基于VC++和SQL Server的頻譜分析儀檢定/校準系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

摘 要： 為滿足頻譜分析儀計量需求，研制了一套頻譜儀全自動檢定系統(tǒng)。在此簡述系統(tǒng)組成、原理和軟件總體設(shè)計架構(gòu)，重點闡述基于VISA和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計的頻譜分析儀檢定/校準系統(tǒng)“程控指令模板”和TPS測量模塊遇到關(guān)鍵問題及解決方案。系統(tǒng)采取測量控制過程和程控指令分離的方法，實現(xiàn)了同類標準設(shè)備無須編程可替換、被檢設(shè)備型號無須編程可擴充，使頻譜儀檢定系統(tǒng)具有較長生命周期。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計科學(xué)、高效，測量結(jié)果準確可靠。

關(guān)鍵詞： VC++ 6.0； 頻譜分析儀； 檢定； 校準

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0120?04

0 引 言

目前國內(nèi)外生產(chǎn)在用的頻譜分析儀型號有幾十種之多，致使頻譜分析儀技術(shù)特性差異很大，因而對頻譜分析儀檢定效率低、工作量大的情況比較普遍。國內(nèi)計量技術(shù)機構(gòu)為提高本單位頻譜分析儀檢定效率，開發(fā)了相應(yīng)的頻譜分析儀檢定軟件[1]，但由于多種原因，多數(shù)軟件為半自動模式、人機交互性差，軟件交付后升級困難、新型號頻譜儀無法檢定等各類問題較多，軟件通用性和健壯性欠佳。

開展頻譜分析儀檢定的主要技術(shù)依據(jù)是國家頻譜分析儀檢定規(guī)程（JJG 501?2000）[2]和國家軍用標準 （GJB/J5859?2006）[3]。在檢定規(guī)程中，以經(jīng)典的超外差掃頻式頻譜分析儀為被檢對象規(guī)定了：頻率讀數(shù)準確度、 校準信號準確度、掃頻寬度準確度、參考電平準確度、分辨力帶寬準確度、輸入衰減、諧波失真、三階交調(diào)失真等19個檢定項目，這些檢定項目基本涵蓋了評定頻譜分析儀的主要技術(shù)指標。國家軍用標準對檢定項目的規(guī)定與國家檢定規(guī)程相似，二者對檢定項目的檢定方法基本相同。

開發(fā)基于測量儀器的自動測試系統(tǒng)，就大多數(shù)情況看從接口標準VISA和IVI中選取。虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是由VXI plugplay系統(tǒng)聯(lián)盟定義的軟件接口標準，實質(zhì)就是一個標準的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱[4]。它允許來自不同廠家的軟件運行在相同的系統(tǒng)之下。VISA 庫函數(shù)主要用于編寫儀器的驅(qū)動程序，實現(xiàn)儀器控制完成計算機與儀器間的命令和數(shù)據(jù)傳輸。VISA 技術(shù)的優(yōu)點是程控與硬件接口無關(guān)，缺點是測試命令與儀器相關(guān)[5]。IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互換性虛擬儀器）規(guī)范是在 VXI plugplay 技術(shù)上發(fā)展而來的技術(shù)。采用 IVI 驅(qū)動器的測試程序具有與儀器無關(guān)性的特點。IVI的優(yōu)點是主程序簡單且便于管理 ，缺點是測量儀器生產(chǎn)廠家不保證提供完全IVI驅(qū)動，可能需要自己編寫儀器IVI驅(qū)動。

從提高軟件生命力出發(fā)，如何實現(xiàn)硬件平臺（標準設(shè)備）的可互換性和提高開發(fā)的應(yīng)用軟件兼容性，成為保證整個檢定（校準）系統(tǒng)生命力和健壯性的關(guān)鍵。

在研發(fā)頻譜分析儀全自動檢定系統(tǒng)過程中，基于 VC++ 6.0和SQL server數(shù)據(jù)庫，充分利用VISA技術(shù)的優(yōu)點，很好地解決了自動測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件與儀器無關(guān)和同類儀器互換問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件主要由矢量信號源Agilent8267D、Agilent4438C和任意波發(fā)生器Agilent33250A，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent5242A、功率計Agilent1912A，程控衰減器Agilent84907K和Agilent84904K、計數(shù)器Agilent53152A、衰減器和開關(guān)驅(qū)動器Agilent11713C、微波程控開關(guān)組合（含Agilent87104D兩個、Agilent87106D兩個、Agilent8769K兩個）、一組低通濾波器組等組成，示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

系統(tǒng)各設(shè)備分別加電預(yù)熱后啟動應(yīng)用程序，操作員輸入被檢設(shè)備勤務(wù)信息（所屬單位、聯(lián)系人、電話等），自動或手動完成計量項目規(guī)劃和測量參數(shù)配置，應(yīng)用程序首先對系統(tǒng)的標準設(shè)備功率計、計數(shù)器、信號源等分別進行收—發(fā)組合自檢，并將自檢結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，完成系統(tǒng)自檢。進入檢定工作程序，自動依次加載檢定項目、配置測量參數(shù)和評判標準，控制系統(tǒng)標準和被檢設(shè)備按檢定規(guī)程要求依次完成測量項目檢定，實時顯示檢定過程并存儲測量結(jié)果，參照評判標準自動評判所檢設(shè)備合格與否并出具相應(yīng)的檢定（校準）證書。

1.3 系統(tǒng)主要功能

進行功能設(shè)計時，參照有關(guān)計量和校準的規(guī)程和標準，硬件構(gòu)建兼顧現(xiàn)在和未來需求，軟件按照標準化、模塊化的原則，優(yōu)化應(yīng)用軟件設(shè)計，使系統(tǒng)具備良好的開放性、擴展性。系統(tǒng)具備以下主要功能：

檢定項目規(guī)劃功能；測量參數(shù)配置功能；標準設(shè)備和被檢設(shè)備配置功能；系統(tǒng)標校和測量結(jié)果校正功能；數(shù)據(jù)綜合處理功能；文檔管理和自動生成功能；數(shù)據(jù)庫及管理功能；測量過程回放功能；系統(tǒng)自檢和報警功能。

2 軟件設(shè)計

基于 VC++ 6.0軟件開發(fā)平臺和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，以虛擬儀器架構(gòu)VISA作為應(yīng)用軟件與硬件設(shè)備之間的軟件接口標準[4，6]，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多碼驅(qū)動管理技術(shù)和面向信號測試模塊設(shè)計方法完成應(yīng)用軟件設(shè)計。應(yīng)用軟件由應(yīng)用軟件平臺、TPS（Test Program Set）模塊和數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)三部分組成[7]，系統(tǒng)兼容GPIB、LAN、RS 232等多種儀器接口總線。應(yīng)用軟件平臺主要提供人機交互集中控制界面，負責(zé)系統(tǒng)勤務(wù)信息管理、計量任務(wù)（項目）規(guī)劃、測量參數(shù)配置管理、TPS與軟件平臺接口配置管理、證書管理（生成、查詢、打印）、檢定信息顯示回放、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視等。TPS主要負責(zé)檢定過程控制、數(shù)據(jù)采集和處理、合格性判決、應(yīng)用軟件平臺和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)主要負責(zé)勤務(wù)信息、計量項目規(guī)劃、測量參數(shù)配置、“程控指令模板”、檢定數(shù)據(jù)、判決標準等信息保存與管理。系統(tǒng)在計量項目規(guī)劃、 參數(shù)配置、射頻連接切換、 測量儀器加載、測量結(jié)果讀取和保存、合格性評判、測量過程回放、證書生成等諸多功能方面均自動完成。應(yīng)用程序軟件具有良好的通用性和可擴充性，軟件總體架構(gòu)如圖2所示。

2.1 勤務(wù)信息管理

此模塊包括兩方面的內(nèi)容：用戶密碼管理、權(quán)限配置和被檢頻譜分析儀勤務(wù)信息錄入，提供聯(lián)系人、聯(lián)系電話、地址等勤務(wù)信息輸入界面，并將信息存入數(shù)據(jù)庫中，為系統(tǒng)應(yīng)用軟件檢索和控制被檢儀器、生成檢定（校準）證書等提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 任務(wù)規(guī)劃

2.2.1 項目規(guī)劃和測量參數(shù)配置

將計量規(guī)程或軍用標準中規(guī)定的頻譜分析儀19個計量特性項目，以可編輯表格樣式，將規(guī)程中“隨后檢定”必檢項目作為默認值，供用戶添加、刪除項目等操作使用。每個計量項目的測量參數(shù)配置，包括標準設(shè)備和被檢設(shè)備均提供了配置“模板”，供用戶快速導(dǎo)入和修改使用。

2.2.2 程控指令、測量參數(shù)和評判標準導(dǎo)入

在完成計量項目規(guī)劃和測量參數(shù)配置后，應(yīng)用軟件平臺訪問數(shù)據(jù)庫，依據(jù)頻譜儀生產(chǎn)廠家和型號從數(shù)據(jù)庫檢索并讀取標準設(shè)備和被檢設(shè)備相應(yīng)數(shù)據(jù)表，形成可供頻譜分析儀檢定程控指令“模板”、測量參數(shù)“模板”和評判標準“模板”并導(dǎo)入TPS模塊。

2.3 系統(tǒng)自檢

信號產(chǎn)生和接收形成完整的檢查鏈路，檢查信號通道工作狀態(tài)是否良好并評估標準設(shè)備技術(shù)狀態(tài)。

2.4 TPS程序模塊

2.4.1 測量過程控制

應(yīng)用軟件平臺程序自動檢索被檢頻譜儀及標準設(shè)備的“程控指令模板”并傳遞給TPS程序模塊后，TPS根據(jù)檢定進程，設(shè)置儀器參數(shù)和狀態(tài)，完成測量過程控制、數(shù)據(jù)交換等功能。

2.4.2 數(shù)據(jù)處理和顯示

對原始測量數(shù)據(jù)進行必要的甄別和數(shù)據(jù)格式變換，按照計量項目參數(shù)定義（純數(shù)據(jù)和頻譜數(shù)據(jù)）計算測量結(jié)果，由數(shù)據(jù)處理模塊對檢定結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理，將測量結(jié)果送數(shù)據(jù)顯示區(qū)中分別以表格、頻譜圖等形式顯示。

2.4.3 自動結(jié)果評判

考慮到各型頻譜分析儀皆有自己的評判標準，根據(jù)被檢頻譜分析儀的計量項目，分別建立各型頻譜儀的數(shù)據(jù)庫表，檢定過程中自動讀取相關(guān)字段值并與測量結(jié)果比較，評判結(jié)果在進程顯示窗口實時顯示。系統(tǒng)工作截圖如圖3所示。

2.5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

頻譜分析儀檢定系統(tǒng)數(shù)據(jù)按管理的復(fù)雜程度分為兩類：一類是相對固定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如被檢頻譜儀數(shù)據(jù)和檢定系統(tǒng)數(shù)據(jù)；另一類是持續(xù)增量的檢定過程數(shù)據(jù)和檢定證書數(shù)據(jù)。頻譜分析儀檢定系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計為兩個數(shù)據(jù)庫：頻譜分析儀檢定系統(tǒng)_基礎(chǔ)庫和頻譜分析儀檢定系統(tǒng)_任務(wù)庫。其中頻譜分析儀檢定系統(tǒng)_基礎(chǔ)庫存儲用于支持檢定系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如被檢頻譜儀數(shù)據(jù)、檢定系統(tǒng)標準設(shè)備數(shù)據(jù)等。頻譜分析儀檢定系統(tǒng)_任務(wù)庫存儲特定檢定任務(wù)中產(chǎn)生和存儲的數(shù)據(jù)，如檢定任務(wù)的勤務(wù)信息、檢定過程數(shù)據(jù)和證書等。頻譜分析儀檢定系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲在Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，并以兩個不同的架構(gòu)存儲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和檢定任務(wù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決

3.1 “程控指令模板”建立

頻譜分析儀生產(chǎn)廠家眾多，不同儀器生產(chǎn)廠家又會給出自己定義的性能指標體系，同一生產(chǎn)廠家不同系列、技術(shù)上非同代頻譜分析儀又有不同的技術(shù)特性，導(dǎo)致檢測項目繁雜，方法又不盡相同，又增加了檢定頻譜分析儀的復(fù)雜程度[1，5]。針對現(xiàn)存的各型頻譜儀各編制相應(yīng)的檢定程序，技術(shù)上不存在任何障礙，但軟件效率極為低下且編程工作量大，應(yīng)用軟件的可移植性差、升級和生命力受到制約，為解決問題采取以下技術(shù)措施：

3.1.1 建立檢定工作流程“功能性控制模板”

依據(jù)檢定規(guī)程和國軍標要求，針對每個計量項目整理出其計量流程，梳理出標準和被檢設(shè)備分別涉及的控制性功能，通過優(yōu)化（采用自動耦合、關(guān)聯(lián)、默認等手段）盡可能減少“功能性控制模板”中必須的控制性功能節(jié)點數(shù)量，并將控制性功能進行優(yōu)先級排隊。用不同廠家和不同型號的標準設(shè)備（信號源、計數(shù)器、衰減器）和被檢設(shè)備進行重復(fù)驗證、優(yōu)化，最終建立了以功能性控制節(jié)點為主線的“功能性控制模板”。

3.1.2 建立基于VISA的頻譜分析儀檢定“程控指令模板”[8]

依據(jù)“功能性控制模板”所列的檢定過程功能性控制節(jié)點清單，分析系統(tǒng)硬件基于VISA標準的軟件指令集，對完成既定功能的指令進行合理地組合（指令順序調(diào)整、指令數(shù)量加減、指令之間邏輯“與”“或”等處理），使應(yīng)用軟件適應(yīng)不同的標準設(shè)備和被檢設(shè)備且盡可能減少指令數(shù)量。對同一計量項目，更換不同廠家和不同型號標準設(shè)備和被檢設(shè)備，經(jīng)驗證、修改建立了基于VISA可滿足頻譜分析儀檢定系統(tǒng)使用的 “程控指令模板”。

3.2 基于多驅(qū)動碼庫管理技術(shù)和VISA的數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)[4，9]

多驅(qū)動碼庫管理技術(shù)，指應(yīng)用軟件使用的控制設(shè)備程控指令按一定的規(guī)則分類存放在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，由應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫取得。基于Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)和VISA技術(shù)規(guī)范，本系統(tǒng)硬件驅(qū)動控制指令并不直接在過程控制程序（TPS模塊）中出現(xiàn)，而是分型號存放在標準設(shè)備和被檢頻譜儀指令表中，指令數(shù)據(jù)表如表1所示。

應(yīng)用軟件平臺訪問數(shù)據(jù)庫調(diào)用“程控指令模板”相關(guān)數(shù)據(jù)表得到本次檢定需要的程控指令集，將本次計量檢定用到的設(shè)備程控指令一次性導(dǎo)入TPS程序模塊配置文件，由TPS程序模塊適時動態(tài)加載程控指令，利用 VISA技術(shù)硬件接口無關(guān)的特性向儀器寫入VISA測試命令，然后向儀器讀取數(shù)據(jù)，完成測試。由于基于VISA的測試命令與儀器有關(guān)，儀器程控指令因儀器的不同而不同，儀器讀取的測量數(shù)據(jù)數(shù)量等也有不同，需要查閱相關(guān)儀器手冊以確定測試命令的格式和參數(shù)。應(yīng)用軟件設(shè)計的“程控指令模板”已解決了系統(tǒng)硬件儀器必需控制功能選擇、指令格式等問題，軟件系統(tǒng)設(shè)計上實現(xiàn)簡單方便和統(tǒng)一，頻譜儀應(yīng)用軟件可完成對各型頻譜儀的測試以及測試結(jié)果存儲處理等系統(tǒng)功能，不存在自己編寫IVI驅(qū)動程序問題，從某種程度上體現(xiàn)IVI技術(shù)的特性，且保證被檢設(shè)備能夠完全兼容驅(qū)動。

在替換或升級標準設(shè)備、被檢設(shè)備時，將標準設(shè)備或新型號頻譜儀的相應(yīng)程控指令，依據(jù)應(yīng)用軟件“程控指令模板”規(guī)則和說明填入設(shè)備程控指令（系統(tǒng)提供新建、編輯、修改、導(dǎo)入和導(dǎo)出工具），再導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，檢定應(yīng)用軟件即具備一定的“學(xué)習(xí)”能力，系統(tǒng)實現(xiàn)標準設(shè)備替換或新型號頻譜儀擴充，即便將來替換標準設(shè)備或增加新型號頻譜儀，檢定系統(tǒng)無須編程實現(xiàn)升級擴充，其工作界面如圖5所示。

4 結(jié) 語

本文介紹了基于VC++ 6.0和SQL Sever數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了由應(yīng)用軟件測試平臺、TPS和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的軟件體系架構(gòu)，融合了VISA技術(shù)儀器驅(qū)動簡單IVI技術(shù)儀器驅(qū)動易使用的特點，將VISA和數(shù)據(jù)庫技術(shù)用于頻譜分析儀檢定系統(tǒng)的“程控指令模板”，結(jié)合多驅(qū)動碼庫管理技術(shù)，實現(xiàn)測量過程和程控指令相分離、應(yīng)用軟件與測試儀器無關(guān)可互換，解決了無須編程標準設(shè)備可替換、被檢設(shè)備型號可擴充難題，提高了應(yīng)用軟件的可移植性和健壯性，技術(shù)上保證應(yīng)用軟件具有較長的生命周期。該裝置已成功應(yīng)用于實際檢定工作，極大地提高了檢定工作效率，準確性和可靠性得到了保證。應(yīng)用軟件設(shè)計思想和實現(xiàn)方法可供開發(fā)ATS等自動測試系統(tǒng)人員借鑒參考，對自動測試系統(tǒng)設(shè)計研究開發(fā)，具有一定的推動作用和推廣價值。

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