基于VEE的信號發生器自動校準軟件

2015-12-23 07:16:38孫靜,劉晨,林升等

計測技術 2015年2期

基于VEE的信號發生器自動校準軟件

孫靜，劉晨，林升，韓利華，梁法國，邵強

(河北半導體研究所，河北石家莊 050051)

摘要：主要介紹了信號發生器校準系統的組成、自動校準軟件的總體結構、軟件設計方法和軟件驗證。該軟件采用模塊化設計，結構清晰；程控命令庫和歸一化測試流程設計解決了自動校準軟件對各種型號信號發生器的兼容性問題；模板文件設計符合實際工作需要，數據集DataSet和DataGrid控件的設計實現了測試數據的存儲和顯示功能。結果表明，該軟件實現了信號發生器的自動校準。

關鍵詞：VEE；信號發生器；自動校準

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.02.09

中圖分類號：TB973；TP273

收稿日期：2015-01-04；修回日期：2015-03-15

作者簡介：孫靜(1973-)，女，河北正定人，高級工程師，主要研究方向為微波毫米波測試和無線電計量。

Automatic Calibration Software of Signal Generator Based on VEE

SUN Jing，LIU Chen，LIN Sheng，HAN Lihua，LIANG Faguo，SHAO Qiang

(Hebei Semiconductor Research Institute，Shijiazhuang 050051，China)

Abstract：The paper mainly introduces the composition of the signal generator calibration system，the overall structure of the automatic calibration software，the design of software and software verification.The modular design of the software structure is clear.The program-controlled command library and normalized test process design solve the compatibility problem of various types of signal generator automatic calibration software.The template file design meets the actual needs.The design of DataSet and DataGrid control realizes the test data storage and display functions.The results show that the software realizes the automatic calibration function of the signal generator.

Key words：VEE；signal generator；automatic calibration

0引言

隨著計量任務的不斷增多，計量自動化已經成為當前計量部門發展的一個趨勢。信號發生器是無線電計量測試中廣泛應用的綜合型測量儀器，具有型號多、選件多、參數多、數量多的特點。本文介紹了基于Agilent VEE測試軟件開發平臺設計的信號發生器自動校準軟件，它可以根據信號發生器類型、校準參數模板文件的選擇，實現對各種型號信號發生器的自動校準。

1系統組成

根據JJG173-2003《信號發生器檢定規程》，信號發生器自動校準軟件可以實現頻率、電平和調制三方面的自動計量，主要包括頻率準確度、相對功率、絕對功率、頻譜純度、頻率調制、幅度調制準確度和相位調制等參數[1]。信號發生器校準系統由測量接收機和頻率計組成。測量接收機包括頻譜儀、功率計、功率探頭和LAN/GPIB網關，通過GPIB電纜和網線連接。標準器和被檢/校信號發生器之間采用共時基技術。GPIB接口和SCPI語言(Standard Commands for Programmable Instruments，可程控設備的標準命令)是目前信號發生器的標準配置，計算機采用USB-GPIB接口卡通過GPIB接口使用SCPI語言實現對標準器和被校/檢儀器的控制。系統組成如圖1所示。

圖1　信號發生器自動校準系統組成框圖

2軟件結構

信號發生器自動校準軟件包括校準信息配置、模板文件調入、儀器校準、生成報告等幾部分。根據工作需要，儀器校準分為單參數、半自動和全自動。單參數校準只校準所選擇的單個參數，半自動模式是依次校準選擇的多個參數(除了絕對電平準確度)，全自動模式是依次校準選擇的全部參數。

軟件的主要流程如圖2所示。首先輸入儀器校準信息配置，其中包括儀器校準的相關信息和自動校準的相關配置，例如程控命令庫的儀器類別、儀器的地址號、溫濕度、日期等，圖3顯示了軟件的儀器校準信息配置界面。接著根據被校儀器的型號、選件和狀態，導入相應的校準參數配置文件，然后軟件按照校準參數校準儀器，在校準完成后，將測試數據直接保存到Excel工作表中，便于原始記錄和證書的打印。

圖2　軟件的主要流程圖

圖3　儀器校準信息設置面板界面

3軟件設計

3.1模塊化結構

模塊化結構是程序設計的常用方法，它是按照軟件功能劃分成多個模塊，每個模塊完成一個子功能，各模塊間在功能上、邏輯上相互獨立，由主程序按照一定的調用關系完成指定的功能。模塊化結構將程序復雜問題簡單化，方便編程和調試，提高了程序的可讀性和易擴展性。

信號發生器自動校準軟件由主函數和校準信息配置、模板文件調入、儀器校準、生成報告等多個功能模塊組成，其中儀器校準包含信號發生器的各項參數校準模塊，每個功能模塊設計為一個用戶子函數，各模塊相互獨立，模塊之間有數據接口。整個程序由主函數控制，根據用戶選擇的校準模式，按設計好的流程通過調用單參數校準子函數，實現對信號發生器的自動校準。圖4所示為程序的模塊化結構。

在模塊化結構中，模塊之間的數據接口設計很重要。由于信號發生器型號多，各臺儀器的校準參數和校準數據不固定，全局變量的設計、校準參數的存儲、模塊間數據的連接、校準參數的顯示，是程序設計中的主要問題。通過合理設置全局變量，建立數據集DataSet，使用DataGrid控件等方法，很好地解決了校準參數的調用、存儲、編輯、更新和實時顯示問題。

圖4　程序的模塊化結構

3.2模板文件

模板文件有兩類，一類為原始記錄的模板文件，主要包括原始記錄的表頭、標準器的信息、各種校/檢證書的封面等重要信息；另一類為校準參數模板，主要包括校準參數、校準條件等信息。VEE和Excel工作表有良好的接口。這兩種模板均采用Excel文件，我們通過VEE中的Excel接口完成對模板文件的讀取、測試數據的寫入和存儲。

原始記錄的模板文件，包括原始記錄、校準證書封面、檢定證書封面、校/檢記錄等內容，基本涵蓋所有的證書類型，每一個內容對應一個sheet表，簡單易用。原始記錄模板還具有校準設備的選型功能，校準軟件根據原始記錄模板，調用不同標準器的測試程序，完成各類型號信號發生器的校準參數。

我們使用標準模板和原有證書作為校準參數模板文件。信號發生器的廠家、型號和選件很多。相同型號的信號發生器，選件組合不同，其性能指標也不同。個別型號的信號發生器的序列號不同，其性能指標也不同。如果根據不同型號、選件組合，需設計大量的標準模板文件。在實際校準工作中，還包括二手信號發生器和由于部分指標超差而處于限用狀態的信號發生器，這兩類信號發生器的校準參數和正常狀態的信號發生器有差異，比如頻段變窄、有些功能損壞而不檢、或者最大功率限制在14 dBm等情況，不能使用通用的模板文件。因此，對于功能正常、指標合格的大部分信號發生器選擇標準模板文件，對于上述特殊信號發生器選擇原有證書作為模板文件，這樣既解決了相同型號、不同選件、不同序列號性能指標的上下限不同的問題，也可以通過調用原有證書充分了解限用儀器的限用范圍和工作狀態，減小計量人員工作量。

信號發生器自動校準完成后，軟件通過VEE中的Excel接口將測試數據寫入模板文件，并將其按自定義的文件名進行另存，文件名包括證書號、送檢單位、型號、機號和設備編號等信息，方便日后查找和統計。

3.3程控命令庫

信號發生器的種類繁多，不同廠家、不同型號所使用的程控命令不同。通過分析各種型號信號發生器的程控命令，我們發現，雖然程控命令各不相同，但是均可分解為“初始化”、“射頻開”、“調制開”、“內時基”、“功率”、“調幅開”等功能命令和“頻率單位”、“功率單位”等單位命令，自動校準軟件中根據校準要求設置了程控命令庫。在測試過程中，程控命令既可單獨使用，也可組合使用。

同時，我們對信號發生器也進行了分類，將可以使用相同程控命令的信號發生器歸為一類，例如Agilent公司和中國電科第41研究所的AV146X系列，HP公司的8360系列和中國電科第41研究所的AV148X系列(除AV1485系列)等；自動校準軟件中一共設置了11類。

在VEE中，記錄常數Record Constant是輸出Record數據類型(標量或1D Array形狀的常數)的對象，可以互動方式編輯一條現有記錄或由記錄組成的數組[2]。我們使用Record Constant創建了程序命令庫。

程序命令庫是由多條記錄組成的1D Array記錄數組，每條記錄中包括若干記錄字段，記錄字段的名稱、類型和形狀可以定義，其中每條記錄對應一類信號發生器，每一個記錄字段的名稱(Field name)對應一個基本命令，每一個記錄字段的值(Value)對應一條具體的程控命令，數據類型為Text。圖5為信號發生器自動校準軟件中第一類信號發生器(包括Agilent系列、AV146X系列、8371X系列、69167B)的程序命令庫的截圖。

圖5　信號發生器自動校準軟件的程序命令庫

程序命令庫具有很好的可擴展性，對于未編程的信號發生器，只需在程序命令庫中增加一條記錄，增加相應的程控命令即可，而不需要重新編寫一個程序，簡單實用。程序命令庫的調用也非常簡單，只需在儀器校準信息設置面板中選擇相應的信號發生器類型，即可調用相應的程控命令。

3.4歸一化測試流程

在信號發生器校準系統中，需要控制標準器和被校信號發生器兩種硬件設備。其中，校準用的標準器是固定的，因此自動測試軟件中對于標準器的控制設計了一套測試流程，而和被校儀器相關的個別參數可以通過程序命令庫進行分類設置。

而被校的信號發生器，由于廠家和型號不同，結構差別很大，程控命令也不同。比如，有的信號發生器有調制開關按鈕，需要控制調制開關，輸出調制狀態，有的信號發生器則沒有調制開關按鈕；有的信號發生器初始化處于掃頻狀態，需要設置點頻狀態，進行參數校準。如果針對每一款信號發生器均設計一套測試流程，雖然可行，但是需要增加大量的程控命令數據庫，那么就失去了整體設計的優點，和單獨型號的校準程序沒有區別，不方便計量人員使用。

因此，我們設計了一套適用于所有信號發生器的各個校準參數的歸一化測試流程。首先，我們對所有信號發生器的測試流程進行了梳理，列出不同型號、不同參數的測試流程。接著，分析各個測試流程的異同點。最后，設計一套涵蓋所有型號、所有校準參數的測試流程。

以信號發生器自動校準軟件的調幅度校準程序中信號發生器設置的測試流程為例，對歸一化測試流程的設計做一個介紹。我們選取HP公司的8360系列、安立公司的MG369X系列、HP公司的865X系列這三種信號發生器作為樣本，信號發生器的初始化為工廠初始化。如圖6所示，其中8360系列需要的測試步驟最多，而865X系列和MG369X系列沒有調制開關按鈕，初始化為點頻狀態，需要的測試步驟相對較少，通過分析比較，我們將最全的測試步驟設計為歸一化測試流程。圖7為信號發生器自動校準軟件的調幅度校準程序中信號發生器初始化的歸一化測試程序圖。

圖6　信號發生器自動校準軟件歸一化

圖7　信號發生器自動校準軟件的調幅度測試程序圖

另外，為了配合歸一化測試流程的有效運行，在程序命令庫的設計中使用了“空”命令技術。即在某一系列的信號發生器的程控命令庫中，對于沒有或者不需設置的程控命令，均設為“空”命令。如圖8為程序命令庫中“空”命令的使用效果圖。在軟件歸一化測試流程運行中，程序命令庫中“空”命令技術的應用，有效地防止了被檢信號發生器誤操作，既解決了歸一化測試流程的運行問題，又簡化了程序設計。

這樣所用硬件設備的測試流程均進行了歸一化處理，整個校準軟件只需根據儀器型號，在儀器校準信息設置面板中選擇相應程序命令庫，即可使用一套測試程序完成所有型號信號發生器的校準測試。

圖8　自動校準軟件的程序命令庫中“空”

歸一化測試流程具有很好的兼容性，對于目前計量中所有主要型號的信號發生器均可進行自動校準，其中包括Agilent公司、R/S公司等國外公司的型號，也包括前鋒等國產信號發生器的型號。

3.5數據處理

數據集DataSet是數據的集合，包括表格、約束條件和表關系，是保存在內存的虛擬數據庫[3]。數據集DataSet由若干數據表DataTable組成，每一個數據表DataTable由數據列DataColumn組成，DataColumn可以指定標題和數據類型，數據行DataRow表示DataTable中的一行數據，可以通過數據行DataRow獲取指定記錄。

我們在軟件中創建數據集DataSet存儲數據，通過調用校準參數模板，根據模板中的校準參數在DataSet添加相應的數據表DataTable，每一個DataTable保存一個校準參數的記錄數據，數據列DataColumn的標題為校準參數的分標題，數據行DataRow為校準參數的記錄。圖9為信號發生器自動校準軟件的數據集DataSet層次結構圖，其中數據列DataColumns以相對電平準確度為例。

DataGrid控件是一種類似電子數據表的綁定控件，表格以表的形式顯示數據，并具有選擇、編輯、刪除和排序等功能。我們將數據集DataSet作為數據源與

DataGrid控件進行連接，即可實現對DataSet數據的顯示、編輯、刪除、排序等操作。在信號發生器自動校準過程中，測試數據實時顯示在測試界面中，并自動判斷數據是否合格。測試界面如圖10所示。