LabWindows/CVI電場自動控制系統(tǒng)研制

陳 星，武占成，范麗思

（軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊 050003）

1 引 言

隨著軍隊信息化建設進程的加快，以電子信息系統(tǒng)為核心的信息化武器裝備大量投入使用，使得復雜電磁環(huán)境下裝備保障指揮如何發(fā)揮更大的效能以保障主戰(zhàn)裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，成為裝備保障指揮領域急需研究的課題[1]。軍事裝備在復雜電磁環(huán)境下的敏感性測試就顯得十分重要了。根據(jù)國軍標GJB 151A-97《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》和GJB 152A-97《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量》中RS103項目的試驗要求，場強極限值在頻域內(nèi)變化較小。實驗室構建的電場輻射敏感度測試系統(tǒng)在試驗掃描過程中是手動操作，即通過觀察場強計的讀數(shù)大小來調(diào)節(jié)信號源和大功率放大器的輸出，以保證掃描過程場強值的穩(wěn)定一致，EMC試驗過程中涉及到頻率敏感點和敏感極限電平，實驗的次數(shù)多而麻煩，依據(jù)GJB 152A-97中的規(guī)定，大致計算一下所需要測試次數(shù)，可以算出從8～100MHz（按0.25%步進）最少要經(jīng)過1011個頻率點。每個頻率點上都要反復調(diào)整電磁場內(nèi)的場強，工作量極大，急需構建電場自動控制系統(tǒng)。依據(jù)基于ANSIC為核心的交互式C語言編程的LabWindows/CVI開發(fā)平臺，編制自動控制軟件。自動控制軟件采用模塊化編程，主要包括儀器模塊、校正模塊、測試模塊、報告模塊。編制的程序大大加快了測試速度并易于進行升級。

2 輻射敏感度自動測試系統(tǒng)組成

2.1 硬件配置框圖

輻射敏感度測試系統(tǒng)就是對設備或系統(tǒng)進行電磁輻射干擾試驗，從而測量出設備或系統(tǒng)抗電磁輻射干擾的輻射敏感度門限值[2]。

用GTEM室為電場輻射敏感性試驗，已被FCC、IEC、CISPR 以及國標（GB）和國軍標（GJB）所采納。它具有頻帶寬、無需更換天線、場均勻性好、成本低等特點，特別適合EMS自動測試[3]。在構建電場輻射敏感度自動測試系統(tǒng)時，場強幅度變化的大小直接影響測試結果，因此必須將其變化限定在規(guī)定的誤差限內(nèi)。自動控制硬件框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)原理

圖1 系統(tǒng)硬件配置圖

信號源、功率計的GPIB接口，通過電纜級連的方式匯入USB-GPIB接口上，系統(tǒng)在不同的GPIB地址區(qū)分這兩種儀器。計算機通過GPIB卡控制信號源產(chǎn)生一定類型、頻率和幅值的信號。信號源產(chǎn)生的信號通過功率放大器放大，通過同軸電纜饋入GTEM小室。GTEM小室內(nèi)的場強由場探頭變?yōu)殡娦盘?，通過場強測量儀測量它的大小，場強測量儀將電信號轉成光信號通過光纖和RS232接口將場強數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)。測量的場強數(shù)值和標準規(guī)定的數(shù)值進行比較，通過調(diào)整信號源的大小直到GTEM室中場強與標定場強的誤差符合規(guī)定為止。

3 測試系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計的總體思想

編寫自動測試程序之前，首先應該對儀器的原理、功能、操作方法有詳細的了解，對程序的結構進行設計，電場輻射敏感度自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是對GTEM室內(nèi)場強的控制、通過調(diào)節(jié)信號源輸出功率大小改變室內(nèi)場強。涉及控制或通信的儀器主要有信號源、功率計、場強計。為了適應通信總線和測試儀器的變化，驅動程序分層、模塊化設計。程序由底層向上編寫，VISA首先定義了一種管理所有VISA資源的資源管理器，以實現(xiàn)各種VISA資源的管理、控制和分配，內(nèi)容包括資源尋址、資源創(chuàng)建與刪除、資源屬性的讀取與修改、操作激活、事件報告、存取控制和默認值設置等[4]。VISA調(diào)用物理儀器的VPP協(xié)議驅動程序，寫入儀器管理配置信息，用戶功能模塊調(diào)用VISA函數(shù)實現(xiàn)與功能接口。軟件結構主要包括輸入輸出接口軟件、儀器驅動程序、應用軟件開發(fā)環(huán)境。輸入輸出接口主要是通過VISA I/O來實現(xiàn)，其存在于儀器與儀器驅動程序之間，完成儀器內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)的存取操作，是儀器與儀器驅動程序之間進行信息傳遞的底層軟件[5]。應用軟件LabWindows/CVI是基于C語言編程的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。它是32位的面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，以ANSI C為核心，將功能強大、應用廣泛的C語言與測控專業(yè)工具有機地結合起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示[6]。儀器驅動程序實際上是聯(lián)系應用程序與硬件設備的橋梁，VISA庫函數(shù)為驅動程序提供了與硬件通訊的軟件接口。通過對函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)對儀器的操作[7]。虛擬儀器軟件體系結構與軟件設計流程如圖2、圖3所示。

圖2 虛擬儀器軟件體系結構

圖3 軟件設計流程圖

3.2 軟件代碼的編制

在測試的過程中涉及到計算機與信號源、功率計、場強計間的通信，就必須對其進行初始化。信號源、場強計、功率計都有LabWindows/CVI的儀器驅動程序，通過儀器菜單裝載驅動器函數(shù)庫，并將其c代碼文件與h頭文件添加到test工程文件中。添加的代碼文件主要包括功率計c代碼文件rsnrvd.c和h頭文件rsnrvd.h，信號源c代碼文件rssml.c、rssmr.c以及其h頭文件rssml.h、rssmr.h。對各個儀器的驅動函數(shù)調(diào)用進行初始化編程。儀器間是通過安捷倫公司的USB-GPIB卡與RS232接口總線通信，因此也必須安裝USB-GPIB卡的輸入輸出庫Agilent IO Libraries Suite才能對儀器進行通信控制。

3.2.1 儀器模塊

主要包括對儀器的初始化，初始化函數(shù)是通過VISA庫中的函數(shù)調(diào)用來實現(xiàn)的。儀器初始化時對各個儀器的初始化函數(shù)的調(diào)用如下所示：

3.2.2 校正模塊

對場強的校正可以分成開環(huán)校正和閉環(huán)校正。在開環(huán)的校正過程中，固定信號源輸入功率的情況下得到GTEM室內(nèi)的場強頻域特性常數(shù)K（f），可以用公式表示為 K（f）=P0/E（f）2。對于標定的場強值 E0所需的信號源功率可以表示為P=K（f）·E02。軟件編程過程如下所示，校正完的數(shù)據(jù)以*.csv格式文件保存。

在閉環(huán)校正時，可以調(diào)用開環(huán)的校正文件，通過調(diào)用開環(huán)的校正文件來更為精確地獲得標定場強所需的信號源功率。對*.csv文件的調(diào)用主要過程是對開環(huán)校正文件以塊的形式寫入一個data數(shù)組中，取數(shù)組中前2*maxfreq項分別放入另外兩個數(shù)組中，分別得到頻率與信號源功率數(shù)據(jù)。軟件編制如下所示：

在獲得開環(huán)校正文件上就可以通過測試的場強值來反饋調(diào)節(jié)信號源功率，直到室內(nèi)測試場強值與標定場強值的誤差在規(guī)定的誤差限內(nèi)。

3.2.3 測試模塊

在測試模塊中，主要是對校正文件調(diào)用，可以是開環(huán)數(shù)據(jù)文件也可以是閉環(huán)數(shù)據(jù)文件。在選擇哪種校正文件時，可以通過實際測量的場強值在頻域內(nèi)變化大小與實驗對場強變化大小的要求來選擇。對校正文件的調(diào)用與閉環(huán)校正時對開環(huán)校正文件的調(diào)用過程一樣。

3.2.4 報告模塊

LabWindows/CVI與 Word、Excel通信基礎是對Active X的調(diào)用。LabWindows/CVI調(diào)用Active X時，首先要建立其服務器，并進行配置，然后生成系統(tǒng)可以識別的程序文件，一般包括.c、.h、.fp、.obj、.sub等文件[8-9]。主要過程是在LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境下選擇 Tools-Create ActiveX Automation Controller，然后在ActiveX服務控件選擇框中選擇Microsoft Word 11.0 Object Library將會生成函數(shù)對話框，并將其保存為wordsrvr.fp，同時在選擇的目標目錄中還會生成 wordsrvr.c、wordsrvr.h、wordsrvr.obj、wordsrvr.sub等四個文件，將 wordsrvr.fp、wordsrvr.c、wordsrvr.h 文件加入工程后，就可以調(diào)用生成的函數(shù)庫，從而實現(xiàn)LabWindows/CVI與Word的混合應用。通過對函數(shù)庫中函數(shù)的調(diào)用生成以Word形式的報告。

3.3 異常情況處理

PC機已經(jīng)從基于字符的DOS用戶界面轉移到更強大的Windows圖形用戶界面，然而增強的GUI也付出了代價。在許多連續(xù)采集數(shù)據(jù)并在軟件界面上顯示的自動測試過程中，用戶界面是一個制約因素[10]。

在編制軟件測試GTEM室內(nèi)場強或是控制場強的過程中，當測量的過程中遇到特殊情況時，軟件能夠迅速停止下來并關閉儀器。在此過程中界面控件動作與硬件通信是同時進行的，如果用單線程的話，軟件不能夠快速響應控件事件，甚至造成死機。因此在編程的過程中就必須應用到多線程技術才能克服數(shù)據(jù)采集與界面顯示之間的矛盾。

在LabWindows/CVI中提供了兩種多線程技術，分別是線程池（Thread Pools）和異步定時器（Asynchronous Timers）機制[11]。該軟件的編寫用到的是線程池機制，使用線程池創(chuàng)建線程函數(shù)，在調(diào)用線程函數(shù)進行場強的校正。具體的線程池代碼如下所示：

當出現(xiàn)過載或者是檢測員需要暫停的情況時，需要釋放與線程池相關聯(lián)的校正線程函數(shù)，停止校正或是關閉儀器。在LabWindows/CVI開發(fā)平臺中用到釋放線程的函數(shù)為：

4 結束語

該文主要介紹了電場輻射敏感度自動控制技術的軟件編制過程。通過軟件架構的分析，進行了模塊化編程，軟件的四大模塊通過對函數(shù)庫和校正文件的調(diào)用實現(xiàn)其功能。在校正場強的過程中，開環(huán)校正的速度很快，適合對于場強要求不是很高的場合。閉環(huán)校正相對于開環(huán)校正速度比較慢，因為有一個標定場強誤差限需要滿足，其實現(xiàn)主要是通過開環(huán)校正的數(shù)據(jù)產(chǎn)生的場強與測量場強值比較，來修正信號源的功率值，比較修正的過程比較費時，但是閉環(huán)產(chǎn)生的場強值更為精確，得到的實驗數(shù)據(jù)也就更可靠。在保證GTEM室內(nèi)場強值的精確的基礎上如何加快閉環(huán)校準速度值得進一步的研究和探討。

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