無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)類型不同、校準(zhǔn)方法相似的無(wú)線通信儀器校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)試點(diǎn)多，手動(dòng)測(cè)試效率低，單個(gè)儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)占用測(cè)試資源，設(shè)備利用率低等問(wèn)題，在VB6.0開發(fā)環(huán)境下，采用軟件模塊化設(shè)計(jì)的方法，搭建基于GPIB（general-purpose interface bus）總線的無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PC對(duì)儀器的通信，參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)的讀寫與處理，自動(dòng)生成校準(zhǔn)證書，最終實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線通信儀器在同一個(gè)平臺(tái)下進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用價(jià)值高，

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信儀器；VB；通用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)；GPIB

中圖分類號(hào)：TN923 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2013）02-0101-04

0、引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)通信產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，種類繁多的無(wú)線通信儀器在通信行業(yè)中的應(yīng)用無(wú)處不在，這就對(duì)無(wú)線通信儀器的測(cè)試計(jì)量提出了更高的要求，具體表現(xiàn)在測(cè)試點(diǎn)密集，準(zhǔn)確度要求高，測(cè)試速度快等方面，相比之下，手動(dòng)測(cè)試效率低，速度慢且測(cè)試數(shù)據(jù)不易管理。

目前國(guó)內(nèi)計(jì)量機(jī)構(gòu)有關(guān)無(wú)線通信儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)都是針對(duì)某一種具體儀器而單獨(dú)開發(fā)的，設(shè)備利用率低，鑒于無(wú)線通信儀器的校準(zhǔn)參數(shù)主要集中在頻率、電平、數(shù)字調(diào)制等幾種參數(shù)，又考慮到校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)設(shè)備的通用性，校準(zhǔn)工作的復(fù)雜性，控制儀器的快速性以及軟件代碼的可重用性，在VB 6.O環(huán)境下設(shè)計(jì)了基于GPIB的無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，不同類型的無(wú)線通信儀器控制指令，校準(zhǔn)方法以及測(cè)試點(diǎn)都略有不同，本系統(tǒng)采用儀器控制指令、參數(shù)設(shè)置、測(cè)試程序分離的方法來(lái)提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，便于對(duì)已有測(cè)試系統(tǒng)的管理和擴(kuò)充。

1、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)概述

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是在儀器總線（GPIB、VXI、PXI等）或標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)控系統(tǒng)總線的基礎(chǔ)上組建的，通過(guò)對(duì)被測(cè)設(shè)備的測(cè)試測(cè)量、故障診斷、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及傳輸，并將測(cè)試結(jié)果以恰當(dāng)?shù)姆绞斤@示或輸出的系統(tǒng)，它將人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、虛擬儀器、計(jì)算機(jī)、信息和現(xiàn)代微電子等領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)結(jié)合在一起，并應(yīng)用于儀器中從而形成一個(gè)測(cè)試功能更齊全、更強(qiáng)大的平臺(tái)，具有速度快、精確度高、功能多、參數(shù)多以及測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)，在現(xiàn)代電子設(shè)備的維修和測(cè)試方面提供了最有力的保障。

2、系統(tǒng)硬件組成

GPIB自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)GPIB線纜將工控機(jī)、GPIB卡和程控儀器相連，程控儀器的數(shù)量不能超過(guò)14臺(tái)，兩臺(tái)儀器之間的距離不超過(guò)2 m，線纜的總長(zhǎng)度不超過(guò)20 m，硬件連接好之后，還需安裝AgilentIO Libraries Suite，并給程控儀器設(shè)置不同的GPIB地址。

無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：計(jì)算機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)器和被校準(zhǔn)儀器，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Visual Basic開發(fā)軟件。VB作為面向?qū)ο蟮目梢暬幊誊浖哂胁僮骱?jiǎn)單、界面友好、高效率開發(fā)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，更重要的是VB可以非常簡(jiǎn)單的與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，儀表驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)采用可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI，SCPI標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE488.2基礎(chǔ)上提出的，避免了其他軟件開發(fā)程序借口與測(cè)試主程序兼容不易實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：上層操作界面模塊，底層儀器驅(qū)動(dòng)模塊，測(cè)試界面模塊，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，測(cè)試結(jié)果處理模塊等5個(gè)部分，模塊化設(shè)計(jì)讓這些軟件相互獨(dú)立，通過(guò)接口來(lái)進(jìn)行交互，便于系統(tǒng)的更新和管理，很大程度上提高了該軟件的可重用性。

上層操作界面模塊采用經(jīng)典的Windows圖形界面，該界面實(shí)現(xiàn)了儀器類型、生產(chǎn)廠家、出廠編號(hào)的自動(dòng)識(shí)別，針對(duì)儀器的指標(biāo)和客戶要求制定不同的測(cè)試模版，根據(jù)需要手動(dòng)進(jìn)行選擇，然后，底層儀器驅(qū)動(dòng)模塊是整個(gè)軟件構(gòu)架中，測(cè)試程序與儀器通信的接口函數(shù)。主要的功能是將上層程序?qū)x表的控制命令轉(zhuǎn)化為儀表可識(shí)別的GPIB指令，再通過(guò)GPIB總線發(fā)送給儀器，測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試界面模塊依據(jù)測(cè)試項(xiàng)目編號(hào)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)試模版和控制指令，底層儀器驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)GPIB地址將控制指令發(fā)送給儀器，返回的數(shù)據(jù)通過(guò)GPIB總線發(fā)送給測(cè)試界面模塊。

測(cè)試界面模塊是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心，也是測(cè)試過(guò)程中至關(guān)重要的部分，主要的功能是：測(cè)試執(zhí)行，數(shù)據(jù)處理和返回，結(jié)果顯示，該模塊通過(guò)VB中ADO控件訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，再通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)感知控件Datagrid實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的綁定。以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的動(dòng)態(tài)顯示，根據(jù)上層控制界面模塊選擇的測(cè)試模版，調(diào)用參數(shù)設(shè)置模版，并在測(cè)試界面中顯示，校準(zhǔn)參數(shù)與GPIB命令的調(diào)用依據(jù)測(cè)試項(xiàng)目編號(hào)，GPIB地址等相關(guān)信息一一對(duì)應(yīng)，測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)處理后在測(cè)試界面顯示。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊是上層應(yīng)用程序與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)通信的接口函數(shù)，主要功能是為其他幾個(gè)模塊服務(wù)，被測(cè)設(shè)備的基本信息依據(jù)出廠編號(hào)、儀器類型保存，測(cè)試結(jié)果依據(jù)出廠編號(hào)、測(cè)試項(xiàng)目編號(hào)以及測(cè)試參數(shù)等信息保存，儀器控制指令依據(jù)測(cè)試項(xiàng)目編號(hào)和GPIB地址保存，測(cè)試模版依據(jù)測(cè)試項(xiàng)目編號(hào)、校準(zhǔn)參數(shù)保存，這些組合起來(lái)的信息是一一對(duì)應(yīng)的，確保了保存過(guò)程中的準(zhǔn)確性。

測(cè)試結(jié)果處理模塊的功能是將數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)試結(jié)果導(dǎo)出excel，保存，打印等。

4、自動(dòng)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

4.1 自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程

無(wú)線通信儀器的校準(zhǔn)項(xiàng)目，通常包括：RF信號(hào)源輸出電平校準(zhǔn)；RF分析儀輸入電平校準(zhǔn)；RF信號(hào)源調(diào)制參數(shù)校準(zhǔn)；RF分析儀解調(diào)參數(shù)校準(zhǔn)；RF信號(hào)源輸出諧波校準(zhǔn)和RF信號(hào)源輸出頻率校準(zhǔn)6個(gè)大項(xiàng)，RF信號(hào)源調(diào)制參數(shù)校準(zhǔn)和RF分析儀解調(diào)參數(shù)校準(zhǔn)，依據(jù)數(shù)字調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)有不同的測(cè)試子項(xiàng)目，

以Agilent公司的E5515C綜合測(cè)試儀的RF信號(hào)源輸出電平校準(zhǔn)為例，來(lái)說(shuō)明無(wú)線通信儀器自動(dòng)校準(zhǔn)的過(guò)程，其中，標(biāo)準(zhǔn)器選用Agilent公司的E4440A頻譜分析儀，RS公司NRP 2功率計(jì)，RF信號(hào)源輸出電平是E5515C綜測(cè)儀最重要的測(cè)試項(xiàng)目之一，依據(jù)Agilent公司E5515C綜測(cè)儀的校準(zhǔn)參數(shù)指標(biāo)，RF信號(hào)源輸出電平需要校準(zhǔn)850 MHz。950 MHz，1800 MHz，1900 MHz 4個(gè)頻段，輸出電平從-14 dBm至一114 dBm，每步減小5 dB，允許誤差為1 dB，儀器連線如圖2所示。

RF信號(hào)源輸出電平校準(zhǔn)采用大電平和小電平分開校準(zhǔn)的方法，大電平用功率計(jì)校準(zhǔn)，小電平用頻譜儀校準(zhǔn)，NPR2功率探頭的功率電平測(cè)試范圍為-67 dBm至+23 dBm，測(cè)量不確定度小于0.1 dB，因此小電平校準(zhǔn)需要使用頻譜儀，具體方法是以一14 dBm的功率計(jì)實(shí)測(cè)電平Ps為參考，用E5515C綜測(cè)儀輸出一14 dBm載波信號(hào)到頻譜儀，設(shè)置頻譜儀delta，消除射頻線纜衰減引起的誤差，E5515C綜測(cè)儀再輸出x dBm的信號(hào)，頻譜儀讀數(shù)P△即是X與參考點(diǎn)的相對(duì)值，因此x的實(shí)測(cè)值y可以表示為：

y=Ps+P△具體的自動(dòng)校準(zhǔn)流程如圖3所示，有以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

1）無(wú)論超差與否都得關(guān)閉E5515C綜測(cè)儀通道輸出，因?yàn)樵谟行盘?hào)輸出的情況下，拆下射頻線會(huì)對(duì)頻譜儀造成損傷 。

2）頻譜儀PRESET，初始化頻譜儀，避免誤操作；頻譜儀的SPAN即跨度設(shè)置，相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，同打開頻譜儀預(yù)放功能一樣，是為了避免雜波影響和消除本底噪聲，提高信號(hào)的純度，確保測(cè)量精確性。

3）設(shè)置頻譜儀分辨帶寬RBW的步驟，由于只是在某幾個(gè)參考點(diǎn)設(shè)置，因此不能夠?qū)懭胙h(huán)，RBW設(shè)置越小，測(cè)量小電平時(shí)信號(hào)越穩(wěn)定，頻譜儀讀數(shù)越準(zhǔn)，但RBW越小，頻譜儀掃描時(shí)間越長(zhǎng)，意味著測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，確定一個(gè)合理的RBW在不影響信號(hào)穩(wěn)定的同時(shí)盡量減小測(cè)試時(shí)間就顯得非常重要。

4）頻譜儀delta只在以-14 dBm做參考的時(shí)候設(shè)置，因此該步驟也不寫入循環(huán)，需要單獨(dú)在程序里執(zhí)行。

4.2 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)分析

為了驗(yàn)證自動(dòng)測(cè)試結(jié)果的可靠性，進(jìn)行了大量的手動(dòng)測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，以不同時(shí)間做出的一組頻率為850 MHz比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，該組數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)20次平均之后的結(jié)果，如表1所示，手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試的差值遠(yuǎn)小于測(cè)量不確定度，此外，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試的時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比，就該測(cè)試項(xiàng)目而言，手動(dòng)測(cè)試所需的時(shí)間是自動(dòng)測(cè)試的lO倍以上，而全部的自動(dòng)測(cè)試項(xiàng)目所需要的時(shí)間約為30 min，而手動(dòng)完成所有的測(cè)試項(xiàng)目則需要6 h以上，實(shí)驗(yàn)表明：無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅具有較高的可靠性，而且測(cè)試效率比起手動(dòng)測(cè)試有很大的提高。

5、結(jié)論

無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在普通校準(zhǔn)系統(tǒng)提高測(cè)試速率，測(cè)試精確度和穩(wěn)定度的基礎(chǔ)上，又大大提高了系統(tǒng)的集成度，節(jié)省了測(cè)試資源，以及擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)也為其它的通用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常好的參考，隨著系統(tǒng)的不斷擴(kuò)展，如何優(yōu)化系統(tǒng)和提高軟件的人性化操作將是下一步的重點(diǎn)研究方向。