，计 算机也可以处理从通信仪表中获得的数据，进行加工处理，并且按用户所希望的 格式输出。 1 2 2 国内外直放站自动测试系统的发展历程 由于企业保密原因，特别是国外的相关资料公开的非常少。目前射频直放站 产品研发和生产主要集中在中国、日本、韩国和欧洲。国内外直放站自动测试系 统的发展大体相同，总的看来，其发展历程大致可以分为以下三个阶段： 4 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 第一阶段为简单的自动测试阶段。8 0 年代末公网移动通信建设初期， 直放站内部没有c p u 控制板，也就是手调直放站。主要靠经验丰富射频工程师手 动调整直放站的增益、频率带宽等，为解决不断地更换射频连接线选择各类仪表 配合测试问题，部分厂商开发了射频矩阵开关。简单直放站自动测试示意图如图 1 4 所示，其设计目的是为了减少倒换连接射频电缆的的麻烦，测试过程依然十 分繁琐，由于测试指标很多，要完成整机测试需要数十分钟。高收入的专业射频 工程师加上昂贵的射频仪器利用率低下使得直放站生产成本难以控制。 图1 4 简单直放站自动测试示意图 ( 2 ) 第二阶段为专用的台式仪器积木型自动测试系统1 。本世纪初，由于网 络运营商提出电调直放站和远程监控要求，也由于直放站规模化研发生产时对各 项指标测试的工作量巨大，厂商对自动化需求的迫切使得直放站的监控系统成为 必需。在标准g p i b 总线接口的基础上，以积木方式组建系统，计算机控制积木台 式可程控信号源、频谱分析仪、矢量网络分析仪、射频矩阵开关和被测直放站协 调工作。g s m 系列自动测试系统原理如图1 5 所示。 图1 5g s m 系列自动测试系统原理图 江苏大学硕士学位论文 专用的台式仪器积木型自动测试系统明显提高了研发生产测试效率，而且具 备了自动故障诊断功能，一般技术人员就可以操作整个测试过程，完成整机测试 只需要3 5 分钟。但是由于直放站没有统一的标准化接口协议，一套测试系统只 能完成某类机型的测试，一个厂商的测试系统要完成另一家直放站的测试更加困 难，也造成了某种程度上的资源浪费。 ( 3 ) 第三阶段为基于虚拟仪器的综合统一网管的自动测试系统。 目前，移动通信发展迅猛，诸如中国移动与中国联通等运营商大规模建设直 放站，由于在线维护成本的同益增加，运营商联合众多厂家共同制定统一直放站 网管协议“。从此，各厂家直放站各项参数具备统一的定义标准和统一的本地连 接与远程监控协议。所以基于虚拟仪器的综合统一网管自动测试系统自此产生。 基于虚拟仪器的综合统一网管自动测试系统如图1 6 所示，该系统采用可以发射 2 路的信号源仪器以测试三阶互调( i m d 3 ) 指标。其特点是： 快速自动化测试与智能故障诊断； 计算机网络应用，集中设备生产管理； 兼容多厂家直放站的基本指标测试要求，如泰尔实验室自动测试系统； 兼容本公司g s m 、d c s 、c d m a 、w c d m a 等网络的各类型直放站测试要求； 最大程度上提高测试效率和仪器利用率。 图1 6 基于虚拟仪器的综合统一网管自动测试系统 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 本文设计的直放站自动测试系统及其特点 本文设计的基于虚拟仪器的直放站自动测试系统按照中国移动集中采购设备 的要求而设计，适用于各类型直放站的全面射频指标自动测试、自动定标与故障 诊断。自动化集成度更高，整个测试过程无须手工操作。计算机通过g p i b 接口协 调控制各类测试仪器与被测直放站设备，自动切换上、下行射频通路；采用电磁 同轴射频开关和自动功率保护措施，测试功率范围达一8 0 d b m 4 3 d b m ，频率范围 9 k h z 1 2 5 m h z ，平均误差0 3 d b 。 设计参考标准与依据： ( 1 ) 中国移动通信直放站综合网络监控管理协议规范v 1 0 l i e ； ( 2 ) 中国移动通信w c d m a 直放站技术要求和测试方法“； ( 3 ) 中国移动通信g s m 直放站技术要求和测试方法 t t l | ( 4 ) 中国联通g 网与c 网直放站统一网管协议； ( 5 ) 国家泰尔实验室与中国联通直放站的相关测试标准和要求“1 ； ( 6 ) 信息产业部和国家无线电委员会的有关信息安全规定和法规。 本自动测试系统可全砸涵盖了c d m a 、g s m 、g s m 、w c d m a 各类直放站各项参数 的测试，并可最大限度地实现测试的自动化。具有以下特点： ( 1 ) g p i b 接口模块化编程，仪表功能函数调用，减轻了软件设计负担； ( 2 ) 提高了测试性能。利用计算机对带有g p i b 接口的仪器进行操作和控 制，可实现各种自动测试校准、多次测量平均等要求，从而提高测量 精度； ( 3 ) 便于多台带有g p i b 接口的仪器组合，形成较大的自动测试系统，高效 灵活地实现多种不同的测试任务，而且组建和拆散灵活，有效提高昂 贵的仪表利用率； ( 4 ) 便于扩展传统仪器的功能。由于仪器和计算机相连，因此计算机可对 策是数据处理更加灵活，使原来仪器采用硬件逻辑很难解决或无法解 决的问题迎刃而解； ( 5 )自动化程度高，测试方法简单直观，人机界面友好，非专业人员也能 运行该系统进行自动测试； ( 6 ) 具备自动测试、自动定标和自动故障诊断功能，极大地降低了测试成 7 江苏大学项士学位论文 本并且提高了自动化生产水平； ( 7 ) 具有l a n 接口，能把多个分散的测试平台组成网络，实现测试数据共 享。 1 4 本文主要工作及章节安排 本文主要的工作是设计与实现一套基于虚拟仪器的直放站自动测试系统，从 分析移动通信直放站工作原理和测试指标的共同性入手，从分析各种虚拟仪器技 术入手，并研究得出适用于直放站测试的方案g p i b 总线技术的虚拟仪器。本 文对相关技术进行了详细的介绍。 第二章虚拟仪器技术，分析各类虚拟仪器，详细介绍了适用于直放站测试的 g p i 虚拟仪器技术。第三章直放站本地监控单元的设计，为实现自动测试和中移 动统一网管，设计了直放站本地监控单元和数据采集控制电路。第四章自动测试 平台硬件设计，介绍了自动测试系统的总体方案，阐述了射频开关系统的设计过 程。第五章自动测试系统软件设计，说明总程序框架，详细介绍了直放站各射频 指标测试子程序和参数配置定标程序。第六章试验与总结。其中第四章和第五章 是本文的重点章节。 s 江苏大擘硕士学位论文 第二章虚拟仪器 直放站自动测试系统是主要用于移动通信直放站在研发、生产、质量检测、 工厂维修阶段的射频指标测试、参数设定与故障诊断的专用自动测试系统。 传统的直放站手动测试设备主要由信号源、频谱仪、矢量网络分析仪等各类 测试仪表组成，直放站的各项参数可根据需要随时进行调整，使用灵活性大，但 测试过程主要采用手动、分步进行，操作过程复杂，对测试人员技能要求高。 而本次研制的自动测试系统主要用于生产线上。设备的使用者主要是技术工 人，它要求测试设备性能可靠、操作使用方便、自动化程度高、便于维护。所以 我们提出采用基于g p i b ( i e e e 4 8 8 2 ) 总线接口的虚拟仪器技术来实现直放站自 动测试系统。 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 概念是n i 公司与1 9 8 6 年首先提出。1 ，其 基本思想使在一定的硬件环境支持下，通过编制和执行不同的虚拟仪器软件，来 构成各种不同的仪器，实现各种用户定义的仪器或测试功能。传统仪器功能是用 仪器箱内的硬件来实现的，仪器功能固定。虚拟仪器的杰出贡献在于突破了这种 取决于仪器制造商的“硬件固定”的模式。同一硬件资源下，虚拟仪器通过运行 不同的软件，实现不同的仪器功能，仪器的功能被部分或全部“软化”，软件成 了核心问题。所以，n i 公司在提出虚拟仪器概念时就以“软件即是仪器”来描述 这一特征。1 。 2 2 虚拟仪器的构成 2 2 1 虚拟仪器的总线类型与选择 构成虚拟仪器的i o 接口设备主要完成被测输入信号的采集，放大，模数转 换。可根据实际情况采用不同的i o 接口硬件设备，如图2 1 所示是p c - d a q 、g p i 、 v x i 或p x i 四种常见的结构。 ( 1 ) p c d a q 系统。是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台 组成的插卡式虚拟仪器系统。采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，将数据采集卡 板( d a q ) 插入计算机的插槽中即可。 9 江苏大学硕士学位论文 + 数据采集 p c d a q g p i b 接口 v x i 控制，接口 + p x i 控制接口 并行接口 串行接口 网络接口 外围支持硬件 信号调理、输出驱动 g p i b 接口仪器 v x i 模块化仪器系统 p x i 模块化仪器系统 并口设备( c c d 、p l c ) 串口设备 网络节点 图2 1 虚拟仪器的一般结构 ( 2 ) g p i b 总线虚拟仪器。通过可控仪器的通用接口总线g p i b ，将计算机与若 干台g p i b 台式仪器以积木方式连接而成，计算机对仪器进行操作与控制。这类系 统具有组建灵活、台式仪器可以重复使用的特点，使用于要求高精度而不要求高 速度数据传输的各类实验测试系统，i e e e 4 8 8 2 传输速率一般低于8 m b y t e s 。 ( 3 ) v x i 总线虚拟仪器。将仪器与仪器、仪器与计算机在高速的并行总线的 基础上更紧密地联接起来。v x i 总线具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时同步 精确、模块品种多、可重复利用等优点，为其设定了稳定的电源、强劲的冷却能 力以及严格控制的屏蔽。造价高适合组建大、中规模的自动测试系统。 ( 4 ) p x i 总线虚拟仪器。p c i 总线面向仪器领域的扩展，其目的是吸取台式 p c 机的性价比高优点与及v x i 实现高性能模块的做法。 g p i b 、v x i 和p x i 总线是专门为程控仪器设计的计算机接口总线，其中g p i b 仪 器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机独立使用，也可以通过标准g p i b 电 缆连接计算机实施程序控制；而v x l 和p x i 仪器没有独立的仪器操作界面，必须依 赖仪器驱动器提供的虚拟操作界面。 本自动测试系统主要对移动通信直放站的射频指标进行测试，如输出功率 ( o u t p u tp o w e r ) 、增益( g a i n ) 、波动( r i p p l e ) 、三阶互调( i m d 3 ) 、噪声系数( n o i s e f i g u r e ) 、杂散( s p u r i o u se m i s s i o n ) 等“”“”，要求高精度而不要求高速度数据传 输，为重复利用昂贵的射频仪表以控制成本，所以本直放站自动测试系统采用 g p i b 总线的虚拟仪器技术。 i o 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 虚拟仪器的软件 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目i ；i 的虚拟仪器软件开发工具有如下 两类。 ( 1 ) 文本是编程语言，如v i s u a lc 十+ ，v i s u a lb a s i c ，l a b w i n d o w s c v i 等： ( 2 ) 图形化编程语言，如l a b v i e w ，h p v e e 等。 虚拟仪器软件包括以下两大部份。 ( i ) 应用程序。实现虚拟仪器面板功能的前面板软件程序；定义测试功能的 流程图软件程序。 ( 2 ) 基于i 0 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩 展、驱动与通信。 2 3 基予g p i b 总线方式的虚拟仪器技术 工程中常用仪器设备种类繁多、功能各异、独立性强，而在一个实际系统中 往往需要多台不同类型的仪器协同工作。因此，工程上越来越希望将常用仪器设 备与计算机连接起来组成一个由计算机控制的智能系统。 g p i b 仪器控制系统是一种典型的仪器控制系统，在实际工程中的用途十分广 泛。一个典型的g p i b 仪器系统由一台p c 、一块g p i b 接口板卡和若干台g p l b 仪 器通过g p i b 标准总线连接而成。各仪器间的通信遵守i e e e 4 8 8 2 标准。 2 3 1g p i b 总线技术概述 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 通用接口总线) 也q h p i b ，是由美国 h p 公司于6 0 年代末、7 0 年代仞首先开发出来的一种实用的仪器接口系统。其原始 目的是对测试仪器进行计算机控制。于1 9 7 5 年被采纳为i e e e - 4 8 8 标准。1 9 8 7 年i e e e 又将原i e e e 4 8 8 标准作个别修订定名为i e e e 4 8 8 卜1 9 8 7 ，并同时颁布了 i e e e 4 8 8 2 - 1 9 8 7 标准，对设备消息的编码格式作了进一步的标准化嘲。g p i b 的问 世使得自动化测试中仪器的互联有了统一的标准，极大地推动了自动测试技术的 发展。 2 3 2g p i b 总线技术规范 g p i b 总线由1 6 条信号线、7 条地线及l 条机壳接地线组成，总共2 4 条线。1 6 条 信号线中，8 条数据线d i o i - d 1 0 8 ，用于传送命令或数据；3 条是用于数据字节传送 的控制总线( 握手线) ：d a v ( 数据有效线) 、n r f d ( 未准备好接收数据) 和n d a c ( 未接 江苏大学硕士学位论文 受完数据) ，它们用于数据传送时，使讲和听者交互，以控制数据传送；5 条是管 理线：i f c ( 接口清除线) 、a t n ( 注意信号线) 、s r o ( 成t 务请求线) 、r e n ( 远 程启动线) 和e o i ( 结束或识别线) 8 1 。 g p i b 总线使用8 位并行，字节串行，异步通讯方式。也就是说，所有字节都是 通过总线顺序传送，传送速度由最慢部分决定。由于g p i b 的数据单位是字节( c 8 位) 数据一般以a s c i 码字符串方式传送。 g p i b 总线系统中连接的各个设备可以具备听者( 接收并行数据) 、讲者( 发送并 行数据) 和控者( 控制系统) 三种功能中的一种，两种或全部。例如程控数字力用表 可接受程序命令、设备量程，因此具备听者属性。它的测试结果能返回给控者， 所以又具有讲者属性但在同一时刻，仅能有一个控者( 发送器) 。为避免总线冲突， 在传输数据时，仅能有一个讲者( 发送器) ，可以有一个听者( 接收器) 或多个听者。 在一般应用中，主要是将测量仪器的数据送到计算机中，利用计算机的资源 将数据处理后再发送到测试仪器或输出设备去，因此计算机便具有控制者、讲者、 听者的三种功能，外接设备仅作为听或讲，或者听、讲者。 g p i b 规定采用5 b i t 来编地址，得到3 2 ( 2 5 ) 个地址。一台器件若收到自己的 听地址，则表示此器件以受命为听者，应该而且必须参与从母线上接收数据：同样 若收到了讲地址则表示该器件能够通过母线向其他器件传送数据。由于受目i j t l 接口收发器( 驱动器) 最大驱动电流4 8 m a 限制，传输速率8 o y t e s ，总线提供的一 个控制在2 0 米的排线长度内最多可连接1 4 个仪器。而g p i b 排线与连接器是一种多 方面适用并符合工业标准的产品，可在任何环境内使用，特别是射频测试环境中 的抗干扰性能。i e e e 4 8 8 接口总线结构如同2 2 所示。 在总线上连接的设备根据功能分为四类： ( 1 ) l i s t e n e r 仅仅可以接收数据； ( 2 ) t a l k e r 仅仅可以发送数据； ( 3 ) t a l k e r 几i s t e n e r 在需要的时候可以接收数据也可以发送数据； ( 4 ) c o n t r o l l e r ( 通常是计算机) 控制连接在总线上所有仪表的数据交换。 根据i e e e4 8 8 标准舰定，接口采用2 4 针接口，对应不同针脚总线分为三类： ( 1 ) 数据总线； ( 2 ) 接口控制总线； t 2 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 传输控制总线。 图2 2i e e e 4 8 8 接口总线结构 l n p u t o t 州 总线 t a v 删 n o tr e a d yf o rd a t a n o t d a t aa c c e p t e d 总线 t a t e f f a e ec l e a r a t t e n t i o n s e r v c er e q u e 鲢 r e m o t ee n a b i e e n do rm a e n t g y 2 3 3 可编程仪器标准命令s c p i 可编程仪器标准命令s c p i 是为解决程控仪器编程进一步标准化而制定的标准 程控语占，1 9 7 5 年，在h p 公司推出的h p i b 仪器接口基础上，i e e e 带u 订了程控仪器 接口标准g p i b 。该标准定义为i e e e 4 8 8 i ，它严格定义了g p i b 硬件接口，却未定义 任何控制仪器的标准语法。1 9 8 7 年，i e e e 推出t i e e e 4 8 8 2 标准。i e e e 4 8 8 2 定义 了使用g p i b 总线时的编码、句法格式、信息交换控制协议和公用程控命令语义“1 。 s c p i 与过去的仪器语言的根本区别在于s c p i 命令描述的是人们正在试图测量 的信号，而不是正在用以测量信号的仪器。相同的s c p i 命令可用于不同类型的仪 器。 s c p i 程控仪器命令标准由三部分组成：第一部分“语言和式样”描述s c p i 命 令的产生规则以及基本的命令结构；第二部分“命令标记”主要给出s c p i 要求和 可供选择的命令；第三部分“数据交换格式”描述了在仪器与应用之自j 或仪器与 仪器之间可以使用的数据集的标准表示方法。 s c p i 命令由程控题头、程控参数和注释三部分组成嘲。 第一种形式是采用i e e e 4 8 8 2 命令，如图2 3 所示。 江苏大学硕士学位论文 图2 3i e e e 4 8 8 2 命令 第二种形式是采用由冒号“：”分隔的一个或数个s c p i 助记符构成，如图2 4 所示。 图2 4 助记符命令 2 4 软件编程环境的选择 2 4 1 开发平台的选择 目前，有许多常用的编写自动测试程序的软件平台，h p v e e 、l a bw i n d o w s c v l 、 l a bv i e w 等。但是功能相对局限不利于将来升级，同时也多为收费软件。在本直 放站自动测试系统中，参考借鉴了h pv e e 的思路，采用了v i s u a lc + + 集成开发环境。 v i s u a lc + + 是功能最强大的编程工具，为众多软件开发人员所喜爱。另外，它易 于联接组成大的应用程序，并且在编程时有较好的通用性。 另外对数据的处理采用了o l e 接口，把数据写入w o r d 或e x c e l 文件。好处当然 就是通用性了，o l e 是标准的数据库接口，如果将来使用其它数据库，只要对数据 源做微小的改变即可。 所有这些选择都是为了提高测试系统的通用性、灵活性和扩展性。 2 4 2 软件系统构成 为了便于管理和升级，这里采用了模块化开发，整个系统分为五个模块：设 备管理模块、指令执行模块、数据处理模块、用户管理模块和日志管理模块。 ( i ) 设备管理模块 管理当前在线的所有通信仪表以及其它辅助设备( 例如打印机) 。在系统启 动时，在i e e e4 8 8 总线上发送扫描信号，根据i e e e 4 8 8 规定所有符合标准的设备 都会响应，返回各自的设备信息；在系统运行时，通过设定的定时器，定期向 i e e e 4 8 8 总线上发送扫描信号，来维护在线的设备列表：添加新上线的通信仪表， 1 4 江苏大学硕士学位论文 删除已经下线的通信仪表。 对于不同厂家的g p i b 卡，相应的a p i 也不同。a g i l e n tv i s a 主要使用的a p i 函 数v i f i n d r s r c 、v i f i n d n e x t 和v i c l o s e ；n i - 4 8 8 2 主要使用a p i 函数a l l s p o l l 。 ( 2 ) 指令执行模块 利用g p i b 卡提供的读写a p i 函数向相应的通信仪表发送指令并且接收通信仪 表响应的测试数据。写指令所用到的a p i 函数对于具体的g p i b 卡是一致的，但是 a p i 函数里面具体指令因具体通信仪表的不同而不同，在写具体指令时一定要查 相应的仪表使用开发手册。 对于不同厂家的g p i b 卡，相应的a p i 函数也不同。a g i l e n tv i s a 主要使用的a p i 函数v i r e a d 、v i w r i t e ；n i - 4 8 8 2 主要使用a p i 函数i b r d 、i b w r t 。 ( 3 ) 数据处理模块 主要对通信仪表返回的测试数据进行处理。 数据存储：通过o l e 把数据存为e x c e l 文件； 数据显示：可以以文本显示数据，也可以以图表显示数据，另外也可以调用 模板来对应测试数据是否符合要求； 数据打印：可以所见即所得把屏幕上的内容打印出来。 ( 4 ) 用户管理模块 对使用系统的用户分级管理。系统用户分为三级： 管理员( a d m i n ) ：拥有最高级权限，可以操作整个测试系统，管理所有测试数 据，也可以管理所有的用户，包括添加删除用户、修改用户口令； 操作员( o p e r a t o r ) ：可以操作整个测试系统，管理所有测试数据，但是不能 管理用户； 审计员( a u d i t ) ；仅仅可以浏览测试数据。 ( 5 ) 日志管理模块 用于记录所有测试系统的使用日志和系统故障。 2 4 3 开发注意事项 因为系统开发时，编译器仅仅对程序语言和a p i 函数做语法检查，而通信仪 表指令作为a p i 函数的字符串参数不会被检查，所以通信仪表指令即便是错的， 也查不出来( 但是接上通信仪表使用时会发现仪表没有按预期工作) ，所以在程 江苏大学硕士学位论文 序歼发期间通信仪表指令一定要在g p i b 交互式工具( 一般g p i b 设备提供商都会附 带提供一个g p i b 交互工具来直接和通信仪表进行通信) 使用确认无误后再写入源 程序。 为了确保程序仪表列表和在线仪表同步，必须设定定时器定期同步程序中的 仪表。 2 4 4 软件开发升级 作为升级，我们可以将现有的测试系统和计算机网络相结合，如图2 5 所示。 这时，仪表控制服务器不仅控制整个测试系统，同时也是计算机网络中的服务器， 提供w e b 服务。远程计算机可以通过访问网页来控制通信仪表，并获取测试数据。 i e e e 4 8 8 总线 图2 5 加入计算机网络功能的通信仪表测试系统结构图 当测试系统连接计算机网络，这时网络安全就成为一个很重要的问题。一般 的解决办法是添加用户认证模块和通信加密模块。当然还有许多问题需要考虑。 2 4 5v e e 软件开发平台介绍 以i ；i 虚拟仪器的软件开发通常采用c c + + 或v c ，v b 等基于传统文本语言的软 件开发环境来编程。随着软件技术的不断进步，新的可视化仪器开发工具不断涌 现，基于图形化语言的软件开发环境采用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代 替常规的文字语占编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期。其中 最有代表性的是n i 公司的l a b v i e w 和h p v e e 。这两者皆是当今比较流行的面向仪器 控制的可视化环境，相对于l a b v i e w 强大的数据处理功能，v e e 在仪表控制方面比 较灵活，方便。考虑到h p 公司的许多测试仪表在工业和科研领域应用广泛，v e e 对h p ( a g i l e n t ) 仪表和其他厂家的通用仪器提供了强大的支持，所以微波组件测 1 6 江苏大学硕士学位论文 试系统的软件系统选择v e e 软件开发平台。 h p 公司的v e e ( v i s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t 可视工程环境) 是一种面向仪 器控制的图形化编程语言，支持w i n d o w s 和h pu n i x 工作站及s u n s p a r c i 作站等多 种工作平台，也是目前面向v x i 总线测试系统主要的软件开发环境之一。h pv e e 提供了可视性很强的一个编程环境，它的对象以图形化方式出现，对象输入与输 出的参数表示为图形上的数据节点，数据的传输，程序的执行以线条的方式表示。 整个程序如流程图一般易读易懂。1 。 一个v e e 程序包含i i i 面板和框图程序两部分。的面板是程序运行时所显示的界 面，框图程