基于AV4036F頻譜分析儀的示教系統在課程教學中的應用實踐

李青 王成 沈俊田

中國人民解放軍陸軍工程大學石家莊校區 石家莊 050003

0 引言

在現代測試技術課程教學過程中，為了使學生充分體驗應用虛擬儀器技術實現測量控制、數據處理等工作[1]，選用基于AV4036F 頻譜分析儀的虛擬儀器教學案例開展案例式教學，使學員更好地理解虛擬儀器技術在測量工作中的應用，體會虛擬儀器與傳統儀器測量的區別與特點。

虛擬頻譜分析儀是虛擬儀器的一種，是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，把研究電磁波頻譜特性參數的頻譜分析儀這種儀器虛擬化，由用戶設計定義的虛擬面板、由測試軟件實現測試功能的一種計算機儀器系統。虛擬儀器的最大特點是將計算機資源與儀器硬件、DSP 技術相結合，在系統內共享軟硬件資源。它打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，而變成了由用戶自己定義儀器功能——使用相同的硬件系統，通過不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。

1 整體設計

1.1 硬件平臺的搭建

軟件系統的設計離不開其硬件平臺，因此要設計出符合需求、具有高性能的軟件，需要對它依賴的硬件平臺有深刻的理解。

圖1 硬件平臺聯接框圖

AV4036F 頻譜分析儀和主控計算機通過網線接入符合IEEE802.3 規范的局域網后，主控計算機通過TCP/IP 協議與頻譜分析儀實現通信，并可對AV4036F 頻譜分析儀進行遠程控制。在通信過程中，主控計算機作為控制端，發送SCPI 命令給AV4036F 頻譜分析儀；頻譜分析儀作為受控端，通過LAN 通信接收主控計算機發來的SCPI 命令，并根據命令內容對信號源提供的測試信號進行測試。

1.2 軟件設計

1.2.1 程序流程

編程中采用Labwindows／CVI 平臺上調用VISA 庫函數的方法。程序流程圖如圖2 所示。

圖2 虛擬儀器的程序流程

1.2.2 操作界面設計

Labwindows/CVI 是一個完全的ANSIC 開發環境，是用于儀器控制、自動檢測、數據處理的應用軟件。它以ANSIC 為核心，將強大、使用靈活的C語言平臺與數據采集、分析和顯示的測控專業工具有機結合起來。它的交互式開發平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和函數庫大大加強了C 語言的功能，為熟悉C 語言的開發人員建立自動化的監測系統、數據采集系統、過程控制系統等提供了一個理想的開發環境。

與NI 公司開發的另一款LabView 相比，Labwindows/CVI更適合中、大型復雜測試軟件開發。由于Labwindows/CVI 附加了各種軟件開發包，如數據庫軟件包、Internet 軟件包、大小分析軟件包等，利用該軟件能夠大大節省開發時間，增強測試軟件性能。

頻譜分析儀虛擬儀器軟件的操作界面采用Labwindows/CVI 開發。在主控計算機中設計遠程控制軟件，需要顯示從儀器中獲取到的頻譜數據[2]，在軟件中使用曲線顯示軌跡，有利于觀察信號的頻譜。為了能即時用遠程控制儀器進行測量，在軟件中還需要具有專門發送SCPI 命令的操作區，通過該操作區可以直接發送儀器支持的SCPI命令給儀器。

本例中利用Labwindows/CVI 設計的用戶界面主要分為四個區域。

（1）加封：集裝箱出場站之前，在集裝箱門上加一把電子鉛封，封住集裝箱門。具體過程如下：挑選一把電子鉛封；將集裝箱號、運載車輛號碼、起點海關、終點海關輸入場站計算機；將電子鉛封放在加封器上；場站計算機通過加封器讀出電子鉛封ID號；場站計算機將集裝箱號和電子鉛封號傳到監控中心；監控中心按加密程序返回密碼；場站計算機通過加封器將密碼、集裝箱號碼、起點、終點海關等信息寫入電子鉛封；用電子鉛封封住集裝箱門。

1）波形顯示區。用戶能夠在該區域通過波形采集命令按鈕采集波形，顯示在圖表控件上并觀察，如圖3 所示。

2）參數設置區。用戶在該區域能夠設置頻率、頻寬、衰減、參考電平、掃描時間等參數，還能選擇分辨率帶寬模式和衰減自動關聯開關，如圖4 所示。

圖4 參數設置區

3）頻標設置區。用戶能夠在該區域開啟/關閉頻標，顯示頻標的頻率值、幅值信息，并以頻標頻率值設置軌跡的起始、中心、終止頻率，根據頻標幅值調整參考電平，如圖5 所示。

圖5 頻標設置區

4）SCPI 命令調試區?？赏ㄟ^該區域向儀器發送SCPI 命令并顯示返回值，此設計的作用是便于直接對儀器發送查詢語句和控制命令[2]，補充前述按鈕所不能提供的功能，幫助用戶對儀器進行調試，如圖6 所示。

圖6 SCPI 命令調試區

2 SCPI 命令設計

2.1 參數和響應的類型

SCPI 在程控和響應消息的使用中定義了不同的數據格式以符合“靈活地聽”和“精確地講”原則?！办`活地聽”指的是命令和參數的格式是靈活的，“精確地講”意味著特定查詢的響應格式都是相同的。如：FREQ:OFFS:STAT ON 與FREQ:OFFS:STAT 1都是設置頻率偏移功能開啟。而查詢功率狀態（:POWer:ALC:STATe?），當儀器處于開啟狀態時，不管先前發送的是“POWer:ALC:STATE 1”或者“POWer:ALC:STATe ON”，響應總是為1。

2.2 數據塊參數

有些參數如軌跡參數是由數據塊構成的，參數是一組描述軌跡的數據，默認的使用方式是“display units”，包括751 個軌跡點，每一個點的取值范圍是0 至1024。同時，軌跡數據的數據格式包含ASCII 碼方式、INTeger,32（二進制整形數據）、REAL,32（二進制單精度浮點數）及REAL,64（二進制雙精度浮點數），通過對軌跡點取值進行處理，能夠在軟件上同步頻譜分析儀顯示信號的軌跡。

2.3 通過SCPI 命令設置測量參數

在SCPI 標準中，SCPI 命令需要設計成層次的樹狀結構，SCPI 命令由兩個部分組成：儀器特定的控制命令和IEEE488.2 公共的命令[3]。IEEE488.2規定了儀器必須實現的公用命令，同時它還規定了公用命令的句法和語義。儀器特定的控制命令需要依據特定的儀器進行設計。

在設計儀器的SCPI 命令時，需要依據儀器的功能進行設計。在儀器中許多有關頻率的設置，如可以設置儀器的起始頻率、中心頻率、終止頻率等；在儀器中對掃描帶寬的設置，會影響儀器測量信號的準確性，所以需要設計設置掃描帶寬的命令[3]；在儀器中，掃描帶寬和RBW 的值是聯動的，可以設置掃寬RBW 的比值是自動的還是手動的等。由于這些功能都與儀器的頻率設置功能有關，那么針對儀器的這些頻率設置功能可以使用中心頻率、自動步進等頻率設置的SCPI 命令。

在儀器的掃描設置功能中，主要涉及的是對掃描時間、掃描方式和掃描點數的設置，針對這個功能可以使用掃描設置的SCPI 命令，用于遠程設置儀器的掃描時間、掃描方式和掃描點數等。

頻標設置是頻譜儀的一大特色功能，可以用于顯示測試數據和實現一些高級的測試功能，如顯示頻譜數據的最大峰值等。可以利用儀器的頻標設置功能來獲取測試數據或依據測試數據對儀器進行設置。

在儀器中，可以依據需要顯示三種軌跡，每種軌跡有不同的顯示方式，如最小值保持、最大值保持等。為了遠程控制儀器的軌跡設置功能，可通過軌跡設置命令控制儀器顯示的軌跡類型、控制不同軌跡的顯示方式或獲取不同數據類型的頻譜數據。

除設計儀器不同功能對應的SCPI 命令以外，還需要依據儀器的參數特點，如頻率取值的精度、RBW 的取值特點和SCPI 命令的需要，設計儀器SCPI 命令使用的參數類型。

3 軟硬件連接測試

虛擬儀器軟件系統設計完成以后，必須要在硬件基礎上進行調試，只有通過調試才能發現軟件錯誤，不斷改進并完善程序，最終達到程序能夠正確、穩定且高效運行的結果。軟件調試分為兩個部分：軟件代碼調試和軟件功能驗證。軟件代碼調試主要是在軟件開發環境中進行在線編譯、單步調試，檢測代碼是否有誤。軟件代碼調試工作主要在軟件編寫過程中進行。

AV4036F 頻譜分析儀的LAN 與主控計算機通信，可以驗證頻譜分析儀端的驅動程序能否接收主控計算機發送的SCPI 命令，實現數據的收發。調試和驗證步驟如下。

1）硬件設備準備。主控計算機、頻譜分析儀、網線和信號源。

2）建立硬件連接。啟動頻譜分析儀，用網線將主控計算機與頻譜分析儀接入同一局域網，使用信號源提供中心頻率為2 GHz 的被測信號。

3）與頻譜分析儀建立通信。打開Labwindows/CVI 軟件的用戶界面，在右下方選擇頻譜分析儀的地址。按下復位和初始化按鈕，觀察儀器狀態，判斷是否正常。而后，在SCPI 命令調試區，可對如軌跡刷新模式、檢波方式、數據格式等儀器基本參數進行設置和查詢。

4）對信號進行測試。先設置信號源的中心頻率與振幅，此處分別設為2 GHz、-20 dBm。在參數設置區，設置中心頻率為2 GHz，參考電平為3 dBm，分辨率帶寬為510 KHz，頻寬為4 MHz，掃描時間為5 s，點擊用戶界面上的“采集波形”按鈕，此時會給頻譜儀端發送SCPI 命令“TRACe:DATA?TRACE1”，該命令的作用是獲取頻譜分析儀端的軌跡數據，經數據處理后，進行圖形化顯示，如圖7所示。

圖7 軟件的圖形化顯示

4 結束語

本文設計的基于AV4036F 頻譜分析儀示教系統應用于現代測試技術課程教學，通過項目化教學模式，達到了使學生體會應用虛擬儀器技術實現信息化條件下的測量的學習目的，在課程教學中，通過讓學生應用該示教系統進行動手操作，提高了學生的動手能力，激發了學生的學習興趣，豐富了課程的教學手段，為該類課程建設提供了有益借鑒。