（电路与系统专业论文）数字扫频仪测控分析软件设计.pdf

塑至 i i i ii lul li i iii i i ii i i 一 摘要 y 2 0 6 7 8 4 3 扫频仪测控分析是将扫频仪系统上的信号加以整理、处理，而后进行显示、 控制、数据分析与存储的过程。论文以数字扫频仪和虚拟化测控技术为基础，研 究数字扫频仪虚拟化测控分析软件，以实现数字扫频仪的虚拟化测控，增强其灵 活性和通用性，具有重要的实用价值。 论文分析仪器测控技术的发展现状，给出数字扫频仪测控分析软件的设计方 案，设计包括数据处理、控制、数据存取、界面等在内的扫频仪测控分析软件， 详细描述主要的程序处理流程以及各模块间的连接关系。论文完成通信接口软件 的设计，实现计算机与扫频仪的r s 2 3 2 接口与u s b 2 0 接口通信，并对测控分析 程序和通信接口程序进行调试，实现界面与曲线显示、频率特性分析、信号源设 置、存储与调用等功能。 测试结果表明，系统可实现扫频仪的测控分析，能够准确地分析被测网络的 频率特性。 关键词：扫频仪测控技术u s b 2 0 接口频率特性分析 a b s t r a c t a b s t r a c t m e a s u r i n g a n dc o n t r o lo ff r e q u e n c ys w e e p e ri st h e p r o c e s so fc o l l e c t i n g ， p r o c e s s i n g ，d i s p l a y i n g ，c o n t r o l , d a t aa c c e s sa n dd a t aa n a l y s i s t h i sp a p e ra d v a n c e sa d e s i g no fv i r t u a lm e a s u r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r ef o rd i g i t a lf r e q u e n c ys w e e p e rb a s e do n t h es t u d yo fd i g i t a ls y n t h e s i sf r e q u e n c ys w e e p e rw o r k i n gp r i n c i p l ea n dv i r t u a l m e a s u r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ed e s i g no f v i r t u a lm e a s u r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e e x t e n dt h ef u n c t i o na n de n h a n c et h eu n i v e r s a la n df l e x i b l ep r o p e r t yo ft r a d i t i o n a l 丘e q u e n c ys w e e p e r i th a ss i g n i f i c a n tp r a c t i c a lv a l u e a n a l y z i n gt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fv i r t u a lm e a s u r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo f i n s t r u m e n t ，t h ep a p e rp r o p o s e sap l a nf o rd e s i g no f t h ec o n t r o la n da n a l y s i ss o f t w a r ef o r d i g i t a lf r e q u e n c ys w e e p e r ，i n c l u d i n gd a t ap r o c e s s i n g ，c o n t r o l ，d a t aa c c e s sa n du s e r i n t e r f a c e t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s i g ni m p l e m e n t a t i o no fv a r i o u sc o n t r o la n d a n a l y s i ss o f t w a r e ，d e s c r i b i n gr e l a t i o n s h i po fm o d u l e sa n dc r i t i c a lp r o g r a mf l o w s t o r e a l i z er s - 2 3 2a n du s b 2 0i n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n , t h e p a p e rd e s i g n s t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es o f t w a r e t h ep a p e rc o m p l e t e sp r o g r a mr e a l i z a t i o na n d d e b u g g i n ga c c o r d i n gt os p e c i f i cr e q u i r e m e n ti n o r d e rt or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h e s o f t w a r e e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h i sd e s i g nc a nr e a l i z et h ec o n t r o lo fl o w e rm a c h i n e t h r o u g ht h es o f tp a n e lo f p ca n da c c u r a t e l ya n a l y z e st h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c i r c u i tn e t w o r k k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys w e e p e rm e a s u r i n g a n dc o n t r o l t e c h n o l o g y u s b 2 o i n t e r f a c e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 接口与r s 2 3 2 接口是现在主流的 串行总线接口，在数字化测量仪器中得到广泛的应用。数字扫频仪的u s b 与r s - 2 3 2 接口使其具有通用性和可扩展性。扫频仪通过u s b 或r s 2 3 2 接口与计算机、u 盘或其它数字设备进行数据通信，可实现数据存储或功能扩展。 数字扫频仪用来测量各种有源、无源网络的频率特性。在数字扫频仪工作过 程中，发出控制信号并对输入模拟信号进行采集、整理、处理，而后进行测量结 果显示等一系列的过程即为数字扫频仪测控l l j 。 近年来计算机及微电子技术的迅猛发展及其与测控技术的相互渗透使得仪器 测控技术不断更新，高速度、标准化、灵活化的发展方向为数字扫频仪的测控提 出了新的要求。虚拟化测控技术为数字扫频仪提供了新的测控分析方法【2 】，图1 1 为数字扫频仪的虚拟化测控系统结构图。数字扫频仪通过u s b 2 0 或r s 一2 3 2 接口 与计算机通信，使用计算机作为控制端来实现数字扫频仪测控分析。 图1 1 数字扫频仪虚拟化测控系统结构图 本文论述数字扫频仪测控分析软件的设计，测控分析软件以通用计算机作为 控制与显示端，通过r s 2 3 2 串口和u s b 2 0 接口与数字扫频仪进行通信，可实现 对数字扫频仪的虚拟化测控，扩展了传统数字扫频仪的功能，使得用户对扫频仪 测量数据的分析和处理更加灵活，用户可自己定义虚拟界面和测量功能，对一些 更为关注的分析结果可着重显示，可选择多种显示方式，同时可将需要的测量数 据、频率特性曲线、参数设定信息存盘，需要的时候可以直接调用。从而增强了 数字扫频仪的通用性、灵活性和可扩展性，方便用户使用和系统升级。 1 2 相关技术发展现状 从技术发展的角度看，仪器总线走的是两条技术路线：一是向高速、高精度、 2 数字扫频仪测控分析软件设计 大型设备方向发展，即g p i b ( 1 9 7 5 ) 堋i ( 1 9 8 7 ) p ( 1 9 9 7 ) 的发展路线； 另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，即p c 插卡( 1 9 8 7 ) 一并口式 ( 1 9 9 5 ) 一串口u s b f i r e w i r e 方式( 1 9 9 9 ) 的技术路线【3 】。 g p i b 是为了连接和控制可编程仪器与计算机而发展起来的，它为来自不同厂 商的仪器之间提供了标准接口。g p i b 总线系统的结构和命令简单，造价较低，主 要应用于台式仪器，适合于在精度要求高而不要求对计算机高速传输的状况下应 用。v x i 总线是将高速计算机总线v m e b u s 技术用于仪器领域经过扩展而形成的。 v x i 仪器的标准基于开放原则，又具有定时与同步精确、模块可重复利用、结构 紧凑、数据吞吐能力强和众多仪器厂家支持的优点，很快得到了广泛的应用【2 4 1 。 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，它将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成 适合于试验、测量与数据采集场合应用的规范。 1 9 9 4 年底以i n t e l 公司为首的7 家公司推出了通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，u s b ) 第一个协议规范，用于电脑与外部设备的连接和通讯。u s b 一开始是 面向中低速外设的，其应用主要在p c 机领域。随着u s b 2 0 的推出，u s b 总线也 可以连接高速外设，再加上u s b 总线的价格优势，u s b 总线有广阔的发展前景。 u s b 总线已经得到m i c r o s o t t 和d i g i t a l 等国际著名公司广泛的支持【l 0 1 。 现代测控技术是将计算机技术、测量技术、控制技术和网络通信技术相互融 合而发展起来的一门新兴技术。由于相关科学技术的迅速发展，测控技术正在向 着虚拟化、网络化、分布式化的方向发展 3 1 。 近年来相继出现的微机化仪器都是利用计算机强大的软件和硬件资源来增加 仪器的测量功能和提高技术性能。具有丰富软硬件资源和强大数据处理能力的计 算机能够完成许多测量仪器和仪表的功能。仪器测控技术的虚拟化是借助于计算 机来实现仪器测控，具体连接关系如图1 2 所示。 测量 测量数据。 仪器 1 控制命令 凰竺舀匠= 习 计算机 用户 图1 2 计算机与仪器连接关系 用户通过与计算机交互来实现仪器的测控分析功能，其处理功能强大，灵活 性和易扩展性强。接口通信及测控分析功能依靠计算机软件来实现。用于虚拟化 测控应用软件的开发环境有许多种，比如l a b w i n d o w s 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 等基 于文本语言式的开发平台，或者i - i p v e e 、l a b v i e w 等基于图形化的开发平台。近 年来虚拟测控技术在工业控制、仪器仪表、安防监控、医疗设备等方面都得到了 第一章绪论 3 广泛的应用。 从对目前仪器测控技术发展状况的分析可知，为了满足高处理速度、通用性 和灵活性、数据管理的便利性等要求，对数字扫频仪进行虚拟化测控功能的扩展 是必要的。 1 3 论文工作及结构安排 本文以网络的频率特性分析为基础，在充分研究了基于直接数字频率合成技 术( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 与d s p 技术的数字扫频分析仪的前提下，提出了一 种数字扫频仪测控分析软件的设计方法。完成了扫频仪虚拟化测控分析软件和通 信接口软件的设计。扫频仪测控分析软件是以l a b w i n d o w s c v i9 0 为开发平台所 设计的，软件一方面接收所采集到的原始数据并进行信号分析与处理，计算相关 的测量结果信息并描绘出幅频特性与相频特性曲线，另一方面可通过发送相关的 指令实现对扫频仪系统的控制。系统的操作与显示界面模拟扫频仪操作面板，逼 真而又易于操作。通信接口软件实现了计算机同扫频仪间的r s 2 3 2 与u s b 接口 数据通信。测控分析软件以通用计算机作为控制与显示端，通过与扫频仪的r s 一2 3 2 或u s b 接口通信来实现数字扫频仪的测控。 本文共分为六章，具体的章节内容安排如下： 第一章：介绍本文的研究背景，测控分析软件的设计目的与所要解决的问题， 以及仪器测控技术的发展状况，最后说明论文完成的工作和文章的结构安排。 第二章：介绍数字扫频仪虚拟化测控技术，包括数字扫频仪的系统组成以及 工作原理，虚拟化测控技术，数字扫频仪测控分析软件的整体构成以及各部分的 功能定义。 第三章：设计数字扫频仪测控分析软件，首先进行测控分析软件系统的总体 设计，接着进行界面、数据处理、控制、数据存取等模块的详细设计。 第四章：设计通信接口软件，包括r s 2 3 2 与u s b 接口软件、d s p 外设接口 软件的设计。 第五章：进行数字扫频仪测控分析软件的功能测试及结果分析。 最后总结了论文的研究工作，并指出了系统待完善的地方。 4 数字扫频仪测控分析软件设计 第二章数字扫频仪虚拟化测控技术 5 第二章数字扫频仪虚拟化测控技术 2 1 数字扫频仪工作原理及组成 2 1 1 扫频仪工作原理 线性电路对正弦信号激励的响应仍然是正弦信号，输出的正弦信号与输入相 比只是其振幅和相位发生了变化，一般情况下都是频率的函数。如图2 1 所示， 在正弦稳态下的传输函数h o w ) 就反映了系统激励与响应之间的关系。 正弦信号稳态响应 线性网络 v ( mh ( j w )配u w ) 图2 i 线性网络的传输特性 酬加卜而v o ( y w ) 2 等2 i h ( j w ) i 纱 ( 2 _ 1 ) 在式( 2 1 ) 中，日u 叻为线性网络的频率响应或频率特性，i h ( j w i 为网络的幅频 特性，驴( 忉为网络的相频特性。 本文所研究的数- 7 丰a 频仪工作原理框图如图2 2 所示。 控制 叫扫频信号源h 低通滤波 h增益调节h 扫频仪测 被测 控分析模块 网络 刊数据采集h 幅度相位煳h 增益调节p 图2 2 数字扫频仪工作原理框图 如图2 2 所示，在测量一个线性网络的频率特性时，首先由数据处理与控制单 元发出控制信号来控制扫频信号源产生所需频率的正弦波扫频信号，然后通过低 通滤波器滤除掉高频信号分量使曲线平滑，最后信号通过可控增益调节后加入到 被测电路网络，以上过程由数字扫频仪的输出通道来完成1 6 】。在信号加到被测线性 网络后，电路网络会有相应的输出响应信号，扫频仪将输出响应的信号进行处理 分析来获得最终的幅频特性与相频特性测量结果，这个过程由数字扫频仪的输入 通道和测控分析单元来完成。被测线性网络的输出信号首先要经过可控增益调节， 目的是为了满足幅度检测与相位检测部分相关器件的信号电平要求，在进行增益 调节后信号进入幅度与相位检测电路进行处理，将处理所得的模拟信号结果检波 6 数字扫频仪测控分析软件设计 后进行采集，最后将采集所得的数据送往测控分析单元进行分析处理并显示最终 的测量结果。 数字扫频仪可对被测线性网络进行点频测量和扫频测量，点频测量是逐个频 点地测量网络频率特性的方法，每一次测量时扫频信号源只能输出某一固定频点 的信号。点频测量网络所得的频率特性是静态的，无法反映信号的连续变化。 频率特性的扫频测量即频率源的输出能够在测量所需的范围内连续扫描，因 此可以连续测出各频率点上的频率特性结果并立即显示特性曲线。扫频测量时信 号源的频率连续变化，所得的频率特性是动态频率特性，不会漏掉细节。不足之 处是如果输入的扫频信号频率变化速度快于系统输出响应时间，则频率的响应幅 度会出现不足，扫频测量所得幅度一般小于点频测量的幅度。一般情况下，测量 系统动态特性，必须用扫频法；为了得到静态特性，必须选择极慢的扫频速度以 得到近似的静态特性曲线，或采用点频法【5 1 。 2 1 2 扫频仪的组成 本文所研究的数字合成扫频仪是用直接数字合成信号发生器作为频率源，由 d s p 、f p g a 进行控制的全数字频率特性测试仪。仪器具有简单而又功能清晰的面 板、按键、旋钮、屏幕以及中文菜单，方便操作。该数字扫频仪可测量线性电路 网络在2 0 h z - 1 5 0 m h z 范围内的频率特性，显示频率特性和相位特性曲线并可直接 显示标记频率位置的频率值、幅度值和相位值。 ( 1 ) 主要技术参数 扫频方式：分为线性扫描、点频两种方式； 输出信号频率参数： 频率：2 0 i - i z 1 5 0 m h z 内平衡度_ 6 0 d b ，分辨率：o 1 h z 输出信号电平参数： 输出电平范围：8 7 d b m - - - - 1 3 d b m ( f 6 0 m h z ) ，步长l d b 输出阻抗：5 0q 、7 5q 输入阻抗：5 0q 、7 5q 、高阻 ( 2 ) 扫频仪系统组成 数字合成扫频仪主要由数据处理部分，控制接口电路逻辑部分，扫频信号产 生与输出部分，幅度与相位检测部分，数据采集部分等构成。系统整体的工作原 理框图如图2 3 所示。 第二章数字扫频仪虚拟化测控技术 7 图2 3 数字扫频仪原理框图 数据处理部分采用a d i 公司的a d s p b f 5 3 2 处理器。上电后b l a c k f m 5 3 2 实现 对系统各部分的初始化。并对采集到的数据进行处理，得到幅度与相位数据并实 现曲线描绘、数据存储。 控制接口电路逻辑部分采用a l t e r a 的e p l c 6 t 1 4 4 芯片。f p g a 逻辑部分包 含d d s 控制逻辑、l c d 与v g a 显示控制逻辑、s p i 收发接口逻辑、数据采集与 控制逻辑、键盘扫描逻辑以及增益控制逻辑。下面就各部分逻辑的功能做以下描 述： d d s 控制逻辑通过向d d s 芯片发送频率控制字和相位控制字来产生所需频率 的扫频信号源； l c d 与v g a 显示控制逻辑部分通过接收由b l a c k f i n 5 3 2 发出的图形坐标信号 来驱动l c d 与v g a 显示相应的幅频与相频特性曲线和扫频仪界面； s p i 收发接口逻辑用来接收b l a c k f m 5 3 2 的s p i 外设接l z l 所发送的串行数据流， 将这些数据流解包后分别送给采集控制逻辑、d d s 控制逻辑、增益控制逻辑 以及键盘扫描逻辑，同时用来接收来自a d c 模块所采集的信号以及键盘扫描 的数据，将通过s p i 接口其发送给b l a c k f i n 5 3 2 做处理； 数据采集与控制逻辑接收来自数据采集模块的数据，包括幅度信息和相位信 息，并将其送给s p i 接口收发逻辑； 键盘扫描逻辑发出键盘扫描信号，通过分析输入信号来判断按下的键，并把所 得结果发送给s p i 接口收发逻辑； 增益控制逻辑用来调节扫频信号源的正弦波幅度大小。 扫频信号产生与输出部分包括信号产生部分和输出增益控制部分。信号产生 8 数字扫频仪测控分析软件设计 部分产生两路i ，q 信号。其中i 路信号用来实现相位测量，q 路经增益调节后得 到所需测量输出信号。 幅度与相位检测部分将信号的幅度与相位信息转换为对应的电压信号。数据 采集部分通过采集信号幅度与相位对应的电压值将幅度与相位信息转换为数字信 息，f p g a 将采集到的数据通过s p i 口送入d s p 处理后得到幅度与相位曲线。 2 2 数字扫频仪测控分析软件概述 2 2 1 扫频仪虚拟测控技术 ( 1 ) 虚拟化测控 随着仪器及测控技术的发展，智能化、虚拟化、网络化已经成为了仪器测控 技术的新方向。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 ) 于2 0 世纪8 0 年代中期 首先提出基于计算机技术的虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，将 仪器测控技术引领到了新的发展方向【7 1 。 虚拟化测控技术的思想是借助于具有丰富软硬件资源和高性能的计算机来实 现仪器的测控，用灵活的软件来实现对测量数据的分析与处理以及直观又便于操 作的图形化用户界面。用户可事先设计好所需测试功能的计算机软件和人机交互 界面，然后完成系统的测试功能及数据管理【8 】。数字扫频仪虚拟化测控系统组成如 图2 4 所示。 图2 4 数字扫频仪虚拟化测控系统组成 虚拟测控功能是通过软件在计算机平台上运行来实现的，由于计算机具有强 大的处理性能和显示能力，资源丰富，所以可实现高性能、灵活化的仪器测控。 虚拟测控软件体系结构如图2 5 所示。 第二章数字扫频仪虚拟化测控技术 9 应用软件开发环境 测控应用软件 仪器驱动程序 i i o 接口软件 图2 5 虚拟测控软件体系结构 i o 接口软件是仪器驱动器软件和i o 接口设备之间的一层软件，主要负责与 外部i o 接口设备进行通信和数据传输。仪器驱动软件是虚拟化系统的重要组成部 分，它是用于实现对仪器的控制和通信的软件，用户对仪器的操作都是通过仪器 驱动程序来实现的，仪器驱动程序中包含了仪器操作的子函裂1 2 1 。 虚拟测控软件包括用户与计算机交互的人机界面程序和完成系统所需测量与 数据处理功能的主程序。这两大部分的程序都是由用户按照需求自行设计的，可 随时对其进行更改或扩展，方便用户使用【9 】。 ( 2 ) l a b w i n d o w s c v i 开发环境 l a b w i n d o w s c v i 是美国n i 公司开发的测量软件包m e 踟e m e ms t u d i o 中包 含的一种用于虚拟仪器开发的3 2 位集成软件开发环境，它将数据采集、分析处理 和显示等测控分析方面的专业工具同c 语言开发平台相融合。采用交互式的开发 平台和编程思想，l a b w i n d o w s c v i 提供了丰富的操作面板、控件和库函数，是建 立数据采集系统、控制系统、大规模测试系统、测控分析系统等理想的集成软件 开发环境。c ( cf o rv h t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 即“用于虚拟仪器的c 语言”的英 文缩掣7 1 。 l a b w i n d o w s c v l 具有以下特点： 开发环境采用了基于a n s ic 内核的事件驱动与回调函数的编程技术，这使得 程序具有很好的实时性，十分适合于复杂、大型测试软件的开发。 支持多种总线仪器和数据采集设备，为用户提供了g p i b g p i b4 8 8 2 库、d a q 库、e a s yi o 库、v i s a 库、v x i 库、r s 2 3 2 库和i v i 库等。 支持强大的数据处理和分析功能，为用户提供格式化i 0 库、a n a l y s i s 库、 a d v a n c e da n a l y s i s 库、a n s ic 库等。 l a b w i n d o w s c v l 集成化开发平台采用以工程为框架的文件组织形式，以c 语 言作为其开发语言，集成了c 语言源码编辑、编译、连接、调试和功能强大的 函数库。并且为用户提供了界面和仪器驱动器编程向导等交互式开发工具，方 便用户进行应用程序的开发和调试。 1 0 数字扫频仪测控分析软件设计 提供功能强大的图形化用户界面编辑器和u s e ri n t e r f a c e 库，提供菜单、图形、 对话框、旋钮、l e d 等多种专用图形控件。用户进行操作界面设计和修改时 极为方便。 支持网络和进程间通信功能，为用户提供d d e 库、t c p 库、a c t i v e x 库、x p r o p e r t y 库及对外部软件模块和组件的支持。 使用l a b w i n d o w s c v i 进行应用软件的开发和界面设计时，会用到一些重要的 概念：对象、面板、控件、回调函数、属性等【7 1 。 在l a b w i n d o w s c v i 集成开发环境中进行编程开发时，界面中的面板和控件都 是对象，对象可以理解为数据和代码所组成的整体。属性是反映了对象的特征， 在使用控件时可对其相应的属性进行设置，控件的属性设置一般包括控件的设置、 控件的外观设置、文字标签设置等。对象的属性包括两种，一种是采用默认设置 的属性，用户不能进行设置修改，另一种用户可以进行设置。 使用应用程序进行仪器操作时，首先用鼠标点击相应的控件来激活所对应的 事件，程序进入事件所对应的回调函数，由回调函数来完成事先设计好的功能。 如图2 6 所示，当用鼠标点击控件时，就有相应的事件发生。当事件发生时， 激活对应的回调函数，由回调函数完成控件对应的功能，回调函数的名称和内容 可由用户自行定义。 图2 6 事件过程 面板就是图形化的用户操作界面，其界面的布局和具体内容可由用户自己来 定义，可以在设计上模拟实际仪器的面板或操作方法。l a b w i n d o w s c 开发环境 提供了功能丰富的控件，面板还可理解为是用户和仪器之间进行数据信息交互的 窗口，用户可看到测量所得结果的数据信息，同时可通过键盘或鼠标输入仪器的 设置信息。面板控件的图标形象逼真，便于用户操作。 在l a b w i n d o w s c v i 开发平台中完成的设计由四个文件组成，如图2 7 所示。 第二章数字扫频仪虚拟化测控技术 图2 7l a b w i n d o w s c v i 设计文件的组成 p r j 文件：工程文件，由木u i r 文件、宰c 文件、h 文件组成。 * u i r 文件：用户界面文件，文件中包含仪器面板中的各类控件，控件有相应的 事件，当使用鼠标或键盘对控件进行操作时将会调用相应的回调函数来完成功 能。 c 文件：c 语言源程序文件。文件包括头文件、主程序文件、回调函数三部i 分。 幸h 文件：头文件。在l a b w i n d o w s c v i 中h 文件是自动生成的，设计完木u i r 文件后会自动生成宰h 文件。 使用l a b w i n d o w s c v i 集成开发环境进行设计时需要进行以下步骤： a ) 启动l a b w i n d o w s c v i , b ) 新建工程文件( 搴州) ； c ) 创建用户界面文件( 奉u i r ) ； d ) 测控程序的设计( 宰c ) ； e ) 生成工程并运行程序。 2 2 2扫频仪虚拟测控功能扩展 数字扫频仪系统带有固化的测控程序，系统采集的测量数据通过测控分析程 序处理后即可得到最终的测量结果，同时测控分析程序控制系统进行测量。测控 分析程序一般包括数据采集控制、数据处理与显示等部分。 数字扫频仪测控分析功能的虚拟化使用户对测量功能的定义及修改变得更加 灵活，也使用户对测量数据和设置信息的管理变得更加方便。同时，r s 一2 3 2 和u s b 串行通信总线应用广泛，大大地增强了数字扫频仪的通用性。所以，对传统数字 扫频仪进行串口r s 2 3 2 和u s b 接口的扩展以及在其基础上进行虚拟化测控功能 的扩展是有重要意义的。 本文所研究的数字扫频仪经过串口r s 2 3 2 和u s b 通用串行总线接口的扩展 后系统结构如图2 8 所示。 1 2 数字扫频仪测控分析软件设计 图2 8 数字扫频仪功能扩展后组成框图 计算机通过r s 2 3 2 和u s b 接口直接与数字扫频仪的数据处理模块即 a d s p b f 5 3 2 进行数据交换来实现扫频仪的虚拟测控。用户通过虚拟界面对扫频仪 进行操作后，测控分析软件生成相应的控制命令并通过r s 2 3 2 或u s b 接口将其 发送给扫频仪来实现对扫频仪的控制，扫频仪将采集到的测量数据经通信接口发 送给计算机虚拟化测控分析软件进行分析处理、显示、存储掣”】。 r s 2 3 2 与u s b 都是常用的串行总线，在仪器测控方面都有广泛的应用。但是 r s 2 3 2 与u s b 的数据传送方式和结构却有很大的不同，u s b 通常可以达到更高 的通信速率，但是其驱动程序的结构也更为复杂。 2 2 3 扫频仪虚拟化测控分析软件 本文所设计的软件整体上可分为扫频仪测控分析软件和通信接口软件两大部 分，软件层次结构如图2 9 所示。 测控分析 软件 通信接口 软件 测控分析应用程序 仪器驱动程序 r s - 2 3 2 接u s b 接口 口程序程序 d s p 接口驱动程序 图2 9 测控分析与通信接口软件层次结构 扫频仪测控分析软件主要包含扫频仪测控分析应用程序、仪器驱动程序，通 信接口软件包括接口程序、d s p 接口驱动程序，其中i o 接口程序又分为r s 2 3 2 第二章数字扫频仪虚拟化测控技术 1 3 接口程序和u s b 接口程序。 数字扫频仪测控分析软件模拟传统扫频仪的操作面板和图形显示界面，只需 用鼠标点击界面的控件就可以完成相应的功能。测控分析软件主要完成数据处理、 扫频仪控制、数据存取等四大部分功能，现将其具体描述如下： ( 1 ) 数据处理 将从扫频仪接收到的信号进行处理并显示幅频与相频特性曲线，可调节幅频特 性曲线的显示方式、显示格式、参考电平和显示刻度，相频特性曲线的参考位 置和显示刻度。也可打开或关闭幅频或相频特性曲线的显示。 可在频率特性曲线上查找并标记所关心的频点，并显示标记频点的幅度值，最 多可标记3 个频点，可进行频标的切换以及将所标记的频率点自动居中。 在所测频率范围内搜索幅值最大和最小的频率点同时将其标记并显示相应的 测量数据，计算并显示被测网络的3 d b 带宽。 ( 2 ) 扫频仪控制 设置扫频仪测量的频率参数，包括中心频率、起始频率、频率偏移、点频频率 和测量带宽的设置。 设置扫频仪测量的输出参数，包括输出电平、输出阻抗的设置。 对数字扫频仪进行幅度校正与相位校正。 对扫频仪进行复位。 ( 3 ) 数据存取 将测量所获得的幅频与相频特性曲线、原始测量数据、相关测量数据、系统 设置信息进行存盘，需要的时候可以直接调用这些数据，并按照所存储的设置信 息对扫频仪进行设置。 通信接口软件主要完成计算机与数字扫频仪间的r s 2 3 2 与u s b 数据通信。 1 4数字扫频仪测控分析软件设计 第三章测控分析软件设计 1 5 第三章测控分析软件设计 3 1 测控分析软件总体设计 根据数字扫频仪测控分析软件所完成的功能，将软件分为四个模块：数据处 理模块、控制模块、数据存取模块、界面程序模块。各模块之间的连接关系如图 3 1 所示。 用户操作 控 件 信 息 控 件 信 息 丽熊露躲耵 曩妻i 藿妻相频挈塑 l 土兰雾格式蕃fl 式数乜型叫通信接口卜j 上 l 二一 通信接口卜一 图3 1 测控分析软件结构框图 界面程序模块与控制模块、数据处理模块、数据存取模块直接相连，测控分 析软件系统的操作界面按其所完成的功能分为三种类型的控件，即对扫频仪进行 测量参数和系统设置控件、对测量数据进行分析与处理控件、对测量结果数据或 设置数据进行存取管理的控件。这三种类型的控件分别与控制模块、数据处理模 块和数据存取模块相对应。在用户使用键盘或鼠标进行操作后界面程序会将相应 的操作类型和设置值送给相对应的模块进行处理，在进行处理后对应的模块会将 界面中需要更新的控件设置值反馈给界面模块。控制模块在从界面获取控制信息 后进入对应的控制程序，将处理结果送往通信模块生成控制命令。数据处理模块 从通信模块中获取待处理的测量数据，从界面程序模块中获取数据分析与处理的 要求，按照数据处理的要求将测量数据进行分析处理，计算出频率特性曲线的显 示坐标和需要测量的数据结果，并将结果送往界面程序模块进行显示。数据存取 1 6 数字扫频仪测控分析软件设计 模块在接收到界面程序模块的存取命令后进行频率特性曲线和测量结果的存储或 进行扫频仪测量设置信息的存储调用。如果调用设置信息，则将上次的设置信息 发往通信模块生成设置命令。 3 2 用户界面设计 测控分析软件的用户界面在设计上模拟数字扫频仪的操作面板，便于用户操 作，用户只要了解传统扫频仪的操作方法即可方便地利用虚拟操作面板进行操作， 其图形显示界面也与传统传统扫频仪相同，界面效果如图3 2 所示。 图3 2 用户界面 用户操作界面上的控件按照其功能划可分为六个区域：测量功能区域、系统 设置区域、信号源设置区域、设定输入区域、曲线与数据显示区域、开关区域。 其中，设定输入区域在程序启动时只显示接口设置菜单，其余菜单均隐藏，在操 作时，按相应的功能键就会显示相应的菜单，其余菜单会全部隐藏。界面默认先 显示接口设置菜单，是因为程序运行时先要对通信接口进行设置。 界面上的按钮分为两种类型：一类是“确认设置 按钮和“关闭”按钮等( 其 余隐藏) ，这些按钮只有一个状态，鼠标点击后直接进入相应的回调函数h c v i c a l l b a c k p r o c e s s ( ) 和i n tc v i c a l l b a c kq u i t c a l l b a c k ( ) 等等；另一类是“开 始连接”和“扫描”等功能按钮，这些按钮没按下时对应o f f 状态( c t r l v a l = o ) 按下时对应o n 状态( c t r l v a l = 1 ) ，可通过鼠标点击按钮来切换这两种状态，在程 序中通过g e t c t r l v a l ( i n tp a n e l h a n d l e ，i n tc o n t r o l i d ，v o i d * v a l u e ) i 菊数来获取这些按 钮的键值来进行相应的分析和操作。 在使用时，用户首先在接口设置菜单中设置通信协议、通信速率、数据格式 等参数，然后点击“开始连接”按钮，此时按钮旁边的指示灯会亮，表示连接正 常，接下来可以像操作扫频仪一样来操作界面，需要改变通信接口或通信速率等 第三章测控分析软件设计 1 7 设置时，再次点击“开始连接”按钮，使系统处于连接断开状态，此时指示灯会 灭，重新设置好接口以后再进行连接。点击“关闭”按钮会退出操作界面。 界面显示模块主要完成的功能是将数据处理模块、控制模块和数据存取模块 处理的数据结果以直观的文字或图形显示出来，便于用户观察测量结果，除此之 外，还要协同面板上各个控件或对象之间的关系，比如，当按下“峰值”功能键 之后其他功能键都应弹起处于o f f 状态，并且此时在菜单显示区域应显示峰值菜 单而隐藏其他菜单，当改变频率参数菜单中的“终止频率”设置时，其“中心频 率 和“扫描带宽”应随之改变。 3 3 1数据处理模块设计 3 3 模块程序设计 数据处理程序模块将来自数字扫频仪的6 4 0 个幅度数据和6 4 0 个相位数据进 行分析处理，描绘频率特性曲线并进行曲线分析和频率标记。 ( 1 ) 频率特性曲线描绘誉1 频率特性曲线描绘程序首先从通信模块获取扫频仪最新采集的测量数据，然 后从界面程序模块中获取显示格式、显示方式等显示要求信息，根据用户的设置 要求来计算曲线的显示坐标，最后将计算所得的坐标结果送往界面图形显示窗口舔一。 进行显示。描绘频率特性曲线的流程图如图3 3 所示： 1 8 数字扫频仪测控分析软件设计 图3 3 描绘曲线流程图 用户在进行频率特性测量时有时只关心幅频特性的测量结果，而有时只关心 相频曲线的测量结果，所以可通过控制界面选择只显示幅频特性曲线或只显示相 频特性曲线。在进行测量曲线的描绘时首先要获取用户界面的幅频曲线显示和相 频曲线显示使能设置信息，根据要求来计算坐标，这样就避免了不必要的计算， 提高效率。进行新的曲线坐标计算之前要将上次的曲线坐标结果进行备份，目的 是为了方便曲线和测量结果的存储。备份完之后清除旧的显示数组，计算新的显 示坐标并存于显示数组，最后按照用户的设置要求显示测量曲线和参考线。 幅频曲线显示 幅频曲线显示程序将扫频仪发送的幅度和相位数据按照控制面板的设置进行 处理，计算出相应的显示坐标并进行显示。设置包含以下内容： a ) 参考位置( r e f e r _ p o s i t i o n ) ：设置曲线显示的参考位置，用来上下移动曲线便 第三章测控分析软件设计 1 9 于观察。取值为0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 等1 0 个值，这l o 个值分别对应图形显示坐 标系中纵坐标上的1 0 条格线。可选这些格线中任意一个位置作为参考位置。 参考电平( r e f e rv 0 1 ) ：设置幅频曲线在参考位置处的电平，用来上下移动曲 线以便观察。分为功率电平( d b m ) 和有效电平( m v 、州) 三种单位，可在 控制面板上进行选择。计算机接收到的幅度数据默认单位为功率电平( d b m ) 。 c ) 显示方式( d i s pm o d e ) ：设置显示方式l o g l i n ，l o g 表示对数显示方式，l i n 表示线性显示方式。 d ) 显示刻度( d i s ps c a l es t a t e ) ：设置仪器的显示刻度，在对数显示方式时，显 示刻度为o 1 、0 2 、0 5 、l 、2 、5 、1 0 d b d i v 。线性显示方式时，显示刻度为 l m v 、2 m v 、5 m v 、l o m v 、2 0 m v 、5 0 m v 、1 0 0 m v 、2 0 0 m v 、5 0 0 m v 、l v 、 2 v 厂d i v 。 幅频曲线显示程序首先从系统界面获取显示方式、参考电平、参考位置、显 示刻度等设置信息，包括设置数值和参数的单位。在系统界面设置参考电平时可 选择m v 、l a v 、d b m 三个单位，进行幅频特性曲线显示坐标的计算之前需要先将 电平设置值的单位统一转换为d b m 。单位转换完毕后，判断用户是要求对数显示 还是线性显示，根据显示格式的要求和显示刻度设置的要求来计算最终的曲线显 示坐标，显示坐标的计算结果也有可能有越界的情况，所以还需要进行越界处理， 越界处理完毕后将坐标结果送往图形显示界面进行显示。 幅频曲线显示处理流程如图3 4 所示： 2 0 数字扫频仪测控分析软件设计 图3 4 幅频曲线显示流程 参考电平单位转换 在电信工程中，通常不直接计算和测量某点的功率和电压，而是计算它们对 某一基准的比值，并用它的对数表示，这种相对量称为电平。 例如：如果以p 0 瓦作为比较的基准，那么测得的p l 瓦的功率电平为： p 1 p m = 1 0 l g 蒜( d b ) ( 3 - 1 ) 将p 0 = l 毫瓦，这样得到的功率电平称为绝对电平。( 此时的单位为d b m ) p l p m = 1 0 1 i g 蒜( d b m ) ( 3 - 2 ) 通常测量功率电平的仪表标有符号0 d b m = i m w ，即0 d b m 定义为1 m w 。 数据处理程序模块在进行参考电平单位转换时的处理流程如图3 5 所示。 第三章测控分析软件设计 2 1 图3 5 参考电平单位转换流程 先从界面设置信息中获取参考电平设置数值v o l 和电平单位设置数值u n i t ，u n i t 一共有三种可能的值：0 ，l ，2 ，这三个值分别代表用户对参考电平设置的单位是 d b m 、m v 、一，当u n i t = l 或2 时，参考电平数值有v o l = 0 的范围限定，而当u n i t = o 时v o l 没有限定。在进行设置值获取后首先判断单位，若u n i t = o 则不需要进行单位 转换和越界处理；若u n i t = 1 则说明用户设置的单位是m v ，先进行越界判断，若越 界则报错，否则直接进行有效电平到功率电平的转换：若u n i t = 2 则说明用户设置 的单位是，同样先进行越界判断，如在界限范围内则将v o f l 0 0 0 进行有效电平 到功率电平的转换。 线性显示与对数显示 该部分的数据处理需要获取三个设置参数：显示方式( d i s em o d e ) 、显示刻 度( d i s p _ s c a l e s t a t e ) 、参考位置( r e f e r _ p o s i t i o n ) 。显示刻度( d i s p _ s e a l e _ s t a t e ) 分为对数显示方式的显示刻度和线性显示方式的显示刻度，两者对应的刻度数据 分别存在两个数组，数组定义如下： f l o a tl o g _ s c a l e 7 】= 0 1 ，0 2 ，0 5 ，l ，2 ，5 ，l o ) ；，对数显示方式的显示刻度，分别代 表0 1 、0 2 、0 5 、1 、2 、5 、1 0 d b d i v 。 数字扫频仪测控分析软件设计 f l o a tl i n _ _ s c a l e i i 】= 0 0 0 1 ，0 0 0 2 ，0 0 0 5 ，0 0 1 ，0 0 2 ，0 0 5 ，0 1 ，0 2 ，0 5 ，1 ，2 ) ；线性 显示方式的显示刻度，分别代表l m v 、2 m v 、5 m v 、1 0 m v