（电路与系统专业论文）基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

郑州大学2 0 0 2 级硕士论文基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 摘要 本文简要介绍了虚拟仪器技术在仪器自动控制领域的特点，论述了现代仪器 控制模型和其中涉及到的主要技术标准如o p i b 按e l 、r s 2 3 2 接口等，深入分析 tv i s a ( v ir t u a li n st r u m e n ts o f t w a r ea r e h it e c t u r e 鹰拟仪器软件系统结构) 和s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b ei n s t r u m e n t a t i o n 可编程仪器标 壤余令) 黪缝德、原理积黪点。程西援螟戆性疑鑫麓溅量系统应麓程彦设谤孛， 撼出了采用v i s a 和s c p i 技术相结合的方法，作为仪器驱动控制方案。l a b v i e w 图形纯开发工其滏易于学习傻焉蠢功髭强大，蔹途择l a b v l e w 俸为应霸翟窿开发 平台。 本文稍用寝搬仪器技术，采朋t a b v l e w 虚接仅器编稷语言、c 5 1 语言，同时 结合相应的硬件，应用模块化的缡程方法，设计了一套开阀场地性能自动测量系 统，该系统主要包括基予b p i b 接口的仪器控制单元和基- t - r s 2 3 2 接口的天线转 按单元。聚压利用该系统避嚣了开耀场蟪 耋鹱测试和分援。 整个系统具有界面友好、操作方便、功能齐全等优点，实验结果表明研制基 予虚藏饺捺懿开溺场建瞧麓鑫动溅垂系统矮燕了溅量懿稳定整，避免了入楚羲读 数误差、计算误麓以及相关数据不能同时记录所引起的实验结果的偏差，提高了 灏试精度和试验效率，其密较高静应霜价值。 关键词：虚拟仪器v i s as c p i归一化场地衰减 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e sb a s i cf e a t u r eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yu s e di n i n s t r u m e n tc o n t r o ld o m a i n i tp r e s e n t st h em o d e lo fm o d e mi n s t r u m e n tc o n t r o la n d t h em 萄o rs t a n d a r d si n v o l v e di nt h ea r e as u c ha sg p i bi n t e r f a c e ，r s 2 3 2i n t e r f a c e ，e t c i ta n a l y z e st h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro fv i s aa n ds c p i i ti n t r o d u c e st h e c o m b i n a t i o no ft h ev i s aa n ds c p it e c h n o l o g ya si oc o n t r o lo fi n s t r u m e n ti n d e v e l o p i n ge m ca u t o m a t i cm e a s u r i n gp r o j e c t i te m p l o y sl a b v i e wa sa p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n tp l a t f o r mb e c a u s eo fi t sp o p u l a r i t y , p o w e r f u lf u n c t i o n ，s i m p l i c i t yo f l e a r n i n ga n dp r o g r a m m i n g 。 b a s e di nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t h i st h e s i s a p p l i e st h em o d u l m i n g m e t h o da n dd e v e l o p sae m ca u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mu s i n gt h ec o m b i n a t i o no f l a b v i e wc 5 1l a n g u a g ea n dh a r d w a r e t h es y s t e mi n c l u d e st h eu n i to fi n s t r u m e n t s c o n t r o l l e di nt h eb a s i so fg p i bi n t e r f a c ea n dt h eu n i to fa n t e n n a ss w i t c b e di nt h e b a s i so fr s 2 3 2i n t e r f a c e 。f i n a l l yw eu s et h es y s t e mt om e a s u r ea n da n a l y z et h e c a p a b i l i t yo ft h eo p e na r e at e s ts i t e t h es y s t e mh a ss om a n ya d v a n t a g e ss u c ha s f r i e n d l yi n t e r f a c e ，c o n v e n i e n t m a n i p u l a t i o n ，c o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n s e t c t h et 自ti n d i c a t e st h a te m ca u t o m a t i c m e a s u r i n gs y s t e me n h a n c e st h es t a b i l i t yo fm e a s u r e m e n t ，a v o i d sm a n - m a d er e a d i n g e r r o r s ，c a l c u l a t i o ne r r o r sa n dd e f l e c t i o na sr e s u l to fn o tr e c o r d i n gc o r r e l a t i v ed a t aa t t h es a m et i m e ，i n c r e a s e st h ep r e c i s i o na n d e f f i c i e n c yo ft h em e a s u r e m e n t i th a sh i g h v a l u e so f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n tv i s as c p in s a l l 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意 承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：弯荡旅 瓤咕年5 月耐日 邦卅l 大学2 0 0 2 级硕士论文基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着电子技术的高速发展，电子技术的应用已深入到社会生活的各个角落。 大到航空工业，小到家用电器，无处不存在电子高科技的应用。同时，一个突出 的问题己日益为电子界人士所关注，这就是电磁兼容问题。 所谓电磁兼容( e m c ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 问题，就是指如何 保证在同空间，同一时间内，各种用电设备( 电子设备) 都能可靠工作而互不 干扰。也就是说，一方面，设备造成的干扰要限制在一定的范围之内，不至于影 响其它设备可靠地工作；另一方面，设备还应该具有一定的抗干扰能力，能够承 受一定强度的干扰而不至于工作失常。这两方面的问题实际上就是电磁兼容所要 研究的电磁干扰发射( e m i ) 问题和电磁敏感度( e m s ) 问题。 电磁干扰发射是指引起电磁干扰的传导或辐射发射。电磁干扰分为辐射干 扰和传导干扰。辐射干扰是指通过空间传播的电磁干扰；传导干扰是指沿着导体 传播的电磁干扰。电磁敏感度分为辐射敏感度和传导敏感度。1 。 为了进行电磁干扰发射测量，必须要有一个标准场地。一般用开阔试验场 ( o p e na r e at e s ts i t e 简称为o a t s ) 进行这方面的测量。开阔试验场实际上是 一个具有一定大小并符合定标准的开阔场地。例如，在国家标准g b t 6 1 1 3 1 9 9 5 无线电干扰和抗扰度测量设备规范中，要求开阔场地是一个无反射物的 椭圆形试验场的边界 幽1 1 开闷场地示意幽 郑卅i 大学2 0 0 2 级硕士论文 基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 椭圆形平坦场地，椭圆的长轴为焦距的两倍，短轴为焦距的3 倍。如图卜l 所 示。实际测试时，被测设备( e u t ) 和接收天线分别置于椭圆场地的两个焦点位 置。一般要求开阔场地远离建筑物、电线、栅栏、树林、地下电缆和金属管道等， 并且周围没有强电磁干扰源”1 1 。 由于进行e m c 测试的工作量是相当大的，测试的数据量也非常大，所以组建 自动测试系统进行自动化测量是很有必要的。 1 2 课题的主要内容 本论文开发了个以虚拟仪器技术为核心的开阔场地性能自动测试系统， 详细介绍了系统的软硬件组成，并且利用该测试系统对我院电磁兼容实验室的开 阔场地进行归一化场地衰减( n s a ) 的测试及对测试结果的分析。主要内容有： 1 、基于g p i b 接口的仪器控制系统构建： 2 、基于r s 2 3 2 接口的天线转换系统构建； 3 、归一化场地衰减( n s a ) 测试软件及调试： 4 、系统的使用情况。 第二章虚拟仪器技术及其应用 2 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器( v i v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 是指通过应用程序将计算机与 功能化硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在 操作自己定义和设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、 判断、显示以及数据存储等。 虚拟仪器是计算机技术和仪器技术相结合的产物，是当前测控领域的技术 热点，代表了未来仪器技术的发展方向“3 。它把计算机、仪器硬件与计算机软件 结合起来。除继承传统仪器已有的功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先 进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性。用户在使用过程中可以根据需要添加 或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软 硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。 2 2 虚拟仪器的产生与发展 从1 9 8 7 年以专用集成电路( a s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) 和计算机技术为基础的总线仪器即虚拟仪器的雏形问世，到1 9 9 3 年虚 数纹嚣已发展到三匿多家厂囊，一予多秘纛熬仪器产品，戴蓐厂爨艘产黯爨是越 来越多。虚拟仪器以传统仪器无法比拟的涟度飞速发展着” 9 1 。 当懿溺肉羚许多嚣门秘公司帮在积辍缝开浸袭羧仪器技术戆磷宠帮激矮工 作。例如，美国的g e o n a t i c s 公司和g o d s m i t h 公司等利用虚拟仪器开发工具， 磷翻开发了农韭自动纯灌溉系统和秧萤分祈系统。比利时i n t e r s o f t 电子工程公 司利用虚拟仪器思想开发出了雷达分析支持系统r a s s p d p 和r a s s s 软件。羡国 斯瞧福大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学、实验、仿真系统。挪威 c a r d i a c 公司采用l a b v i e w 平台构建了测试j e 海浊霹石涵、大气、水流蛇m p f m 系统。在国内，清华大学j 藏用虚拟仪器技术构建汽车发动机性能检测系统，用于 汽车发动蹴出厂蘸耱垂动獠测。石渡科学磷究院凌虚毅仪器技术疲矮子枣爨五潼 精炼实验系统中。 莓静，瘙攒仪器已在辩醑开发、诗量捡测、测量控潮、超大甄模集簸电路 测试、模拟和数字电路测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试 3 郑翊大学2 0 0 2 绥硕士论文基手纛拉伎器技术静开蠲场戆性能蠡动测量系统 以及军攀、貌空靛天、叟裙医学、毫王技寒镶域霹移交式溅量王 睾中褥镪瘟矮， 并将随着计算机技术的快速发展和专用软件的迅速发展而不断拓展其应用领域。 2 3 虚拟仪器的构箴 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由数据采集与控制、数据分析和处理、 结果显示三部分组成。然而对于传统仪器来说，这三部分几乎均有硬件完成，而 虚拟仪器的后两部分主要有软件来实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模 块化、标准化，设计工作量、复杂性大大减小。 虚拟仪器从硬件构成上看，已完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是 在计算机上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它是 几种仪器的合成，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。虚拟仪器 的硬件结构如图2 1 所示，它主要以计算机为核心，在其基础上扩展了不同类型 的硬件设备，构成了不同类型的虚拟仪器系统。目前较为常用的虚拟仪器系统有 数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、v x i p x i 仪器系统、串行接口仪器系统以及 它们之间的任意组合“”。 咂蔓一数据滁# i h 叫g p j b 接口仪器1 _ 叫g p i b 接e i t 卜斗 - i 串行接口仪器p l c1 + p c 测 + 控 1 = 7 lv x i 仪器1 1器f 7 - 测 对 试 象 - f 现场总线设备l - 软 件 - i 图像采集、d s p 卜i + jl ll j k 1 7 j 其他硬件殴各f 1 7 幽2 1 虚拟仪器系统的结构 4 郑州大学2 0 0 2 级硕士论文基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 从图2 1 中可以看出，支持虚拟仪器的硬件种类很多，这极大地丰富了虚拟 仪器的功能，每种虚拟仪器系统都是将硬件仪器搭载到计算机平台上，再加上相 应的应用软件而构成的。因而虚拟仪器技术伴随着计算机技术飞速同步发展着。 虚拟技术的核心是软件，美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提出了“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的精神，并研制了 以l a b v i e w 和l a b w i n d o w c v i 为代表的虚拟仪器专用开发平台，这些软件提供了 虚拟仪器图形开发、调试和运行程序的集成化环境，再加上虚拟仪器硬件厂商提 供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术 的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，对各种硬件仪器的驱动软件的模块化、 标准化，将使虚拟仪器软件开发变得更加方便。 2 ，4 本耄夺结 本章众面介绍了虚拟仪器的概念、虚拟仪器的产生与发展，并将虚拟仪器 与传统仪器的特煮进行眈较，虚搬仅器开发和维护费用更低，技术戮新周期更短， 软件在仪器中起着关键的作用，而且价格比传统仪器低，猩开放性、灵活性方面 与计算机同步，可煎复使用和配置，并可通过网络对周边备仪器进行自动化、智 戆化、多功戆、远题褰控制。最后筵要分缨了豢见瓣虚越仪器系绞瓣硬l 串秘软传 开发环境。 郑州大学2 0 0 2 级硕士论文 基于虚拟仪器技术的开阔蝎地性能自动测量系统 第曼章图形化编程语言l a b v le w 及其应用 3 1l a b v i e w 概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h - - 实 验室虚拟仪器工程平台) 是n i 公司推出的一个图形化软件开发环境。n i 公司称， l a b v i e w 是一个通用的软件开发平台。确实，在一般的数据管理、科学计算等方 面，都可以在l a b v i e w 环境下开发出优秀的应用程序，然而l a b v i e w 最大的优势 还是在于测控系统的开发。因为它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大 量现代的高级信号分析工具，而且l a b v i e w 程序还非常容易和各种数据采集硬件 集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准的实时数据库 链接。国内外在科学研究与工程技术的各个领域应用l a b v i e w 丌发了大量出色的 测控系统，取得了许多重要成果。 l a b v l e w 的特点是利用图形化编程，在计算机上使用其内含的功能库和开发 工具库产生一软面板，用来为测试系统提供输入值并接受其输出值：该面板在外 观和操作上模仿有形仪器面板，在功能上则同于一般常用的程序语言。l a b v i e w 内部集成了大量的生成图形界面的模板，例如各种开关、按钮、表头、刻度杆、 指示灯等，包含了组成一个仪器所需要的主要部件，而且用户还可以方便地设计 库中所没有的仪器“”。 l a b v i e w 以框图方式集成了语言编程中结构化、模块化的编程特点，并可通 过d l l 、共享库、o l e 等与外部编码( 如c 程序) 连接。l a b v l e w 是一个带有扩 展功能库和子程序库的通用程序设计系统，其开发环境下提供的应用程序有1 8 0 多种，除了具备其他语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量模 板外，内部还包括许多特殊的功能函数库函数和开发工具库，例如f i r 这样的功 能，只需选取一个图标就可以实现。此外，l a b v i e w 还提供了多种硬件如：g p i b 、 v x i 、r s 2 3 2 等标准设备及数据采集卡的驱动功能，可非常方便地与外部设备进 行通讯和控制。 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器或简称v i ，l a b v l e w 不同于基于文本的编程语 言( 如f o r t r a n 和c ) ，它是一种图形化编程语言通常称为g 编程语言，其 编程过程就是通过图形符号描述程序的行为。它采用的数据流编程方法，控制 郑州大学2 0 0 2 级硕士论文 基十虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 v i 程序的运行方式叫做“数据流”。对一个节点而言，只有当它的所有输入端口 上的数据都成为有效数据时，它才被执行。当节点程序运行完毕后，它把结果数 据送给所有的输出端口，使之成为有效数据。并且数据很快就从源端口送到目的 端口“”。 l a b v i e w 编写程序的过程就是将多个目标用数据流连接起来的过程，被连 接的目标之间的数据流控制着执行次序，并允许有多个数据通路同步运行。这是 一种完全不同于文本程序语言线性结构的新型程序设计理念。因此，l a b v i e w 在 绘制方框图时只需从软件菜单中调用相应的功能方块并用导线连接起来即可，不 必受常规程序设计句法细节的限制。 当虚拟仪器建立起来并运行后，用户即可通过软面板来控制自己的仪器， 如按开关、移动滑块、旋转旋钮或从键盘输入一个数值等；同时，该软面板立刻 响应来自系统的实时反馈。作为人机对话的软面板，还可接受来自更高层次的虚 拟仪器参数。 l a b v i e w 以严格定义的概念构成了一种易于理解和掌握的硬件和软件模块 并提供了一个理想的程序设计环境，适合于从事科研开发的科学家和工程技术人 员，可以使得科研和工程人员摆脱对专业编程人员的依赖，因此被誉为科学家和 工程师的语言。作为一种高水平的程序设计语言，同传统的编程语言相比，采用 l a b v i e w 图形编程方式可以节省大约8 0 的程序开发时问，而其运行速度却几乎 不受影响。 3 2l a b v i 酬的结构 任何一个v i 都是由三个部分组成：一个可交互的用户界面、一个相当于源 代码的流程图和用于与其它v i 连接的图标连接器“。 1 )前面板( f r o n tp a n e l ) 。前面板是l a b v i e w 程序的图形用户接口。 前面板是控件和指示器的组合，控件仿真常规仪器上的输入设备类 型，如旋钮和开关等，指示器包括各种图表和图形，显示各种数据 输出。如图3 1 所示，是对一个温度信号测量其最大值、最小值和 平均值，并在前面板上显示其波形和几个值。 2 )框图( b l o c kd i a g r a m ) 。框图表面上类似于计算机程序流程图，与 文本编程语言中的文本行相对应，是实际的可执行代码。框图的组 件包括节点( n o d e s ) 、端子( t e r m i n a l s ) 和连线( w i r e s ) 。 图3 1 前面板示意图 辫3 2 掰示懿捱辫程寿，对应予鬻3 。i 繇示赘蓊瞩板，满磊t e m p 予 v i 程序用f o r 循环结构产生4 0 个温媵值，并求出最大值和最小值以殿它 们的平均值。扶图中可以看出，框图内节点、端予和连线构成。节点鼹程 序中的功能模块和函数，铡如t e m p v i 、m a x & m i n 函数、m e a n 。v i 。端予是 这些模块、函数与其他模块、函数交换数据的端口，相当于c 程序中的函 数的参数。迄线表示数据的传递。 叫 t e 幛e r & t 口ec h ”t 。 馘j 乡多一乏 ”f 卧圃 圃 口 图3 ，2 流程图示意图 3 ) 图标籀绩翻( j c o n e o n n e c t o r ) 。嚣稼秘接强静图形翔图3 3 掰示。 利用它们在框图中可以将一个v i 作为另一个v 1 的子v i 来调用。 图标程一个v i 中表示子v l 这个实体，接口搿来进行数掘输入、输 出，与其他宴体进行数据交换。 8 豪弧甄避瓢一垮聪，_， 端1 4 丈学2 0 0 2 级硕士论文 基于照搬仪嚣技术豹开阔场地性能自动测量系统 圈标接i ：1 一一一凰享囊赛 k - i ni a d * x h s ) k r g , l 麟曩l i t 图3 3 图标和接口示意图 3 3l a b v l e 谨7e x p r e s s 的特点 n i 公司于1 9 8 6 年1 0 月正式推出了l a b v l e w l 0 版，目前l a b v i e w 的最新 版本是7 1 版本，本论文采用的是2 0 0 3 年5 月发布的l a b v i e w7e x p r e s s 版本。 l a b v l e w7e x p r e s s 继承了l a b v i e w 的一贯传统。l a b v i e w7e x p r e s s 提供了创 新的开发环境、新的编程工具、交互式的测量以及运行方式选择，如e x p r e s sv i ， 测量i o 助理与更多的运载硬件等新增功能，同时具备了强大功能与方便使用 性能，将大大提高用户的生产率。本软件的主要功能和特点有： 1 、 拥有各种丰富的面板控件、指示器，便于用户灵活方便地组成各种所需的 测控仪器界面。 2 、 提供各种功能强大的函数库、子程序库，用户可以方便地进行各种数字信 号处理、数值变换等，便于结果的分析、运算。 3 、 提供了方便的程序调试方法，用户可使用探针察看程序在任何位置的运行 结果，也可利用其所提供的工具，察看程序的运行过程，便于用户分析程 序流程。 4 、 提供的调用库函数( c l f ) 和代码接口节点( c l n ) 便于用户使用其他程序 语言编写的程序，使其具有更好的开放性。 5 、 提供了许多仪器公司的仪器驱动程序，方便了用户对这些仪器的控制和利 用。 6 、 提供了支持a c t i v e x 控件的技术，便于用户开发使用更方便、有效、直观 的控件、指示器。 7 、 提供了网络通信功能，便于用户实现远程测控、数据传输。 8 、l a b v l e w7e x p r e s s 的新特性之一是e x p r e s sv 1 ，就是将一些常用的测量 功能打包在简单易用的、交互式的v i 程序中，从而帮助用户简化常用测 量应用的丌发过程。4 0 多个功能强大的e x p r e s sv i ，使用户在开发过程 中无需编程，只需在整个程序流程图中简单地调用e x p r e s sv i 程序，并 郑州大学2 0 0 2 级硕士论文基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 使用属性设置页面配置系统的采集、分析与显示功能即可。 9 、l a b v i e w7e x p r e s s 的另一新特性是交互式仪器控制与数据采集，经重新 设计的n i d a q 驱动程序框架及两个新的数据采集与仪器控制系统互动式 配置指南，利用自动代码生成与交互式仪器控制进一步加速了用户的开发 过程。 1 0 、l a b v i e w 将图形化开发环境的应用扩展到了新的硬件中，包括f p g a 芯片 与p d a ，以创建分布式与嵌入式的应用系统，从而进一步扩展了l a b v i e w 的应用范围。 3 4v i s a 简介 v i s a 是虚拟仪器软件结构体系( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ) 的简称。落是在所有l a b v i e w 平台上控制v x i 、g p i b 、r s 2 3 2 以 及獒它秘类仪器夔接墨程廖疼。v i s a 是惠缀残v x ip l u 薛p l a y 系绞联盟的3 s 家 最大的仪器仪表公词所统一采用的标准“。v i s a 是种用于仪器编程的标碾i o 应麓程彦菝舀。采愆v i s a 舔准，靛可敬不考虑露阕渡及仪器i o 逡择瑷，驱动 软件可以向下兼容使用。一方面v i s a 提供了简单易用的控制函数熊，在应用形 式上相当简单，另一方面v i s a 提供了菲常强大静彼器控翻功能与资源管瓒，能 提供仪器闻的互操作性与兼容性。 由于v i s a 结构考虑到了多种仪器类趔与网络机制的滚容性，因此以v i s a i 0 接口软l 牛为基皴的虚拟仪器系绞，不仅可以与遵去已蠢憨仪器蓉统绩会，选 完全可以将仪器系统从过去的集中式结构过渡到分布式结构。v i s a 的兼容性与 互撵据蛙，镶迁了掰一捷仪器完全褥浚趣入裂原毒瓣虚拨仪器系统孛，嫠褥原毒 系统可与新仪器兼容使用，从而节擞了投资费用。系统组建时，不必为了考虑与 蘸系统豹兼容经瑟不褥不选择菜家特殊的软件和磺件产品，丽可戳根据自己的需 要，在所育的v p p 产品中做出最佳选择。v i s a 标准的出现大大增强了虚拟仪器 系统的兼容性与灵活性，为仪器系统的标凇纯与统一性找到了最基础的保障。 在l a b v i e w 中v i s a 函数位于i n s t r u m e n t i o v i s a 攫投中，如图3 4 掰示。 v i s a 编程时使用v i s as e s s i o n 参数，v i s as e s s i o n 是每次程序操作过程的唯一 逻撩标设终，它耘谈了与之逶溅的没冬名拣隧及避孬) o 操俸所必震蛉酸饕信 息。v i s as e s s i o n 的缺省类值是i n s t r 。如果需要，可以选择以下值：g p i bi n s t r 、 1 0 s e r i a li n s t r 以及v x i 、g p i b v x li n s t r 。另一个重要参数是r e s o u r c en a m e ， 包含i o 接口类型以及设备地址等信息。其编程语法如表l 所示。关键词g p i b 用于同g p i b 接口仪器建立通讯，关键词v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ，即v m e b u s 在仪器领域的扩展，是计算机操纵的模块化自动仪 器系统) 通过内置式总线控制器同v x i 仪器建立通讯，关键词g p i b v x i 用于同 g p i b v x l 控制器通讯，关键词s e r i a l 用于异步串行设备通讯。若想与v i s a 未 来的版本相兼容，必须在语法中包含i n s t r 一项。 表1 v i s a 缡程语法 图3 4v i s a 模扳 接口程序语法 s e r 瑙山 a s r l b o a r d l ：i n s t r j g p l b g p i b b o a r d ：p r i m a r ya d d r e s s ：s e c o n d a r ya d d r e s s l ：l n s t r l v x l v x l b o a r d ：v x ll o g i c a la d d r e s s ：l n s t r 】 g p l 王 v x 】 o p l b - v x l b o a r d ：g p l b v x ip r i m a r ya d d r e s s ：v x l o g i c a la d d r e s s ：l n s t r v i s a 标准具有9 0 多个与仪器物理接口类型觅关的i o 操作函数。常用的 v i s a 功能模块舂：v i s ao p e n 、v i s aw r it e 、v i s ar e a d 耪v i s ac l o s e 这些功 郑州大学2 0 0 2 轾硕土论文基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 能模块都使用了v i s as e s s i o n 参数。 其中v i s ao p e n 模块如图3 5 所示，它根据r e s o u r c en a m e 和v i s as e s s i o n 与指定的设备建立通讯。模块返回v i s as e s s i o n 标志符，使用该标志值就可以 调用此设备的任何其它操作功能。e r r o ri n 和e r r o ro u t 字符串包含出错信息。 r e s o u r c en a m e 包含i o 接口类型以及设备地址等信息。 、，| s n0 p p 、 “ o o u 1 0 1 v i s al e s o t l c er i m d u p l i c a t es e s s i o n 【f 】 d e c n j f u d e 日l h i n 【n oe l l o n v i s ar $ o l l f c n a i m e r r o fo i j l 图3 5v i s ao p e n 模块图 v i s aw r i t e 模块把w r i t eb u f f e r 中的字符串写入指寇的设备，返回实际传 送的字节数。v i s ar e a d 则根据指定读取的字节数读入设备中的数据，返回实际 馋送懿字节数。v i s ac l o s e 关翅与攫定竣器瓣逶 曩过程，器敖系绫炎瀑“”1 。 3 5s c p i 简介 s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ) 是程控仪器标 准命令集，是为控锫仪器 掰设计的编程语畜。s c p i 是i e e e 4 8 8 。2 ( g p t b ) 撂准硬 件部分的顺层规范。整个s c p i 命令可分为两个部分，一是i e e e 4 8 8 2 公用命令， 勇罄分怒s c p i 仪器特定控割会令。公爨玲令是i e e e 4 8 8 2 援定瓣捩器必矮撬 行的命令，其句法与语义均遵循i e e e 4 8 8 2 规定。它与测量无关，用来控制重 设、鑫我溺试纛妖态操捧，潋“$ ”开头。爨懿* r s t 、* i d n ? 、* t s t ? 等都怒公蘑 命令，分别表示初始化仪器( r e s e t ) 、查询表明仪器类型和软件版本的标识码 ( i d e n t i f i e s ) 、对铰器滋行自测试( s e l f - t e s t ) ，并尝询禊9 试结果。 s c p i 仪器特定控制命令用来从事测量，读取资料及切换开关等工作，包括 所有测量函数及一些特殊的功能函数。不间的仪器具有各自特定的控制命令。 s c p i 在仪器领域提供了毫度麴一致髓，不论璇用示波器还是频率计数嚣测 量频率，它们使用的命令怒完全样的。控制两台不同厂家的万用寝测量电压的 撂令遣是稿强熬。嚣l 迦在许多基动控蔫瘦耀缓台下，s c p i 仪器毽为矮霹戆控裁 命令，而舆有定的互换能力。使用者不需要了解硬件设备结构，就可以进行测 量。铡弼，使疆“：m e a s ：v o l t ：a c ”命令执行交流泡压测鸶，丽不篱测量设备是 数字万用夜，数字示波器，还是相位计。 j 2 郑州大学2 0 0 2 级硕上论文基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 由于在一些测量中需要直接控制仪器设备的硬件，s c p i 提供了命令子系统 控制仪器的功能和设置，这些命令提供了更为精确的控制能力。s c p i 建立一个 通用可编程仪器模型来描述对此功能的实现，此模型将s c p i 命令集分为树状层 次结构，可分为多个子系统，每个子系统由一个根命令和一个或数个层次命令构 成。每个分支对应着一种信号处理功能。其命令层次结构如图3 6 所示。 s e n s e ：f r e q u e r c y ：c e n t e r 这是7 4 0 2 ae m c 分孝居仪设置中心频率豹s c p i 念令结掇“。 根据仪器的功能和结构，s c p i 按照仪器的功能进行分类，分类的目的是为 不同类型懿纹暴掇供一秘鸯缝织豹、统一瓣余令豢。模型孛定义了予整毒渤戆模 块，框图中的每一项，代袭子命令系统。模型表述t n 量过程和数据在仪器中的 流淘，毽蛰建数爨籍控制命令、鸯询命令、定标禽令、数糖存绩等箕谴功麓没有 在模型中体现，图中数据流向用实线箭头液示，控制流向由虚线箭头表示。 图3 6s c p i 命令层次缩构 实际仪器可嘏擦鑫身豹特点，可敬选择符合s c p i 饺嚣模登中豹有关控稍葫 能模块，例如，仪有单路输入，而无可选输入功能的万用表包含m e a s u r e m e n t f u n c t i o n ( 测量功辘) 、t r i g g e r ( 触发) 和f o r m a t ( 格式) 子系统。 同样，一个不具有触发功能，单路输出的电源可包含：s i g n a lg e n e r a t i o n ( 信 号发生器) 和f o r m a t ( 格式) 子系统。 郑州大学2 0 0 2 级硕士论文基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 3 6 本章小结 本章详细介绍了n i 公司的图形化编程语言l a b v i e w 的基本结构以及特点优 势。l a b v i e w 采用的是基于模块化程序的设计思想，非常适合于进行测试仪器的 开发，同时简要阐明了l a b v i e w7e x p r e s s 新版本的特点。最后简单介绍了v i s a 标准及常用模块以及s c p i 的结构。 1 4 第四章开阔场地性能自动测试系统的原理和硬件构建 4 1 开阔场地性能自动测试系统的原理 4 1 1 开阔测试场地的应用 开阔场地测试在电磁兼容领域主要用于3 0 1 0 0 0 m h z 频率范围对e u t ( 待测 设备) 进行电磁辐射骚扰测试，可用于较大型e u t 的测试。理想的开阔测试场可 作为最终判定测量结果的标准场地，其造价低于e m c 暗室。开阔测试场也可用来 做电磁辐射敏感度( 抗干扰度) 的测量，但不适宜加过大场强，以免对外造成电 磁环境干扰。 在计量测试领域开阔测试场占有重要地位，如天线系数的校准，国际间的对 比均要求在标准开蠲测试场中进行。随着广播，电视，无线通信技术的高速发展， 空闽电磁环境只趋复杂，这绘开阔场的建造选址以及使雳带来不少阚题。此终， 开阔测试场位于室外，受天气影响较大，自然界气候的影响也使其不能全天候的 王掺，这氆剿终了宅戆广泛应露。 4 1 2 开阔测试场地陡能的评价方法 c i s p r 标准和国家标准中用粥一化场地衰减( t 4 s a ) 来评定开捅测试场地的 质爨。c i p s r1 6 - l 积国标中测试场魄有效豹标准是在绘定的频率范围嚏( 3 0 潮z 1 0 0 0 m h z 中的2 4 个频率) ，对于水平极化和垂直极化，归一化场地衰减( n s a ) 的测 量壤羁稼壤馕( 瑾谂毽) 朝熬不太子4 d b ( 帮爨诿瓣4 d b 派裂) ，裁谈羹该场遮 符合要求。 4 1 3 测量方法及公式 n s a 的测量有鼹秘方法：一是凑数频率法，郎发射天线躯衰发睡定，农每一 个频率上调节接收天线，磁接收天线升降的过程中找出最大的接收信号，代入公 式( 4 一l 一1 ) 计算郄哥。二是扫攒频率法，铡月宽豢天线扫遘霞蠢瓣频率耱 l | | | 量 高度。本文中采用离散频率法测量，在3 0 3 0 0 m h z 频段采用双锥天线，在3 0 0 1 0 0 0 m h z 毅段选爰对数羯麓天线。 所用仪器有： 频谱分析仪，功率放大器，信号发生器，高额毫佚表，双锥天线( 一对) ， 郯州大学2 0 0 2 经磺士论文基于虞攒役器技术的开黼场地性能自动测量系统 瓣鼗嚣鬻天线( 一露) ，两摄毫筑，天线絮。 ， ， k 谍| 寺夺蹙 图4 1 测量示意图 n s a 的测量公式： 收发天线都位于测试场地的中心线上，分别测量水平极化和垂直极化波的 n s a 。发射天线的高度固定在2 m 处，接收天线在l 4 m 升降，记录接收信号的最 大值，n s a 测量值用下列公式计算： ! 一。乡一k 一爿b 一爿疋一鲥r ( 4 一卜1 ) i 一c ，一c n 公式中，巧是发射端的输出电压，嵋是接收天线的高度在1 4 m 范围内变化 时测量接收机指示的最大电压，c ，和c r 分别是发射端和接收端电缆的损耗， 是电缆短接测量值，4 b 和a k 分别是发射天线和接收天线系数，4 岛。是发射 天线和接收天线之问的互阻抗修正系数。国标中规定了r = 3m ，f = 3 0 2 0 0 m h z 的4 爿f 薪， 其它的r 、f ，a 爿，赫= o ，所以1 0 米法测量时互阻抗修正系数可以 忽略。我院所建开阔场地的两焦点长度为l o 米，在本次测量中互阻抗修正系数 为零。 测量步骤： ( 1 ) 、使信号发生器的输出电平始终保持某一恒定值。实验中信号发生器的输出 电平为0 0 6 v 。 郑卅1 人学2 0 0 2 级硕士论文 基于虚拟仪器技术的开阔场地性能自动测量系统 ( 2 ) 、断开与收、发天线连接的电缆，用转按器直接将两根电缆连接起来，此时测 量接收机指示的电平即是。 ( 3 ) 、使收、发天线与各自的电缆重新连接，在1 4 m 的范围内连续改变接收天 线的高度，记录测量接收机指示的最大电平，即是k 。 ( 4 ) 、对每一个频率的每一种极化方式，重复以上步骤，分别记录圪和k 。 ( 5 ) 、x 4 t 每- + n g 的每一种极化方式，把、k 、爿昧、爿辱和m ， ( a a 。= o ) 代入( 4 1 1 ) 式即可计算该频率在该极化方向上的n s a 。 4 1 4 测量系统硬件构成 由上面的分析可见，开阔场地性能测量系统主要在接受端进行自动测量和数 据分析，所以该测量系统的硬件主要由两部分组成，一部分是基于g p i b 接口的 仪器控制系统，一部分是基于r s 2 3 2 接口的天线转换系统，下面将对这两硬件部 分作详细的说明。 4 2g p i b 仪器控制部分设计 4 2 1g p i b 技术概述 g p i b 仪器控弼系统楚一种典麒麓纹器控翩系统，在实际工程中的应掰菲常 广泛。除了可以用于计算机与计算机之间的通讯外，还可以对扫描仪、图像记录 仪、数字存储示波器和频谱仪等仪器进行掇制，因此，对6 p i b 仪器控制系统的 硬究具有缀强的实际工程惑义。 4 2 1g p l 8 的历史 1 9 6 5 年，惠罄公司( h e w l e t t p a c k a r d ) 设计了惠普援目总线( h p i b ) ， 屡 于连接惠普的计算机和可编稷仪器，由于熟高转换速率( 通常可达 1 m b y t e s s ) ，这蕈孛接目慧线零到饕逮歆霹，著被菝毂兔i e e e 拣准4 8 8 - 1 9 7 5 和a n s i i e e e 标准4 8 8 1 1 9 8 7 。后来，a n s i i e e e 4 8 8 2 1 9 8 7 加强了原j 佟的标 准，精确定义了控巷l 器帮纹器的遗谗方式，可编鹱仪器静标准命令( s t a n d a r d c o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ，s c p i ) 采纳了i e e e 4 8 8 。2 定义的命 令结构，创建了一整