基于AV4036F频谱分析仪的示教系统在课程教学中的应用实践
2024-03-14李青王成沈俊田
李青 王成 沈俊田
中国人民解放军陆军工程大学石家庄校区 石家庄 050003
0 引言
在现代测试技术课程教学过程中，为了使学生充分体验应用虚拟仪器技术实现测量控制、数据处理等工作[1]，选用基于AV4036F 频谱分析仪的虚拟仪器教学案例开展案例式教学，使学员更好地理解虚拟仪器技术在测量工作中的应用，体会虚拟仪器与传统仪器测量的区别与特点。
虚拟频谱分析仪是虚拟仪器的一种，是在以通用计算机为核心的硬件平台上，把研究电磁波频谱特性参数的频谱分析仪这种仪器虚拟化，由用户设计定义的虚拟面板、由测试软件实现测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP 技术相结合，在系统内共享软硬件资源。它打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，而变成了由用户自己定义仪器功能——使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。
1 整体设计
1.1 硬件平台的搭建
软件系统的设计离不开其硬件平台，因此要设计出符合需求、具有高性能的软件，需要对它依赖的硬件平台有深刻的理解。
图1 硬件平台联接框图
AV4036F 频谱分析仪和主控计算机通过网线接入符合IEEE802.3 规范的局域网后，主控计算机通过TCP/IP 协议与频谱分析仪实现通信，并可对AV4036F 频谱分析仪进行远程控制。在通信过程中，主控计算机作为控制端，发送SCPI 命令给AV4036F 频谱分析仪；频谱分析仪作为受控端，通过LAN 通信接收主控计算机发来的SCPI 命令，并根据命令内容对信号源提供的测试信号进行测试。
1.2 软件设计
1.2.1 程序流程
编程中采用Labwindows／CVI 平台上调用VISA 库函数的方法。程序流程图如图2 所示。
图2 虚拟仪器的程序流程
1.2.2 操作界面设计
Labwindows/CVI 是一个完全的ANSIC 开发环境，是用于仪器控制、自动检测、数据处理的应用软件。它以ANSIC 为核心，将强大、使用灵活的C语言平台与数据采集、分析和显示的测控专业工具有机结合起来。它的交互式开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和函数库大大加强了C 语言的功能，为熟悉C 语言的开发人员建立自动化的监测系统、数据采集系统、过程控制系统等提供了一个理想的开发环境。
与NI 公司开发的另一款LabView 相比，Labwindows/CVI更适合中、大型复杂测试软件开发。由于Labwindows/CVI 附加了各种软件开发包，如数据库软件包、Internet 软件包、大小分析软件包等，利用该软件能够大大节省开发时间，增强测试软件性能。
频谱分析仪虚拟仪器软件的操作界面采用Labwindows/CVI 开发。在主控计算机中设计远程控制软件，需要显示从仪器中获取到的频谱数据[2]，在软件中使用曲线显示轨迹，有利于观察信号的频谱。为了能即时用远程控制仪器进行测量，在软件中还需要具有专门发送SCPI 命令的操作区，通过该操作区可以直接发送仪器支持的SCPI命令给仪器。
本例中利用Labwindows/CVI 设计的用户界面主要分为四个区域。
（1）加封：集装箱出场站之前，在集装箱门上加一把电子铅封，封住集装箱门。具体过程如下：挑选一把电子铅封；将集装箱号、运载车辆号码、起点海关、终点海关输入场站计算机；将电子铅封放在加封器上；场站计算机通过加封器读出电子铅封ID号；场站计算机将集装箱号和电子铅封号传到监控中心；监控中心按加密程序返回密码；场站计算机通过加封器将密码、集装箱号码、起点、终点海关等信息写入电子铅封；用电子铅封封住集装箱门。
1）波形显示区。用户能够在该区域通过波形采集命令按钮采集波形，显示在图表控件上并观察，如图3 所示。
2）参数设置区。用户在该区域能够设置频率、频宽、衰减、参考电平、扫描时间等参数，还能选择分辨率带宽模式和衰减自动关联开关，如图4 所示。
图4 参数设置区
3）频标设置区。用户能够在该区域开启/关闭频标，显示频标的频率值、幅值信息，并以频标频率值设置轨迹的起始、中心、终止频率，根据频标幅值调整参考电平，如图5 所示。
图5 频标设置区
4）SCPI 命令调试区。可通过该区域向仪器发送SCPI 命令并显示返回值，此设计的作用是便于直接对仪器发送查询语句和控制命令[2]，补充前述按钮所不能提供的功能，帮助用户对仪器进行调试，如图6 所示。
图6 SCPI 命令调试区
2 SCPI 命令设计
2.1 参数和响应的类型
SCPI 在程控和响应消息的使用中定义了不同的数据格式以符合“灵活地听”和“精确地讲”原则。“灵活地听”指的是命令和参数的格式是灵活的，“精确地讲”意味着特定查询的响应格式都是相同的。如：FREQ:OFFS:STAT ON 与FREQ:OFFS:STAT 1都是设置频率偏移功能开启。而查询功率状态（:POWer:ALC:STATe?），当仪器处于开启状态时，不管先前发送的是“POWer:ALC:STATE 1”或者“POWer:ALC:STATe ON”，响应总是为1。
2.2 数据块参数
有些参数如轨迹参数
2.3 通过SCPI 命令设置测量参数
在SCPI 标准中，SCPI 命令需要设计成层次的树状结构，SCPI 命令由两个部分组成：仪器特定的控制命令和IEEE488.2 公共的命令[3]。IEEE488.2规定了仪器必须实现的公用命令，同时它还规定了公用命令的句法和语义。仪器特定的控制命令需要依据特定的仪器进行设计。
在设计仪器的SCPI 命令时，需要依据仪器的功能进行设计。在仪器中许多有关频率的设置，如可以设置仪器的起始频率、中心频率、终止频率等；在仪器中对扫描带宽的设置，会影响仪器测量信号的准确性，所以需要设计设置扫描带宽的命令[3]；在仪器中，扫描带宽和RBW 的值是联动的，可以设置扫宽RBW 的比值是自动的还是手动的等。由于这些功能都与仪器的频率设置功能有关，那么针对仪器的这些频率设置功能可以使用中心频率、自动步进等频率设置的SCPI 命令。
在仪器的扫描设置功能中，主要涉及的是对扫描时间、扫描方式和扫描点数的设置，针对这个功能可以使用扫描设置的SCPI 命令，用于远程设置仪器的扫描时间、扫描方式和扫描点数等。
频标设置是频谱仪的一大特色功能，可以用于显示测试数据和实现一些高级的测试功能，如显示频谱数据的最大峰值等。可以利用仪器的频标设置功能来获取测试数据或依据测试数据对仪器进行设置。
在仪器中，可以依据需要显示三种轨迹，每种轨迹有不同的显示方式，如最小值保持、最大值保持等。为了远程控制仪器的轨迹设置功能，可通过轨迹设置命令控制仪器显示的轨迹类型、控制不同轨迹的显示方式或获取不同数据类型的频谱数据。
除设计仪器不同功能对应的SCPI 命令以外，还需要依据仪器的参数特点，如频率取值的精度、RBW 的取值特点和SCPI 命令的需要，设计仪器SCPI 命令使用的参数类型。
3 软硬件连接测试
虚拟仪器软件系统设计完成以后，必须要在硬件基础上进行调试，只有通过调试才能发现软件错误，不断改进并完善程序，最终达到程序能够正确、稳定且高效运行的结果。软件调试分为两个部分：软件代码调试和软件功能验证。软件代码调试主要是在软件开发环境中进行在线编译、单步调试，检测代码是否有误。软件代码调试工作主要在软件编写过程中进行。
AV4036F 频谱分析仪的LAN 与主控计算机通信，可以验证频谱分析仪端的驱动程序能否接收主控计算机发送的SCPI 命令，实现数据的收发。调试和验证步骤如下。
1）硬件设备准备。主控计算机、频谱分析仪、网线和信号源。
2）建立硬件连接。启动频谱分析仪，用网线将主控计算机与频谱分析仪接入同一局域网，使用信号源提供中心频率为2 GHz 的被测信号。
3）与频谱分析仪建立通信。打开Labwindows/CVI 软件的用户界面，在右下方选择频谱分析仪的地址。按下复位和初始化按钮，观察仪器状态，判断是否正常。而后，在SCPI 命令调试区，可对如轨迹刷新模式、检波方式、数据格式等仪器基本参数进行设置和查询。
4）对信号进行测试。先设置信号源的中心频率与振幅，此处分别设为2 GHz、-20 dBm。在参数设置区，设置中心频率为2 GHz，参考电平为3 dBm，分辨率带宽为510 KHz，频宽为4 MHz，扫描时间为5 s，点击用户界面上的“采集波形”按钮，此时会给频谱仪端发送SCPI 命令“TRACe:DATA?TRACE1”，该命令的作用是获取频谱分析仪端的轨迹数据，经数据处理后，进行图形化显示，如图7所示。
图7 软件的图形化显示
4 结束语
本文设计的基于AV4036F 频谱分析仪示教系统应用于现代测试技术课程教学，通过项目化教学模式，达到了使学生体会应用虚拟仪器技术实现信息化条件下的测量的学习目的，在课程教学中，通过让学生应用该示教系统进行动手操作，提高了学生的动手能力，激发了学生的学习兴趣，丰富了课程的教学手段，为该类课程建设提供了有益借鉴。
