采用GPIB接口的多路耦合器自動測試技術*

夏 敏

(海軍駐嘉興地區通信軍事代表室 嘉興 314000)

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采用GPIB接口的多路耦合器自動測試技術*

夏 敏

(海軍駐嘉興地區通信軍事代表室 嘉興 314000)

為滿足多路耦合器自動測試需求,論文選擇GPIB接口技術搭建自動測試平臺,采用AT89S51和FT232RL芯片設計制作了GPIB卡,采用VC++編程語言設計了自動測試軟件,通過電腦連接并控制矢量網絡分析儀,最終實現了對多路耦合器相關參數的自動測試。

自動測試系統; 多路耦合器; 通用接口總線

Class Number TP274.1

1 自動測試需求

在艦船和通信車等平臺上,若多部電臺需同時工作時,可采用多路耦合器實現多部電臺共用一副天線,既可節約有限的天線安裝空間,還可在一定程度上改善本地電磁兼容環境。某型多路耦合器由多組寬帶濾波器和可調窄帶濾波器組成,當多路耦合器收到不同電臺發來的指令(頻點、帶寬、工作模式等)后,可自動切換并調整相關濾波器以滿足電臺對射頻通道的不同需求,然后通過耦合網絡將各通道的射頻信號合成到一個射頻口上收發,從而實現多通道的天線共用,如圖1所示。

基于多路耦合器的技術特點和使用場景,在其調試和檢驗階段必須針對所連接電臺的多種工作模式(如1號、2號電臺工作于某兩個不同頻點的窄帶模式,而3號、4號電臺可能工作于另兩個頻點的寬帶模式等情況),需使用矢量網絡分析儀(VNA)對各通道的插入損耗、隔離度等指標進行組合測試。若采用純手工方式進行測試,僅定頻窄帶工作模式(以1MHz的頻率步進方式分別測試4個通道)就涉及上千個測試點,既耗費時間和人力,還很難保證測試數據的正確性。為此,有必要設計和開發一套專用于多路耦合器的自動測試系統(Automatic Test System,ATS),在確保測量精度的前提下,設法提高測試工作的效率[1]。

2 系統方案的選擇

該自動測試系統的設計目標是利用電腦(帶USB口)作為主控制設備,用軟件方式模擬四部電臺向多路耦合器發出控制指令,同時操控安捷倫8753ES型矢量網絡分析儀依次對多路耦合器各通道的插入損耗、隔離度等指標進行測量[2],再將相關數據讀回至筆記本電腦并自動記錄,以便事后分析[3]。

圖1 多路耦合器示意圖

當前自動測試系統的主流是選用基于VXI/PXI/LXI總線的模塊化儀器設備構建測試系統,但由于目前在用的部分矢量網絡分析儀不支持VXI/PXI/LXI總線,從通用性和易擴展性的角度考慮,本方案采用了通用接口總線(GPIB)作為VNA的通信協議[4]。測試系統示意圖如圖2所示。

圖2 測試系統示意圖

在自動測試中,筆記本電腦用串口模擬電臺向多路耦合器發控制指令,內部帶有FPG作為主控芯片利用其良好的編程能力作為設備端的控制芯片,實現對指令的收發與編譯[5]。利用美信(MAXIM)公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片進行電平轉化與之相連接。

3 GPIB接口卡的設計與制作

3.1 GPIB接口卡硬件設計

GPIB(General—Purpose Interface Bus)是一種面向程控儀器的通用接口總線,經過多年發展比較成熟,具有數據傳輸穩定可靠,能夠實現有效跟蹤等特點,被IEEE和IEC組織承認并定為IEEE488和IEC165標準[6]。

該方案中沒用選用商用的GPIB卡,而是利用接口轉換芯片FT232RL和單片機AT89S51芯片設計和自制了GPIB卡。采用AT89S51芯片進行GPIB指令的轉換,采用FT232RL進行USB到串行UART接口的轉換,從而實現了電腦與安捷倫8753ES型矢量網絡分析儀通過USB接口完成GPIB通信。GPIB卡硬件電原理框圖如圖3所示。

圖3 GPIB電原理框圖

GPIB卡本質上就是一個接口協議轉換器,實現的功能是從USB協議到GPIB協議的轉換[7]。用戶給計算機輸入一定的命令,計算機的操作系統便會通過驅動程序向USB接口上的GPIB卡發起一個相應的數據交易。GPIB卡則把交易中所得到的數據轉換成一個個符合GPIB協議的控制信號和數據信號,這樣用戶就可以通過對計算機的操作來控制掛接在GPIB總線上的各個測量儀器[8]。

GPIB也叫HPIB,是一個數字化的24腳并行總線,由16條信號線和8條地線組成。這16條信號線分為8條數據線、5條控制線和3條握手線。8條數據線:從DIO1到DIO8,用來傳送命令、地址和數據;5條控制線:分別為ATN線、IFC線、REN線、SRQ線和EOI線,用來管理通過接口的有序信息流;3條握手線:DAV線、NRFD線和NDAC線,用于控制設備之間消息字節的傳送。發送消息方(源方)和接收消息方(受方)利用這3條握手線進行三線掛鉤,以保證數據線上的消息(命令或數據)能準確無誤地傳送[9]。

該GPIB卡制作簡單,體積小,實物如圖4所示。

圖4 GPIB卡實物圖

3.2 GPIB接口卡軟件設計

3.2.1 軟件設計關鍵

儀器是否發送信息是通過查詢GPIB接口的DAV線來實現,當DAV線為低電時表明儀器要發送信息了,而為高電時表明儀器尚未準備發送信息。

判儀器發送的信息為命令還是數據是通過查詢GPIB接口的ATN線來實現,當ATN線為低電平時表明儀器發送的是命令,而為高電時表明儀器發送的是數據。

在處于無條件接收狀態時,對儀器發送的命令不予理會,即進行GPIB接口三線掛鉤(NDAC,DAV,NRFD)的空循環,而當儀器發送來數據時,則進行完整的接收。

在處于尋址的接收狀態時,則需判斷儀器發出的尋址命令是否尋址本接口裝置設置的接收地址,若不是,則亦進行GPIB接口三線掛鉤(NDAC,DAV,NRFD)的空循環,若是,則對儀器發送來數據進行完整的接收。

判儀器是否將數據發送完畢是通過查詢GPIB接口的EOI線來實現,當EOI線為低電平時,表明儀器將數據發送完畢,而為高電平時表明儀器尚未將數據發送完畢。

3.2.2 程序流程圖

GPIB卡主程序流程圖如圖5所示,串口中斷流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

初始化過程即單片機初始化。單片機的初始化過程就是直接向相應的I/0口寫初始化值及設置看門狗,可調用函數watchdog_init()實現設置看門狗。

圖6 串口中斷流程圖

4 應用軟件的設計與實現

自動測試系統的功能實現和性能優劣在很大程度上依托于測試軟件的設計。目前,利用專用的虛擬儀器軟件開發平臺,如NI公司的LabVIEW和Agilent公司的VEE,可以很方便地實現對VNA等測試儀器的操控。但由于這兩款商用軟件的費用較高,同時考慮到自動測試軟件的通用性和可移植性,我們選擇VC++作為軟件的開發工具實現自動測試軟件[10]。

4.1 軟件設計平臺

應用軟件的平臺為VC++6.0。

4.2 軟件流程圖

軟件主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4.3 軟件設計

軟件設計中主要設計函數指令,來建立計算機與儀器之間的控制指令、測試參數的互傳,與設備之間的通信協議為事先約定,主要用到的幾個函數有:

BEGIN_MESSAGE_MAP(CAboutDlg,CDialog)----設置開始測試函數,并定義變量名;

END_MESSAGE_MAP()結束測試函數;

CAboutDlg::DoDataExchange(CDataExchange*pDX)數據轉換函數,用來進行數據格式的轉換;

CMy14autoDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)時間函數,用于超時判斷;

4.4 軟件界面

圖8 軟件界面

軟件界面,簡潔明了,操作簡單,充分考慮各種狀態,采用灰色按鍵來避免誤操作。能夠根據測試的內容自動保存數據,并根據需要進行數據分析。軟件運行界面如圖8所示。

5 實物測試

根據圖2,搭建實物測試平臺,由測試結果可以看出:使用自動測試系統,進行測試的結果是正確的,說明通過自動測試系統GPIB接口儀器和VC++之間數據傳輸正確,能夠進行正常的通信。

6 結語

此套系統用較低的成本達成了設備自動測試的功能,極大提高了工作效率,為設備測試及故障快速定位提供了方便。在實際使用過程中,將以往需要兩個人連續工作1個月才能完成的任務,減為僅需一個人對測試電纜進行更換,測試時間減少到一周,且測試數據得以自動保存,有利于事后分析。

[1] 劉龍,王偉平,劉遠飛.自動測試系統的發展現狀及前景[J].飛機設計,2007(8):74.

[2] Agilent Technologies. User’s/Programmer’s Reference Volumel Core Spectrum Analyzer Functions[M]. 2004:264-341.

[3] 王厚軍,李為名,田書林.現代測試技術[M].成都:電子科技大學出版社,2002.

[4] 周琴.GPIB總線及應用技術[J].低壓電器,2008(1):37-40.

[5] 箮許燕.基于GPIB的自動測試系統組態軟件的研究[D].合肥:合肥工業大學碩士學位論文,2002.

[6] 鄢仁輝,許秀英.射頻功率校準系統基于NAT9914的GPIB接口開發[J].福建電腦,2012(12):125-127.

[7] 王學偉,張未未.USB-GPIB控制器VISA函數庫的開發及在Visual C++中的應用[J].電測與儀表,2006(11):50-53.

[8] 雷雨.基于GPIB總線的接口模塊的研究[J].西華大學學報,2006,25(4):95-97.

[9] 耿曉玲,田小建,艾寶麗.設計GPIB接口板的方法[J].自動化與儀器儀表,2006(2):17-19.

[10] 胡文濤,孫俊逸.微機串口通信系統的Visual C++實現[J].武漢船舶職業技術學院學報,2007(2):41-43.

Automatic Test Technology of Multicoupler Using GPIB Interface

XIA Min

(Navy Representative Office of Communication in Jiaxing District, Jiaxing 314000)

In order to meet the needs of automatic testing of multicoupler, this paper chooses GPIB interface technology to build automatic testing platform, uses AT89S51 and FT232RL chip to design the GPIB card, uses VC++ programming language to design the automatic test software. To connect and control the VNA through the computer, the automatic test of related parameters on the multicoupler is realized.

automatic test system, multicoupler, GPIB

2014年12月11日,

2015年1月23日

夏敏,男,碩士,研究方向:軍用通信裝備的可靠性設計、評估。

TP274.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.035