C#編程實現的網絡化多輸入信號頻譜監測設備

伍文平

摘要：大型衛星通信地球站具有多頻段、多系統工作特點，信號測量手續復雜，儀表頻繁搬動和電纜反復插拔耗費人力，容易造成電纜及接頭損耗。設計了多輸入信號頻譜監測設備，采用Visual C#可視化編程語言，通過TCP/IP協議編程，實現SCPI規范的頻譜模塊控制，使用Measurement Studio控件操作和顯示頻譜儀狀態及數據，實現網絡化頻譜監測。使用基于MODBUS協議的TCP/IP數據轉換板，結合射頻切換開關，實現多個射頻輸入端口的遠程網絡化切換。該設備適用于大型衛星通信地球站，能遠程完成信號監測任務。

關鍵詞：MODBUS；TCP/IP；SCPI；射頻切換；頻譜監測

DOIDOI：10.11907/rjdk.173252

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）008-0208-04

英文摘要Abstract：The large scale satellite earth stations have the features of mulitband signals， multi-systems and complex signal measurement methods. Frequent removal of equipment and cable pluging cause has labor cost， and it can easily lead to loss of cable and sockets. The networking device to monitor the multi-input signals' spectrum is designed. Through the TCP/IP protocol programming， Visual C# programming language is adopted to realize the control of spectrum module with SCPI specification. First，the programm gets data from the spectrum module，then it plots the signal on screen using the Measurement Studio controls，finally it monitors the signal spectrum via the TCP/IP network. Remote networking switch of multiple RF ports is realised based on the board from TCP/IP to ON/OFF logical stutas and MODBUS protocol.The device is suitable for the large scale satellite communication earth station， and can meet the demand of remote control and remote monitor of signal selected from many antennas.

英文關鍵詞Key Words：MODBUS； TCP/IP； SCPI； RF switch； spectrum monitor

0 引言

大型衛星通信地球站具有多付天線，工作于不同頻段，提供不同的通信體制和通信業務，頻繁插拔電纜成為影響地球站測試效能的重要因素。

TCP/IP技術在儀表控制及工業自動控制領域已使用，基于SCPI語法和IEEE488.2標準的TCP/IP儀表控制與操作應用廣泛[1-5]，VISA控件為虛擬儀表技術提供了快速開發途徑， NI VISA和Agilent VISA已在儀表開發中應用[6-10]。儀表控制接口已經由以前的RS-232、GPIB發展到USB、Ethernet接口，控制和操作儀表速度更快，讀取信息的內容更豐富，實時性更強，為跨地域遠程控制和操作儀表提供了最佳途徑；工業控制領域已應用基于MODBUS協議的TCP/IP協議于RS-232、RS-485及開關量轉換。因此，通過單一網絡接口和TCP/IP編程，可實現多路輸入信號的遠程切換和信號的遠程測量。

虛擬儀表編程技術是目前較先進的儀表技術，基于SCPI、VISA，再借助一些專用控件和開發工具，使用圖形控件如GRAPH控件用于頻譜或波形顯示，可顯著節約開發時間。文獻[1]-文獻[5]介紹了SCPI協議，文獻[6]-文獻[10]詳述了VISA及VISA與SCPI的結合使用，文獻[11]-文獻[15]詳述了Measurement Studio及其與C#的結合使用。本文設備開發借鑒文獻中的成熟技術，并采用新器件，增加了新功能。

1 系統總體結構

系統總體結構框圖如圖1所示。

首先，多輸入信號切換程序控制工控板操作射頻切換器，選擇輸入信號進入頻譜模塊；然后，頻譜信號監測程序控制并操作頻譜模塊，完成選擇信號的測量。所有控制及操作均通過TCP/IP協議實現，通過網口完成，具有平臺統一性和軟件一致性。

2 多輸入信號切換部分

采用DAM0606工控板驅動VALUE MICROWAVE的SP6T射頻同軸切換器，從6路輸入信號中選擇一路射頻信號輸出到頻譜模塊。DAM0606具有6路DI輸入和6路DO輸出，6路DO均為大功率繼電器，可用來控制家用電器，完全滿足該設備使用。本系統中6路DI閑置不用。工控板與同軸切換器均為12VDC供電及驅動，供電電源和驅動電源統一，如圖2所示。

DAM0606部分控制和查詢命令如下：

（1）查詢DO：FE 01 00 00 00 06 A8 07。

說明：FE為該工控板地址，即十進制為254；01為查詢所有DO，針對DAM0606，只有6路DO；00 00開始的第一路地址針對DAM0606，從00 00開始到00 05，00 06路數，針對DAM0606就是6路，A8 07為前6個字節的CRC校驗位。

返回信息：FE 01 01 00 61 9C。

說明：FE為該工控板地址，即十進制為254，01為查詢所有DO的返回信息，01返回的字節數，本例中為1個字節；00表示6路DO狀態，bit0表示第一路狀態，bit1表示第二路狀態……，該位為0表示CLOSED（關閉），該位為1表示OPENED（打開）；61 9C為前4個字節的CRC校驗位。

（2）控制操作某一位開關量的開關狀態：FE 05 00 00 FF 00 98 35。

說明：FE為該工控板地址，05為控制某一位的開關狀態，00 00表示操作第一路，FF 00表示打開，00 00表示關閉，98 35為前6個字節的CRC校驗位。

返回信息與發送信息相同。

（3）控制操作所有開關量的開關狀態。

全開發送碼：FE 0F 00 00 00 06 01 FF 90 12

全斷發送碼：FE 0F 00 00 00 06 01 00 D0 52

說明：FE為該工控板地址，0F為控制所有位的開關狀態，00 00表示起始地址，00 06表示操作繼電器數為6個繼電器，01表示發送命令字節數，01表示1個字節的命令，FF或3F表示全開，00表示全關，90 12為前8個字節的CRC校驗位。

全開/斷返回碼：FE 0F 00 00 00 06 C1 C6

說明：FE為該工控板地址，0F為控制所有位開關狀態命令的返回碼，表示正常。如果出現錯誤則該字節返回0x82，00 00表示起始地址，00 06表示操作繼電器數為6個繼電器，C1 C6為前6個字節的CRC校驗位。

本函數調用了CModbusDll類的WriteAllDO函數，構造關閉所有繼電器命令字節串，然后用sendinfo函數發送出去。

3 射頻信號頻譜分析與顯示部分

該部分采用MSA870頻譜模塊，該模塊具有網絡接口和USB接口，本系統采用網絡接口，支持SCPI協議，最高測量頻率可達到7.1GHz，滿足一般室內射頻信號的使用。

射頻信號頻譜分析和顯示是本系統最主要部分，該部分程序結構較復雜，數據處理量大，涉及到界面響應與內部循環數據處理之間的協調問題，程序模塊之間錯綜復雜，還有SCPI語法解析，編程工作量大。

該部分采用Measurement Studio控件制作界面，用C#編程語言實現，降低界面編程工作量 [11-15]。網絡連接采用裸SOCKET編程方式，未采用目前比較流行的VISA編程，主要考慮軟件兼容性問題。VISA版本較多，目前從4.4到16.0均有使用，使用.NET版本難免存在兼容問題，可能導致程序整體運行不穩定 [2]。軟件主要結構流程如圖3所示。

將從GetData（）返回的501個double數的數組temp_data0從INDEX 0開始，畫在waveform上，從而形成頻譜波形。501個點對應的X軸坐標分別為index 0對應x_start_freq，其它500個對應x_stop_freq到x_start_freq的500個均勻分布上。

具體頻譜模塊操作可參考SCPI手冊和頻譜模塊隨機資料。

4 系統運行效果

針對目前使用的頻段，將硬件連接與軟件命名一一對應，界面盡量簡潔，操作的簡便性和軟件穩定性盡量提高。在信號選擇時，只能同時選擇一個信號進行測量，不能出現多個信號選擇的情況。因此，在選擇某一路信號時必須先關閉已經選擇的信號或關閉所有信號，再接通某路信號，信號選擇具有惟一性和排他性，見圖4。

頻譜模塊控制及頻譜數據讀取顯示程序由于涉及因素繁多，程序結構復雜，因此應重視軟件的穩定性。由于系統主要由一線工作人員用于信號有無判斷、信號質量（信噪比）測量、信號參數測量（頻率、電平）等測試場合，很少用于精密測量，因此，在界面設計上要盡量簡潔，方便操作人員使用，達到快速測量目的。在界面設計上要符合使用實際情況，將大部分常用功能按鈕放置在主界面上，見圖5。

5 結語

本文基于TCP/IP連接，在實現多頻段切換選擇后，讀取頻譜信號的各項參數，達到迅速測量信號的目的。使用情況表明系統總體設計合理，硬件連接統一、可靠、簡便，軟件性能穩定、功能齊全、操作簡便直觀，實用性較強。

但在以下方面還可改進：①網絡開關量轉換板可采用DAM0600以進一步降低成本；②頻譜模塊可根據實際使用情況選擇MSA820、MSA830或MSA870，以進一步降

低成本；③射頻切換開關在頻率、功率要求不高的場合，可選擇相應頻段、相應功率指標的國產產品。合理選擇硬件可較大幅度降低成本，使系統具有更好的經濟性。

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（責任編輯：杜能鋼）