（电磁场与微波技术专业论文）基于visual+c的微波自动测量系统的研制.pdf

m a s t e r st h e s i so f2 0 1 0 s c h o o lc o d e ：1 0 2 6 9 “一s t u d e n ti d ：- ：5 1 0 7 1 2 0 2 0 6 3 。：一一一二 一e a s tc h i n an o r m a l , u n i v e r s i t y 一一一 t h e d e v e l o p m e n t o fm i c r o w a v ea u t o m e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e d o nv i s u a lc + + b y y a ot i n g b o ( m i c r o w a v em e a s u r e m e n t ) s u l ： a s s o c i a t ep r o f e s s cy i nq i u 3 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t et e s s o r i u y a n m a y 2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重卢明：本人呈交的学位论文基于v i s u a lc + + 的微波测量系统的研制，是在华东 师范人学攻读嚷博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究一i ：作及取得的研 究成果。除文中已经注明引h j 的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：羞畦泣礁 日期础年r 月1 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基丁v i s u a lc + + 的微波测量系统的研制系本人在华尔师范人学攻读学位j j 间在导师 ， 指导下完成的碣肛b 尊- h ( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果门华尔师范人学所有。本 人同意华东师范人学根据相关规定保留和使h j 此学t ：7 ：论文，井向主管部f j 和相关机构如国家 图二传馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范人 学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕+ 学位论文共建单 位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采刚影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属丁：( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文幸， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ， ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名艇l 砌年r 月y _ 7 日 幸“涉密”学位论文应是已经华东师范人学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范人学研究生中请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，朱经上述部| j 审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 姚廷选硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称。一一一 。单位_ 一一一_ 备注一 一：高建军。教授一4。华东师范大学信息学院：一- 主席j + 朱守正教授华东师范大学信息学院 廖斌副教授华东师范大学信息学院 + 。一， ? 摘要 在以学校微波实验窜丰寓的仪器资源为硬件蕻础，构建一套包含实验窒各仪 器功能的自动测量系统的t ：l 的下，本论文的牛要t 作是构建整个自动测量系统的 开发平台并主要针对矢量网络分析仪进行测量控制，i 司时由于矢量网络分析仪测 量功能的局限性，不能进行在片测量校准，所以还开发了针对此矢量网络分析的 在片测量t r l 校准件，实现了在片校准测量，扩展了其测量功能。本论文的工 作内容主要如下： 首先，第一、第二章主要介绍了现代微波测量的发展状况，同时介绍了本论 文使用的仪器接口技术方面的开发工具和其编程语言。针对这些概述，指出了本 自动测量系统对整个微波实验室的功用和在片校准测量对矢量网络分析仪的苇 大意义。 第三章主要是测量软件半台的构建和对矢量网络分析仪测量的图形化控制。 根据矢量网络分析仪的操作过程给出测量软件的结构分析，整个测量软件书要分 为连接、校准、测量、图形显示几个部分。其中图形显示部分又采用了混合编程 的方式给予实现。 第四章则通过研究t r l 校准方法原理，通过仿真研制t r l 校准件实现了矢 量网络分析的在片测量校准，扩展了其测量功能。其中还包括t r l 校准件设计 时的要求和各种考虑，如何在矢量网络分析仪上用已知的t r l 校准件的各种参 数配置校准配件文件，以便在校准时调用。最后还通过自制器件进行t r l 校准 方式和标准的s o l t 校准方式测量结果的比较，并找出误差原因为t r l 校准件 的进一步改良指出方向。 最后则进行了测量软件的整体测试，并为以后进一步的工作提出了i ：1 标。 关键词：t r l 校准、自动测量、矢量网络分析仪、v i s u a lc + + a b s t r a c t t h e m a i nw o j ko ft h i st h e s i s - i st ob u il dt h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r ma u t o m a t i c m e a s u r e m e n ts y s t e ma n dc o n t r o lt h ev e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r ( v n a ) f o rm e a s u r e m e n t a tt h es a m et i m e ，a st h ev n ad o n th a v et h eo n w a f e rc a l i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ，w e a l s od e v e l o pt h et r lc a l i b r a t i o ni t e m sf o ro n w a f e rc a l i b r a t i o nm e a s u r e m e n tf o r t h i sv n a ，e x p a n di t sm e a s u r i n gf u n c t i o n t h i st h e s i sh a st h ef o l l o w i n g ： f i r s t ，t h et h e s i si sd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm i c r o w a v e m e a s u r e m e n t a n dd e v e l o p m e n tt o o l sa n dp r o g r a m m i n g w h i c hu s e di nt h et h e s i s 1 a n g u a g et h a tu s e di n i n t e r f a c et e c h n o l o g y c h a p t e ri i i h a sc o n s t r u c t e dt h em e a s u r e m e n ts o f t w a r ep l a t f o r m ；a c h i e v ea g r a p h i c a lc o n t r o lo ft h ev n a t h ec o n t r o lo ft h ev n ac o n s i s t s o fc o n n e c t i o n ， c a l i b r a t i o n ，m e a s u r e m e n t ，g r a p h i c sp a r t s t h e g r a p h i c sp a r t h a su s i n gam i x i n g p r o g l a m c h a p t e ri va c h i e v e so n w a f e rc a l i b r a t i o nm e a s u r e m e n tf o rt h ev n at h r o u g h s t u d yt h ep r i n c i p l eo f t h et r lc a l i b r a t i o na n ds i m u l a t i o nt h et r l c a l i b r a t i o ni t e m s i t i n t r o d u c eh o wt od e s i g nt h et r lc a l i b r a t i o ni t e m sa n dt h er e q ui r e m e n t so ft h ed e s i g n ， h o wt oc r e a t ean e wc a lk i to nt h ev n au s i n gt h et r lc a li b r a t i o ni t e m sp a r a m e t e n w ec o m p a r i s o nt h er e s u l t so ft h em e a s u r e m e n tb ys o l tc a l i b r a t i o na n dt r l c a l i b r a t i o n ，u s i n gh o m e - m a d ec o m p o n e n t s f i n a l l y , i ti st h em e a s u r e m e n ts o f t w a r et e s t t h er e s u l t sa r eg o o d k e yw o r d s ：t r lc a l i b r a t i o n ，a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ，v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r , v i s u a ic + + 2 目录 。：。一。：j 。 ： 。一 摘要1 a b s t r a c t 2 目录3 ， 第一章绪论5 1 1 现代微波测量技术特点_ 一“j 5 1 2 国内外相关技术发展现状6 1 3 本论文研究的背景和意义7 1 4 本论文的主要工作8 第二章自动测量系统9 2 1 自动测量系统的概念与组成9 2 2 自动测量系统的应用及发展概况10 2 3 自动测量系统总线接口技术及开发丁具1 l 2 3 1 总线接口技术1 l 2 3 1 开发工具1 3 2 4 自动测量系统设计方案15 小结15 第三章矢量网络分析仪测量软件设计1 6 3 1 测量软件设计开发工具1 6 3 2 测量软件的结构分析1 7 3 3 测量软件设计中的一些关键技术2 2 3 3 1 与矢量网络分析仪通信的建立2 3 3 3 2 校准及测量数据读取分析2 4 3 3 3 图形显示2 9 小结3 l 第四章在片测量t r l 校准件的设计及实现3 2 4 1t r l 校准方法原理3 2 4 2t r l 校准件要求及设计考虑3 7 4 - 3 校准件的仿真设计3 9 4 4 矢量i 叫络分析仪中t r l 校准配件文件的配置j 4 6 4 5 不廿用t r l 。校准估实现习 问轴波导器件s 参数的测量一i 4 9 小结5 4 第五章系统软件测试结果5 5 第六章结束语5 8 参考文献5 9 附录6 2 论文发表情况7 2 致谢7 3 4 第一章绪论 ：一 ：_ ? ? 一： i 。- j j 。 1 1 现代微波测量技术特点1 1 。7 1 1 4 4 1 随着新的科学技术浪潮的冲击，特别是系统论、信息论和计算机技术的迅速 发展，整个微波测量领域从思想到方法、从理论到手段、从技术到仪器都正经历 着一场巨大的变革。测量仪器所采用的先进技术又推动仪器向数字化、智能化i 自动化、模块化、标准化发展 i l l 3 1 1 5 l ：另一方面，随着测量仪器“软件化”的趋 势，“软件就是仪器”、“网络就是仪器”等概念的提出，必然改变传统的测试和 测量仪器设计方法1 8 _ 9 】。现代微波测量技术主要特点如下： 1 、测试频带跨度大，频率源的稳定度高【2 1 。随着微波测试器件水平的发展， 微波测晕的频带会进一步拓宽，频率要求也越来越高，甚至从a 流到光波段。在 这样的频带宽度下，频率源的高稳定和高分辨力就将随之提高。 2 、测_ 晕= 仪器数字化、智能化、自动化【6 - 7 】。现代微波测量与计算机的结合程 度越来越高，高速的a d d a 使测鼍数字化的频率越米越高，可以充分利用计算 机的记忆、计算等功能。计算机对对仪器的控制则是建立在总线控制上面的。 3 、标准化、模块化和小型化1 4 4 1 。微电子技术的快速发展推动着微波集成电 路的发展。普通波导和同轴元件转移到平面电路，形成微波集成电路( m t c ) 、 混合微波集成电路( m h i c ) ，进一步发展到单片微波集成电路( m m i c ) 。原来 的晶体管s 参数测量方法，需要进一步发展到适用m m i c 芯片的内电路诊断和 外端测试的要求，促使微波测量技术向微型测试、电光测量技术的方向发展。 仪器软件的强大、丰富和灵活义要求硬件变得规范、标准和统一。现代测量仪器 的最大技术特征就是丰富强大的软件、模块化的硬件和具有通信功能。模块化是 仪器发展的必然趋势，但足义离不开系统的标准化。 4 、微波测量网络化1 14 1 。随着数据库联网能力的扩展，微波测试仪器想要跟 上发展，只有采用扩大进入网络和数据库的能力，现在的计算机标准，包括数据 总线和通信接口相比于以前的产品都具有更快的数据传输率和联网的能力。联网 能力的提高必然会改变传统测量和仪器的设计方法，其中也包括仪器的应用软 件，同时由于在有些测试过程中，现场测试条件或测试仪器笨重不宜携带，现场 第一章绪论 测试往往彳i 方便或者有危险，通过网络进行远程测试时一种有效可靠的办法。将 来，微波测量用户将通过网络连接到专营测试的企、i 旷或者专崩测试室完成对分布 在不同地方以及远程的各种微波测量设备的测量、测试、监控与诊断等。计算机。 技术和嵌入实时控制系统的结合，将会比我们今天所看到的、计算机技术为测 量和控制系统所带来的革命性变革还要深远，通过t c p i p 协议封装所提供的各 种测量技术，使荩于计算机的网络测量平台不断发展，应用也更加广泛。同时， 网络测量所带来的巨大效益，也会促进网络测量在测量自动化领域的应用。 5 、，实现软件化的同时，向虚拟仪器过渡0 1j 虚拟仪器( v i ) 是指通过应用 程序将计算机与测试仪器的功能模块结合，用户通过计算机强大的图形环境和在 线帮组，建立“虚拟”的仪器面板，完成对仪器的测量控制、数据分析、存储与 输出显示，从而大大降低仪器的价格，改变传统的使用方法，提高仪器的功能和 使用效率。随着大规模集成电路技术、信号处理技术、计算机技术、软件技术的 飞速发展，微波测量系统中许多原来山硬件才能完成的功能，今天能依靠软件来 完成。人i f j i l t ：始意识到软件框架才是仪器控制系统实现自动化的关键所在。微波 测量技术“虚拟化”是测试设备软件化的必然趋势。 1 2 国内外相关技术发展现状 二十世纪七十年代中期就已经提出的自动测试系统的概念就是现如今的“虚 拟仪器”的概念。在自动测试系统发展上，虚拟仪器带来的变化是革命性的。在 这个方面n i 公司领先者。自动测试系统的发展是计算机软硬件、测试系统标准、 软件标准以及各种测试平台共同发展的结果。计算机软硬件的发展是十分迅速 的，除了操作系统的多线程多用户和更多的用户接口外，还有测试系统软件的开 发环境，如可视编程环境v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等，还有后续的图形编程语 言环境，如n i 公司的l a b v i w e 、l a b w i n d o w s c v i ，h p 公司的v e e 等，大大减 轻了专业人员的编程负担。测试系统标准方面，以美国为首的用户和仪器厂商提 出了n x t e s t 技术，它就是基于l a n 的模块化合成仪器( s y n t h e t i ci n s t r u m e n t ) 。安 捷伦科技公司和v x it e c h n o l o g y 公司于2 0 0 4 年9 月为自动测试系统推出基于 l a n 的下一代模块化平台标准化l x i 。l x i ( 仪器的l a n 扩展) 不仅提供了机 架和堆叠式仪器的嵌入式测量技术和p c 标准i o 连接能力，还实现了基于插卡 式仪器的系统的模块化特点并减小了体积。软件标准如o p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) ，i v i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ) 保证了软硬件紧密的整合及 6 第章绍论 硬设备的可互换性。 正是由于计算机软、硬件技术、测试系统标准以及l 叫络等的发展，使测试技 术与计算机技术，网络技术深层次结合i 推动基于p c 机的自动测试系统不断发 展和完善。同内这力面则还自定的差距，方_ 山是凶为各种标准都是别人制定 的，另一方面! j 1 0 足我们的设备和环境等落后于国外。很多东西还足处在研究阶段， 能真正实用起来的还不多，所以这方面国内还要加强研发力度。 在校准方面，传统的校准方式为s o l t 校准，此校准主要针对的是同轴器件。 随着微波器件越来越小型化，：醛片化，校准方式则向着在片校准发展，这方面最 基本的校准方法则是t r l 校准。很多的欠量网络分析仪的工具箱都没有包含t r l 校准件，所以不能实现在片测量。目前在国外t r l 校准在片测量系统已经相当复 杂并且精度很高且早已用于实用，但国内有这方面测量功能的矢量网络分析仪却 几乎没有。 1 3 本论文研究的背景和意义 现在的微波测量仪器如上所述，与计算机的接v i 非常丰富，通过计算机能十 分方便的控制仪器。结合我校微波实验室内有着丰富的微波测量仪器资源，但是 各个仪器之间没有任何的联系，当进行测量需要不同的仪器测试不同参数的时 候，操着就相对比较繁琐了。并且测量出的数据需要测量人记录，同时各种数据 也不能在一个画面中呈现出来，没有一目了然的效果。得到数据后，后期的数据 处理也是一个问题，因为还需要将数据进行逐一的处理，这样就浪费了比较多的 人力和物力。 自动测萤系统可以充分利用计算机的各种优势，如强大的存储能力、计算 能力等。甚至还可以将其与打印机连接直接输出打印结果。所以将辛富的测量仪 器资源控制起来组成自动测量系统对实验室和进行实验的学生都是有相当大的 帮助的，测量就能真正实现学生和仪器的互动。 在测量校准方面，随着器件的小型化和器件的芯片化，传统的吲轴波导的 s o l t 校准测量方式已经不能满足现t - n 量的需求了。所以本论文针对矢量网络 分析仪开发的t r l 校准件就弥补这一方面的不足，大大扩展了实验室矢量网络 分析仪的测量功能，使其能够对非同轴波导器件进行s 参数的测量。 矢量网络 分析仪的测量软件部分则实现了s o l t 校准测量和t r l 校准测量的自动控制， 7 第一，章绪论 有更直观的结果显示和史符合实验的结果处理，同时对数据的处理也更灵活，有 更多的选择性，对于一些比较同定的实验和数据处理玎j 直接将数据处珲程序嵌入 测量软件申。直接得出需要的结果。- 一 一， 一? ： 所以奉论文的意义在于l 、搭建了软件平台，为实i 见整个实验窒的自动测量 系统打下了荩础；2 、研制t r l 在片测量校准件实现了s 参数测量的小型化和j 卷 片化；3 、矢量网络分析仪的软件部分使测量后续的数据处理变得更加简单、明 了。 1 4 本论文的主要工作 为了在矢量网络分析仪上实现非同轴波导的在片器件s 参数的测量并实现自 动测量，图形化控制，本论文的工作重点主要有以下一些： 通过研究t r l 校准方泫的原理仿真研制t r l 校准件。 根据t r l 校准件的各种参数在矢量网络分析仪上配置t r l 校准配件 文件，同时进行非同轴波导器件的t r l 校准测量并分析误差 进行矢量网络分析仪的自动控制，编写软件实现集合s o l t 和t r l 校准s 参数测量的自动测量。 对测量数据的后期处理，图形化数据，简单明了。 8 第二章自动测量系统 ： 。 一。 。- ：一i ? 。： ：。j ： 2 1 自动测量系统的概念与组成i 微波测试仪器、设备的一个重要发展趋势是智能化和自动化，自动测试仪器、 i 设备配以一定的测试程序集，即构成自动测试测量系统1 2 1 。 一般意义的自动测试系统是对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示 或输出测试结果的一类系统的统称。在这种系统中，整个测试工作通常都是在预 先编制好的测试程序统一指挥f 自动完成的。通常这类系统是在标准的测控系统 总线或仪器总线( g p i b 、v x i 、p x i 等) 的基础上组建而成的，并且具有高速度、 高精度、多功能、多参数和宽测量范围等特点。自动测试系统一般被陈为a t s ( a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ) 。 自动测试系统由自动测试设备( a t e ) 、测试程序集( t p s ) 和t p s 软件开发 工具组成，如图1 1 所示。 图1 1 自动测试系统 自动测试设备是指用来完成测试任务的全部硬件和相应的操作系统软件。 a t e 的心脏是计算机，该计算机用来控制复杂的测试仪器。这些设备在测试软件 的控制下工作，通常是提供被测对象中的电路或部件所要求的激励，然后在不同 的引脚，端口或者连接点上测量被测对象的响应，确定该被测对象是否具有规范 中规定的功能、性能或参数。a t e 的典型特征是它在功能上的灵活性，例如一台 a t e 可以测试多种不同类型的电子设备。 9 第：章自动测帚系统 测试程序集是与被测对象及其测试要求密切相关的。测试程序集山三部分组 成j 1 测试程序软件；2 ：n 试接白适配器；3 潮0 试所需的各种文件。测试软件通 常用标准测试语言。被测对象( u u t ) 有着各种不同的连接要求和输入输出端 口，凶此u u t 迮到a t e 通常要求有棚应的接口设备，称为接口适配器，它完成 u u t 到a t e 之问止确可靠的连接，并且为a t e 中的各个信号点到u u t 中的相 应i o 引脚指定信号路径。 ， 2 2 自动测量系统的应用及发展概况m ， 随着科学技术和生产的发展，对电子测量提出了越来越高的要求。特别是六 十年代以来，电子计算机的广泛应用，在各个领域引起- 连串的反应。测试测量 的内容日趋复杂，工作量增加，对测试设备在功能、性能、测试速度、测试准确 度等方面的要求也口益提高。其应用的场合主要有如下一些 ( 1 ) 高速、高效率的功能、性能测试。 那些大批量生产并且测试项目多而复杂的电子产品( 如大规模集成电路， 大批量生产的印制电路板或电路组件等) ，必须采用相应的自动测试系统。 ( 2 ) 快速检测、诊断与维护，提高装备的机动性 飞机在飞行前和飞行后，导弹、鱼雷等武器在发射前，都需要快速检测与 诊断，遇有故障则迅速定位与排除。以上工作必须有先进的自动测试系统支 持 ( 3 ) 环境相对恶劣的测试 在某些地方需要长期进行定时或不间断测试，如果用人力去测试就十分不 方便，还有就是危险地区或测试人员难以进入测试场地的测试。 自动测量系统的研制从五十年代甚至更早一些就开始了，经历了从专用型向 通用型发展的过程。在早期，仅侧重于专用型仪器的研制，近年来，特别是采用 了电子计算机以后则着眼与建立整个自动测试系统体系结构。现如今，自动测量 系统正朝着分布式系统发展。它的发展大体上可以分为以下三个阶段m 】1 1 8 l ： 一、第一代自动测试系统专用型 专用型系统是针对某项具体任务而研制的，主要用于要求大量重复测试，要 l o 第：节a 动测司系统 求可靠性高的复杂测试，用来提高测试速度或者用于人员难以进入的恶劣环境。 第二代测试系统是从人：l 测试迈向自动测试的本质的一步。如今它仍然被使用， 因为其在测试的功毹、性能、速度和效率以及使用等方面咀显优于人丑三测试i 一 第。代系统的缺点突出，主要农现任适用性不强，改变内容。般嵩要重新涉 设计l 乜路，它的接u 电路也不具有通用性。 二、第二代自动测试系统 采用标准的通用接口是第代自动测试系统的主要特征，在这种自动测试系 统中，各个仪器都用标准化的接e l 和母线连接起来，然后由计算机进行统一控制， 完成测试以后各个仪器拆除也容易，并能重新用作他用，方便灵活。这也是目前 应用最为广泛的系统。 三、第三代自动测试系统 前两代自动测试系统中计算机的作用还没有充分发挥出来。在第三代自动测 试系统中，用强有力的i ：t 算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代 替了很多物质资源。这样，仪器中的些硬件共至是整个仪器都消失了而由计算 机及其软件来完成，形成了所谓的“虚拟仪器( v i ) ”。这在测量原理和仪器设计 等方面产生了重大的影响，同时也是电子测量发展的重要方向。现住各大仪器公 司都在向着这个方向发展，推出自己的虚拟仪器品牌。 2 3 自动测量系统总线接口技术及开发工具 2 3 1 总线接口技术 自动测量系统中，总线接口技术起着桥梁的作用，其速度和效率直接影响着 整个系统的性质。这里面主要有g p i b 、u s b 、r s 2 3 2 和2 0 世纪8 0 年代后期主 要的仪器制造商制定的v x i ( 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 ) 标准。其中 v x i 的速度是最快的，但是其价格也是最昂贵的。u s b 则是新兴的计算机接口， 速度快，即插即用十分方便，但是就单独的仪器而言，一般是最新款的仪器才配 有这样的接口，r s 2 3 2 接口用于串行传输，支持的设备也十分丰富，但是串行 速度不是很快。g p i b 是比较老的协议，惠普公司在6 0 年代末和7 0 年代初开发 了g p i b 通用仪器控制接口总线标准，现在独立仪器上基本上都配备有此接口。 第：章自动测景系统 综合考虑速度、价格和普遍性等各方面的因素，本自动测量系统选用了接口设备 a g i l e n t 8 2 3 5 7 ，这是一款u s b - g p i b 的接口设备。“这样刁i 管是计算机的控制还是 仪器的控制都是最方便的一 0y ，： 一 g p i b 是个数字化的2 4 线并行总线。它包括8 条数据线，5 条控制线( a t n 、 e o i 、i f c 、r e n 和s r q ) ，3 条握手线和8 条地线。g p i b 使用异步通讯方式。 传送速度山最慢部分决定。由于g p i b 的数据单位是字节( 8 位) ，所以数据一般 以a s c i i 码字符串方式传送。 图1 2g p i b 总体结构 一个典型的g p i b 测量系统一般是由一台p c 机( 控制器) 、一块g p i b 接口 板卡和若干台g p i b 测量仪器通过标准的c p i b 测量电缆连接而成的。在一般情 况下条c p i b 总线一卜能够挂接的测量仪器设备不能超过1 4 台。在提高总线数 据传输速率上，要求任何两设备间的距离不大于6 英尺( 2 米) ，总的传输长度 必须小于6 0 英尺( 2 0 米) 4 1 i ”l l l 5 l 。 系统中每个设备( 包括接口板卡) ，必须有一个0 到3 0 之间的g p i b 地址。 一般而言，g p i b 接口板卡地址设置为0 ，各种g p i b 仪器的地址设置为从l 到 3 0 。g p i b 由一个控者( p c 机工作站) 控制总线，在总线上传送仪器命令和数 据，控者( c o n t r o l l e r ) 寻址一个讲者( t a l k e r ) ，一个或多个听者( l i s t e n e r ) ，数 据串在总线上从讲者向听者传送。g p i b 软件包自动处理寻址和其他的总线管理 功能。 1 2 第。：章自动测最系统 。囊 一“沪辩。- _ 蟛一? ；t * 锄；茹i j 图1 3 a a g i l e n t 8 2 3 5 7u s b g p i b 电缆 2 3 2 开发工具 。 图1 3 bg p i b 接口电缆 g p i b 仪器的控制方法很多，学校实验室的仪器以a g i l e n t 的为主，故采用了 a g i l e n ti ol i b r a r i e s 配置系统。a g i l e n ti ol i b r a r i e s 中有一个专门的连接工具 1 1 2 1 1 4 6 1 ，通过这个软件可以连接到目标仪器一 ：，为后面程序的调试提供了很大的 方便。图1 4 就是此软件的界面和日标仪器的各种信息。 图1 4 a g i l e n ti ol i b r a r i e s 的界面 图1 5 命令发送窗口 通过图1 5 巾的命令发送窗口就可以向日标仪器发送命令和读取数据。 a g i l e n ti ol i b r a r i e s 配置系统包括了三种控制程序接口：一种是v i s a ( v i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) ；一种是v i s ac o m ( v i s af o rt h ec o m m o n o b j e c tm o d e l ) ；还有一种是s i c l ( s t a n d a r di n s t r u m e n tc o n t r o ll i b r a r y ) 。 安捷伦s i c l 是a g i l e n t 为多种接口和系统的使携式仪器开发提供的i o 库。 s i c l 是一个模块化仪器通信库，它被用在计算机体系结构，i o 接口，操作系 统中。在c c + + 或v i s u a lb a s i c 编写的应用程序和t 程中常使用这个库。 v i s a 则是许多大公司的统一标准，它允许不同供应商开发的各种软件在同 一个系统中运行。 w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 都支持3 2 位版本的v i s a 。同时这些系统也 第j ：章自动测帚系统 支持c ，c + + ，v i s u a lb a s i c 等软件，只要添加相关的头文件就可以在这些软件中使 用v i s a 的程序库了： 一：。 。一 - ：通过v i s a 编程需要了解许多基本的v 峪a 机制，其中包括i o 命令发送的二 格式、使用事件和句柄，各种资源和属性，锁定等等 v i s a 资源：在v i s a 中，任何一个v i s a 可以提供通讯的仪器都可以定义为 它的资源。每一个资源类都包含了一下几个方面：l 、资源属性，此属性用以决 定资源或会话的状态，或者改变一个资源或会话到特定的状态；2 、与应用程序 进行通信的事件；3 、为资源类所用的操作。 v i s a 属性：属性是和各种资源或会话相关联的。属性用以决定资源或会话的 状态，或者改变一个资源或会话到特定的状态。 对于c 和c + + 程序而言，在调用了v i s a 功能函数的工程文件的开始处都应该 包含头文件v i s a h ：# i n c l u d e “v i s a h ”这个头文件包含了v i s a 函数的原 型声明和所有v i s a 的常量和错误代码的定义。v is a h 头文件还包含了 v i s a t y p e h 头文件。而头文件v i s a t y p e h 定义了大多数v i s a 的类型，这些v i s a 类型贯穿整个v i s a ，对功能函数的各种数据进行类型定义。 关于v i s a 的会话。一个会话就是一个通信的通道。会话必须先在一个缺省 的资源管理器上打开，然后每一个资源才能利用。为一个指定的资源建立通信对 话需要两个步骤：首先，必须利用函数v i o p e n d e f a u l t r m 在默认的资源管理器上 打开一个会话，称之为资源管理器会话。它主要用来初始化v i s a 系统，它是所 有后续会话的父类会话，所以必须最先打开。你只需打开此会话一次即可。后面 对函数v i o p e n d e f a u l t r m 的调用都返回到默认资源管理器的同一个会话。然后， 利用函数v i o p e n 打开指定资源的会话。它返回的会话标识符能被随后使用到该 仪器的函数使用，用以指示该仪器资源。需要关闭会话的话就必须调用函数 v i c l o s e 来释放分配的资源，如果关闭资源管理器会话，则所有的会话都会被关 闭掉。 一旦和仪器的通信会话建立起来了，就可以利用v i s a 的i o 进程与仪器进 行通信。 在v i s a 里还有俘获错误和锁定等等功能，这些在v i s a 编程过程中都是用得 到的，这里就不再一一讲解了。 1 4 第：节自动测节系统 2 4 自动测量系统设计方案 围绕着微波实验室丰= 富的仪器资源本自动；_ ! 1 1 4 量系统的最终日标是将实验室 的各种仪器均把沸4 起 米，组成，个自动测量系统，使各种参数( 如s 参数，噪卢 系数，电压，电流等) 的测量均能实现自动控制，并将各种参数记录在软件中可 以存储，可以进行复杂计算等。 在构建如此一个自动测量系统的大前提下，由于时间的关系，本论文在搭建 大的框架甲台后年要进行矢量网络分析仪部分的开发和控制。 由于现代测量的小型化和测董器件芯片化，常规的s o l t 校准测量已经不能 满足需求了，所以为了扩展矢量网络分析仪测量功能，扩展自动测量系统s 参数 部分的测量功能，本论文开发实现了针对非同轴波导器件s 参数测量的校准件， 并实现测量的软件控制。 所以本测量系统中的矢量网络分析仪部分就分为对常规的s o l t 校准测量和 自己研制的针对非同轴波导器件s 参数测量的t r l 校准测晕的控制与实现。 小结 在这一章里主要介绍了自动测量仪器系统的概念和发展等。自动控制首先离 不开的就是接口总线，本课题采用了支捷伦的u s b g p i b 接1 2 电缆和它的软件连 接工具a g i l e n ti ol i b r a r i e s 。a g i l e n ti ol i b r a r i e s 配置中义采用了v i s a 编程接i z i 实现与仪器的通信。然后对本自动测量系统的设计方案进行说明。 一第三章一矢量网络分析仪测量软件设计 。? 。：”。：j - 。 - j ：一。：。 3 1 测量软件开发工具 存操作系统方面，凶为w i n d o w sx p 有着相当高的稳定度和j “泛的用户基础 同时此系统支持的程序很多，有良好的开发环境，所以选择w i n d o w sx p 作为操 做系统。v i s u a lc 冉作为微软推出的程序开发平台1 2 0 1 ，其功能很强大，其中的类 库m f ct 1 9 1 ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 封装了大量的w i n d o w sa p i 函数，给程 序开发者提供进一步的方便。而其他的如c ，l a b v i w e 等开发环境都是而向程序 的编程方式，对丁软件的开发不是很好，故不选用。在图形显示等方面，n i 的 控制库和函数库有着巨大的优势，同时这些库都针对v i s u a lc + + 提供了接口，所 以v i s u a lc + + 可以十分方便的调用c v i 专门为仪器软件提供的仪器控制库和函 数库1 2 2 1 。所以，此自动测量软件的开发工具就选用了上述三种。 其中v i s u a lc + + 是一个功能强大的可视化软件开发工具【2 1 1 ，它不仅仅是一个 c + + 编译器，还是一个基于w i n d o w s 操作系统的集成开发环境。v i s u a lc + + 由许 多组件组成，包括编辑器、编译器、调试器以及程序向导a p p w i z a r d 、类向导 c l a s s w i z a r d 等。这些组件通过名为d e v e l o p e rs t u d i o 的组件集成为一个和谐的开 发环境。 v i s u a lc + + 支持面向对象程序设计，并能够使用功能强大的m f c ，利用v i s u a l c + + 可以编制各种类型的w i n d o w s 应用程序，从简单的单文档、多文档和对话框 程序到复杂的组合界面程序，并且可以其他的可视化开发工具紧密集成进行综合 软件项目的开发。 1 6 第三章欠最网络分析仪测帚软件设训 d 复件晓，嫡辑嘿j 互看! j 蕊，l 二，工毪lj 坦硅趸工鼻吒窜墨j 辱勋也 套溶qa 嘞，匹圃窘嗡_ - 。一 c e 0 4 0 3 d i g 二i l id a s sm e m b e r s j -二童彦曲 ll i 毒 。尊x 9 b c d h 7 6 5 8 7 6 2 7 呐鞠 6 0 ”一一i t u d e d 一) 一 ，6 5 8 7 6 e 2 ，e i m l j a a 6 8 k ii h c l u d e d 一 i | | “| | h 川t l i l 川j i | 1 l s t a n d a r ac o n s t r u c t o r 补组震月啊百在刃骄罚翮谬襻荟荦覆盯可瓣酊西磊丽弱孬百飞磷蕊巍砑 2 7 刿1 3 2 软件结构分析 图3 1v i s u a lc 抖开发主界面 自动测量的控制软件作为自动测量的核心部分，其功能卞要可以分为三个部 分：用广界面交互、数据分析处理、硬件接口及通信。其层次结构如图3 2 所示 图3 2 测量软件结构层次图 用户界面交互部分即是提供给人们一个便于操作的人机交互界面。这个界面 1 7 一 搿“|； 第二章欠帚网络分析仪洲最软件设t 一定要简洁明了，界面的各个部分在无需提示的情况下也能让操作的人明白其功 能是什么，。用户通过界而输入；完成测量的控制并通过选择得到需要参数的直 ， 观图形，仁保存结果以供以后查询。一，：一o - 。； 数据分析处理部分就是将从 j 标仪器得到各种数据进行解读，若是控制信息 的反馈，就反馈给控制界面，若足测量得出的参数数据等，就根据交互界面上的 输入进行相应的处理并把处理结果根据用户的需要提供给显示界面。 硬件接口通信部分则是软件与硬件( 目标仪器) 之间的桥梁，它起到了一个 控制信息和数据信息在交互界面和目标仪器之间传输的使者的作用。这部分如前 所述，采用了g p i b 的通信协议。 本测量软件需要完成的工作包括： 1 ) 硬件接口通信。这是第一步需要完成的，没有了通信，软件测量的 后续一切都是无用的。 2 ) 测量前的校准t 作。不管是选用s o l t 校准方式还是t r l 校准方式 都能够通过此测鼍软件进行校准测量。 3 ) 测量过程中的操作。主要就是对频率范围步进的设置等方面。 4 ) 图形显示。此部分就是将完成后的数据以用户需要的格式显示出来。 在明确了此测量软件的结构和各部分功能情况以后，就可以将整个软件的结 构框图细化，从而指导后续的编程工作流程。 总体结果框图如图3 3 ： 1 8 第三章矢景网络分析仪测景软件设i 用户 图3 3 软件总体结构框图 在此自动测量系统中，最主要的日标仪器就是实验室的矢量网络分析仪，其 型号为安捷伦的n 5 2 3 0 a 。选择