基于C#和SQL Server的信號接收機自動校準系統軟件設計與實現

(中國洛陽電子信息裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

0 引言

信號接收機隨著使用時間的增加，由機械損傷以及電子元器件老化等因素引起的測試數據不準確現象經常發生。為保證信號接收機接收信號的準確度和可靠性，需要對其開展測試校準工作。常規的手動校準不僅耗時長、效率低，而且校準工作自動化水平低，難以滿足大工作量的測試校準工作需求。

進行以機架和疊加式的測試儀器操作存在體積大、運輸繁重以及操作復雜等缺點，開展測試校準工作時，便攜程度低，不便于多場地現場校準。目前，隨著板卡式測試儀器應用技術越來越成熟，以板卡儀器構建測試平臺式的自動測試系統研究也越來越多。板卡儀器中，PXI板卡儀器具有高性能、低價位和模塊化的特點，廣泛應用于試驗、測量與數據采集等各種系統中，其良好的功能特性能夠滿足便攜式校準系統的構建需求[1-3]。

本文以PXI儀器平臺為硬件基礎，設計了一種基于C#與SQL Server的信號接收機自動校準系統(以下簡稱“自動校準系統”)。對自動校準系統軟件進行了詳細設計，采用多線程技術設計系統程序，使用雙緩存技術繪制測試數據波形，將測試數據和儀器控制指令存儲在SQL Server數據庫中，最后采用報表自動生成技術生成了測試報告。

1 系統構成與功能分析

1.1 系統構成

自動校準系統由PXI校準平臺和自動校準軟件構成，硬件結構如圖1所示。系統控制由PXI機箱中的嵌入式控制器板卡實現，測試儀器由矢量信號源、音頻分析儀、信號分析儀、程控衰減器、程控開關、示波器等PXI板卡組成，選用的儀器模塊技術指標均能滿足信號接收機測試校準需求。

圖1 自動校準系統硬件結構圖

為了有效檢測信號接收機的各項性能指標，需要控制測試儀器對信號進行測量并對測量結果進行實時顯示，以保證測試數據的準確性。為此設計了自動校準系統軟件，系統軟件在VS2010平臺上采用C#編程語言進行設計，采用Windows界面設計風格，具有良好的人機交互效果。

1.2 系統功能

自動校準系統通過校準軟件控制校準平臺中的儀器模塊開展測試校準工作，測試校準過程必須滿足國家檢定規程的要求，具備信號接收機自動校準、測試數據顯示與存儲以及校準報告自動生成等基本功能。為完善自動校準系統功能，提高人機交互效率和校準系統自動化水平，增加了系統自檢和報警、校準任務規劃、儀器模塊配置以及校準參數配置等功能，使得校準系統軟件操作更加規范化。

2 自動校準系統軟件總體設計

2.1 系統軟件總體架構

自動校準系統軟件通過測試電纜、總線等實現測量設備控制、數據分析與處理、故障分析、測量數據管理、數據動態交換和用戶登陸等功能。它由用戶接口層、測試管理核心層、外圍服務層、測試驅動層以及儀器設備層組成，總體架構如圖2所示。

圖2 自動校準軟件總體架構示意圖

其中用戶接口層作為人機界面完成與用戶間的交互，它包含校準系統各個功能模塊的操作顯示；測試管理核心層提供通用測試平臺軟件的核心構件；外圍服務層主要完成具體應用的功能服務；測試驅動層作為測試程序與儀器設備等相關資源進行通信的紐帶；儀器設備層直接面向各類測試資源。

2.2 系統軟件工作流程

按照國家檢定規程設計校準系統軟件工作流程，具體工作流程如圖3所示。

圖3 自動校準系統軟件工作流程圖

具體流程如下：連接好信號接收機和PXI校準平臺，開機預熱并啟動校準軟件，操作儀器自檢模塊實現測試儀器模塊的初始化；選擇被測信號接收機需要進行的校準項目并配置勤務信息(包括校準時間、人員、生產廠家等信息)；確認信號接收機工作狀態后點擊開始測試按鈕啟動測試校準程序，測試程序控制網絡開關的切換，實現測試儀器模塊的連接；執行測試校準程序后，判斷測試結果是否超差并生成原始記錄和校準證書，完成整個測試校準任務。

3 自動校準系統軟件實現關鍵技術

3.1 基于多線程的系統程序設計

自動校準系統軟件設計時，考慮到測試校準程序運行、測試數據波形實時顯示以及數據文件自動生成等進程需要同時進行，采用多線程技術對系統程序進行設計。設計校準系統界面時，在窗體中使用PictureBox控件顯示測試數據波形。由于C#設計窗體程序時，操作UI控件(界面顯示控件)程序默認為系統主線程，如果將測試校準程序和測試數據波形繪制程序同時寫入系統主程序，根據程序運行的時間順序，會出現波形繪制不連續，不能實現實時顯示的問題。如果將測試校準程序寫入主程序進行測試操作，測試數據波形繪制程序作為子線程，由于波形繪制時涉及到PictureBox控件的操作，與UI線程產生沖突，會導致線程阻塞，產生系統假死現象。

為解決測試數據波形實時顯示以及UI控件程序控制相沖突的問題，設計多線程系統程序時，將波形繪制程序寫入主線程中，實現波形顯示和操作界面控制，并將測試校準程序作為次線程運行。在進行項目校準時，點擊儀器配置按鈕，系統成功識別儀器模塊并確認鏈路連通后，提示“儀器模塊配置成功”，啟動Timer定時器(刷新時間設置為50 ms)不間斷獲取儀器模塊測試數據，實現測試數據的實時采集，并將測試數據傳送至波形繪制程序中，實現了數據波形實時刷新。點擊校準開始按鈕啟動測試校準程序，系統給主、次線程隨機分配CPU時間片，運行測試校準程序時，改變儀器模塊參數設置以獲得不同的測試數據，在運行主程序時對測試數據進行顯示，可以保證測試數據的準確性。

多線程測試程序設計實現如下：

#region 單擊儀器模塊配置控件，配置成功后進行波形顯示

private void btn_BZ_Set_Click(object sender, EventArgs e)

{

……

ucPictureBox.DrawBackGround();

lbx_state.Items.Add(DateTime.Now + "標準設備配置完成!!!");

MessageBox.Show("請按照連接圖要求連接設備!!!");

timer2.Start();

ucPictureBox.TimerDraw.Start();

……

}

#endregion

#region 啟動定時器timer2，將測試數據傳入波形繪制程序中

private void timer2_Tick(object sender, EventArgs e)

{

List data = GenerateTestData();

ucPictureBox.Data = data;

}

#endregion

#region 單擊校準開始控件，啟動校準程序次線程

private void btn_Test_Click(object sender, EventArgs e)

{

Thread t = new Thread(new ThreadStart(BeginTast));

t.Start();

tsb_TestBegain.Enabled = false;

btn_Test.Enabled = false;

}

#endregion

#region 開始校準測試，遍歷校準項目并開始相應校準項目測試

public void BeginTast()

{

DataRowView drv = lbx_canjian.SelectedItem as DataRowView;

DataRow dr = drv.Row;

itemname = dr[lbx_canjian.ValueMember].ToString().Trim();

……

switch (itemname)

{

case "01 工作頻率":

WorkingFrequency();

break;

……

}

}

#endregion

3.2 基于雙緩存的測試數據波形繪制程序設計

自動校準軟件設計了數據波形顯示模塊，用于顯示測試儀器模塊采集到的測試數據波形。設計測試數據波形繪制程序時，使用Graphics.DrawLine()和Graphics.DrawString()等方法將測試數據繪制在PicturesBox上，并將繪制程序包裝在函數中，通過函數調用的形式實現波形繪制。采用這種波形繪制方法在進行波形數據刷新時，需要對已有數據波形進行清除，重新繪制背景色后，然后再繪制新采集的測試數據。這種方法在繪制波形時發現了一些問題：一是重復的繪制與清除波形數據，導致波形刷新緩慢，出現閃屏現象；二是波形數據量大的情況下，占用系統內存大；三是在一定的屏幕刷新速率下，波形繪制與清除占用時間長，容易產生波形不完整現象。

測試波形繪制程序設計時，采用Timer定時器以50 ms的時間間隔獲取測試數據，也就意味著在50 ms時間內，必須完成PicturesBox上已有波形的清除與重新繪制，否則將會出現波形不完整和閃屏的現象。原因在于波形的清除與重新繪制時間過長，導致50 ms內波形未繪制完成又開始獲取新的波形數據并繼續對舊波形進行清除，始終無法完成一個完整的波形繪制，導致波形不完整。另外由于繪制波形時，背景色和面板原始顏色存在明顯色差，在清除完背景色和舊波形后，由于重新繪制背景色和波形需要一定的時間，導致PicturesBox從背景色到面板原始色再到背景色存在一定的時間差，從人眼直觀的感覺就是產生了畫圖閃屏的現象。雙緩存技術可以有效解決畫圖時波形不完整和閃屏問題，它避開了直接在PicturesBox控件上繪制波形，采用虛擬畫布(內存中的一塊區域)的方式實現，所有的繪制操作均在虛擬畫布上完成，繪制完成后將畫布內容粘貼到PicturesBox控件上[4-5]。基于雙緩存繪圖方法在單次繪圖時只涉及一次PicturesBox控件的操作，進行波形刷新時，也只需刷新一次PicturesBox控件，不需要對背景色和舊波形進行清除處理，大大減少了波形繪制時間，提高了波形繪制效率，也解決了畫圖波形不完整和閃屏問題。

基于雙緩存的測試數據波形繪制程序設計如下:

private System.Windows.Forms.PictureBox picShow;//定義PictureBox

……

#region 波形繪制

public void DrawWave()

{

Bitmap tmp =(Bitmap) screen.Clone(); //構建虛擬畫布，重畫時背景無需重新繪制

Graphics ppy_graph = Graphics.FromImage(tmp);//

……

for (int i = 0; i < n - 1; i++)//畫出一組功率值

{

ppy_graph.DrawLine(myPen3, x[i], y[i], x[i + 1], y[i + 1]);

}

……

for (int i = 0; i <= 10; i++)

{

ppy_graph.DrawString(reF - 10 * i + "dBm", new Font("Times New Roman", 8), new SolidBrush(Color.White), 25, 5 + 36 * i);

}

picShow.Image = tmp;//將虛擬畫布粘貼到PictureBox上，實現波形繪制

}

3.3 基于數據庫的測試數據和程控指令存儲設計

測試數據是指使用自動校準系統開展信號接收機測試校準工作過程中涉及到的數據統稱，它包括被校接收機基本信息、校準系統信息、勤務數據、信號通道誤差數據、校準數據以及證書數據等。在測試數據存儲設計時，采用SQL Server數據庫實現數據存儲，基于數據庫的存儲技術具備完善的數據索引和修改機制，能夠實現數據高效的存儲，它采用嚴格的身份驗證和加密控制方式，可以有效保證數據安全，另外數據庫存儲技術能夠實現完整的事務和數據一致性控制，確保數據有效，維護數據完整性[6-8]。基于數據庫存儲技術的自動校準系統數據庫數據架構如圖4所示。

圖4 自動校準系統數據庫數據架構

程控指令庫是測量儀器的指令代碼、測量參數和檢定結果評判方法的集合。指令庫的存儲方式有兩種：一種是基于本地計算機的文件調用技術，如XML、INI等文件形式存儲；一種是基于數據庫訪問技術，包括Access、SQL Server、Oracle等數據庫存儲方式。利用數據庫存儲技術的優點，檢定系統采用SQL Server數據庫存儲指令庫，實現儀器程控指令和儀器控制過程分離，即編制自動測試程序時，將控制過程編碼置于校準系統程序中，而用于控制儀器的程控指令代碼、測量參數和校準結果評判方法存儲在程序之外。

校準系統對指令庫的訪問貫穿于整個校準過程的始終。指令庫訪問流程圖5所示。

圖5 指令庫訪問流程圖

3.4 測試報告自動生成程序設計

自動校準系統中，測試報告包括檢定證書和原始記錄報告，依據檢定規程要求，生成測試報告是校準工作的最后一步。進行測試報告生成時，采用自動生成方法，點擊報告生成按鈕自動將SQL Server數據庫中測試數據自動加載到報告模板中，實現報告生成。

報告自動生成程序實現主要分為報告模板設計和報告程序生成設計兩部分。進行報告模板設計時，使用Word文檔繪制報告表格模板，在需要更新報告基本數據(包括校準時間、校準人員、溫濕度等信息)的表格中使用文本域控件TextField進行數據表示，在需要插入校準項目測試數據的位置設置域，便于將數據庫中查詢到的數據插入報告中。

進行報告自動生成程序設計時，采用功能強大的Spire.Doc組件實現。Spire.Doc組件是一個專業的Word.NET庫，能夠在C#平臺上實現Word文檔的創建、讀取、編輯、轉換和打印等操作，它支持絕大多數Word元素，包括頁面、小節、頁眉、頁腳、腳注、列表、文本、字段、書簽、圖片以及背景等，而且它在創建多頁面Word文檔效果非常好，可以說是生成多頁面測試報告的完美選擇。使用Spire.Doc組件進行程序實現時，先使用Document()方法創建生成測試報告模板文檔，遍歷文檔中TextField文本域控件并賦值(值從數據庫中查詢勤務信息獲得)，查詢域獲取插入測試數據的位置，使用Table.Addtable()方法在該位置插入表格，查詢數據庫校準項目測試數據并依次寫入表格中，測試數據寫入完成后，使用Document.SaveToFile()方法將測試報告保存到指定位置。

4 實驗結果與分析

在搭建信號接收機自動校準硬件平臺的基礎上，綜合運用校準軟件對某型信號接收機開展測試校準工作，以檢驗自動校準系統的性能，測試效果如圖6所示。

圖6 信號接收機自動校準效果圖

性能檢驗采用對比實驗的方式進行，同一技術人員分別采用自動校準系統自動操作和臺式儀器疊加手動操作的形式開展測試校準工作。由于測試數據的準確性取決于測試方法、儀器性能指標和操作人員技術水平決定，在進行對比實驗時，操作人員嚴格按照校準規程進行儀器操作，同時校準規程規定的測試方法也被寫入校準程序中，降低了測試方法和操作人員技術水平對測試數據準確度的影響。并且PXI儀器模塊和臺式儀器性能指標均滿足信號接收機的測試校準需求，對比實驗時不考慮將測試數據準確度納入對比范圍，主要考查兩者在時間成本上的差異。

采用自動校準系統軟件開展測試校準工作，主要包括校準項目配置、勤務信息配置、儀器參數配置、校準以及報告生成共5個步驟，而采用臺式儀器疊加的手動測試校準工作主要包括測試校準、數據收集、數據評定和報表生成四個步驟，兩者對比實驗效果如表1所示。

表1 對比實驗效果表

可以看出兩者在時間成本上存在很大差異，采用自動校準方法耗時主要集中在校準工作準備階段，包括手動錄入勤務信息和儀器參數配置信息，但針對同一型號信號接收機，一次儀器參數配置可以供后續測試校準使用，加上人工錄入信息的時間，校準信號接收機全部項目總共消耗大約30分鐘時間。而手動校準方法在校準項目測試和報表生成上耗時較多，同一校準項目涉及多個測試頻點，技術人員在重復操作儀器參數設置花費時間較大，同時人工記錄數據并根據數據生成原始記錄和校準證書也需要花費一定的時間，計算下來大約花費200分鐘，基本上校準一臺信號接收機要花費一上午時間。相比之下，采用自動校準的方法可以節省85%的時間成本，大大提高了測試校準效率，降低了由人工操作帶來的失誤，同時采用基于PXI的硬件結構也大大增強了校準系統的便攜性。

5 結束語

針對信號接收機手動校準存在耗時長、效率低等問題，采用PXI儀器模塊構建了自動校準系統硬件平臺，并使用C#編程語言對自動校準系統軟件進行設計。軟件設計時，采用多線程技術設計測試校準程序，提高了測試校準效率；基于雙緩存技術繪制測試數據波形，解決了波形顯示閃屏的問題；采用SQL Server數據庫存儲測試數據和儀器控制指令，實現高效數據存儲和管理；運用測試報告自動生成技術實現校準證書和原始記錄的自動生成。該自動校準系統設計對提高信號接收機校準工作自動化水平，增強設備計量保障能力具有較強的應用價值。