MCXO實(shí)時(shí)在線自動(dòng)調(diào)試測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳小林　歐崢偉　鐘亮　王祝盈　謝中

摘要：設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO）的自動(dòng)調(diào)試測量系統(tǒng).該系統(tǒng)集成了S&A4220高低溫控制箱、高分辨率頻率計(jì)、PC計(jì)算機(jī)、以及基于C8051F061單片機(jī)的控制器，能夠同時(shí)調(diào)試測量8臺(tái)MCXO.PC機(jī)的控制軟件由LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，可對(duì)MCXO主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)測量.運(yùn)用該系統(tǒng)開發(fā)的MCXO，在-40～+85 ℃的寬溫度范圍內(nèi)，頻率溫度穩(wěn)定度達(dá)到±7×10-8.

關(guān)鍵詞：微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO）；自動(dòng)測量；頻率溫度穩(wěn)定度；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，穩(wěn)定的頻率源是電子系統(tǒng)關(guān)鍵器件之一.而微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器由于其高精度、功耗低、開機(jī)即可工作等特點(diǎn)，得到了研究者的高度關(guān)注[1].現(xiàn)在，國外高水平微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器頻率溫度穩(wěn)定度己能達(dá)到2×10-8（-40～85 ℃）[2].如此高精度MCXO開發(fā)，離不開全自動(dòng)實(shí)時(shí)在線調(diào)試測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).實(shí)時(shí)在線自動(dòng)測量可以提高溫度測量精度、溫度點(diǎn)補(bǔ)償密度以及補(bǔ)償電壓插值精度，最大限度地降低MCXO由于多種因素造成的系統(tǒng)誤差[3]；同時(shí)更加適應(yīng)MCXO規(guī)模化生產(chǎn)的要求.基于這樣的背景，本文提出MCXO的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)調(diào)試測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，是有積極意義的.

1系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：計(jì)算機(jī)，S&A4220高低溫控制箱，HD2000多通道高分辨率頻率計(jì)，主控板，被測晶振，系統(tǒng)控制軟件.圖1為系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖.測量系統(tǒng)分為3層，頂層為PC機(jī)，中間層為主控單片機(jī)，底層為基于C8051F061的被測MCXO，其中綠色框和藍(lán)色框內(nèi)的部件置于S&A4220高低溫控制箱內(nèi).這樣的三層結(jié)構(gòu)能夠減少數(shù)字信號(hào)以及環(huán)境因素對(duì)測量精度的影響，減少系統(tǒng)連線，也使得系統(tǒng)趨于模塊化，提高軟件運(yùn)行效率及編程效率，提高其可重復(fù)性.測量系統(tǒng)用S&A4220高低溫控制箱實(shí)現(xiàn)-40～85 ℃的環(huán)境溫度，HD2000頻率計(jì)測量輸出頻率.整個(gè)系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出頻率與標(biāo)稱頻率之間的差值作為反饋傳送給主控單片機(jī)，由主控單片機(jī)將此反饋信息傳送給指定MCXO，以改變被測晶振的壓控值，使系統(tǒng)的輸出頻率達(dá)到期望的穩(wěn)定范圍[4].圖2為系統(tǒng)處于測試狀態(tài)的照片，右下是S&A4220高低溫控制箱.

為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多臺(tái)MCXO的自動(dòng)測量，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一塊主控電路板，其核心器件為C8051F060單片機(jī)，通過UART接受PC機(jī)指令，控制各個(gè)MCXO參數(shù)測量及測量順序，并向PC機(jī)返回標(biāo)志值.通信指令以字符形式發(fā)送，包括5個(gè)字節(jié)，依次為操作內(nèi)容、晶振地址、操作數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、驗(yàn)證碼.當(dāng)出現(xiàn)不能識(shí)別的指令、總線傳輸錯(cuò)誤、非識(shí)別操作碼、傳輸超時(shí)、返回值不能識(shí)別等錯(cuò)誤時(shí)，單片機(jī)將返回相應(yīng)錯(cuò)誤代碼.當(dāng)接收到有效指令后，主控單片機(jī)分解指令，經(jīng)SMbus并通過3-8譯碼器74LS138向相應(yīng)的晶振發(fā)送指令；并通過多路開關(guān)54LS151A選取對(duì)應(yīng)MCXO連接到頻率計(jì)測量當(dāng)前頻率.

2 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)程序包括三部份：MCXO程序、主控單片機(jī)程序和PC機(jī)程序.各個(gè)程序之間有通信協(xié)議，PC機(jī)通過發(fā)送指令控制系統(tǒng)完成相關(guān)的操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)MCXO的自動(dòng)測量.PC機(jī)程序用LabVIEW編寫，包括控制外圍設(shè)備模塊，測量UcT曲線模塊，老化微調(diào)以及頻率微調(diào)模塊.它通過3個(gè)串口分別控制主控單片機(jī)、高低溫測試箱和高精密頻率計(jì)；主控單片機(jī)上的程序?yàn)橐粋€(gè)C語言程序.它主要功能是接收、執(zhí)行PC機(jī)的命令并返回相應(yīng)的值.MCXO程序?yàn)橐粋€(gè)匯編語言程序.它主要包括兩大部分：工作部分和調(diào)試部分.采用匯編語言主要是為了提高定時(shí)精確度[5].程序之間的關(guān)系如圖3所示.

2.1控制外圍設(shè)備模塊

系統(tǒng)中的外圍設(shè)備S&A4220高低溫控制箱和HD2000多通道高分辨率頻率計(jì)都自帶有RS232串口、主控板的設(shè)計(jì)也配有RS232的接口，很方便通過NIVISA來實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的讀寫功能.NIVISA為一個(gè)可調(diào)用函數(shù)庫，通過調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序來控制儀器，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器之間的I/O控制[6].圖4為NIVISA控制溫箱的流程圖.在控制界面上設(shè)有溫度設(shè)定、到達(dá)指定溫度時(shí)間、當(dāng)前溫度等按鍵來操作溫箱.

主控單片機(jī)與PC機(jī)通信頻率為2 400 Hz，8位有效位、1位停止位、無效驗(yàn)位.通信指令以字符形式發(fā)送，包括5個(gè)字節(jié)，分別是操作內(nèi)容、晶振地址、操作數(shù)據(jù)以及驗(yàn)證碼.系統(tǒng)同時(shí)對(duì)可能出現(xiàn)的傳輸錯(cuò)誤定義了特定的錯(cuò)誤代碼以及相應(yīng)的自動(dòng)處理措施；溫箱的RS232通信協(xié)議為：波特率9600，無極性，8位有效位，1位停止位.

2.2測量UcT曲線模塊

測量UcT曲線是測試系統(tǒng)調(diào)試MCXO的主要任務(wù)之一.其工作過程如下：系統(tǒng)首先向溫箱發(fā)出指令，當(dāng)溫度穩(wěn)定在指定溫度時(shí)，測量每個(gè)MCXO的頻率值.測量結(jié)果與設(shè)置在PC機(jī)內(nèi)部的MCXO 頻率標(biāo)稱值相比較，其差值作為反饋，使PC機(jī)發(fā)送改變補(bǔ)償電壓值指令.如此循環(huán)，直到輸出頻率滿足設(shè)計(jì)精度，再保存此時(shí)的補(bǔ)償電壓值[7]，即Uc.

在同一溫度下，依次對(duì)每個(gè)MCXO完成上述過程，并作相應(yīng)的記錄.然后控制溫箱到下一個(gè)溫度點(diǎn)，重復(fù)上述測量過程，直到所有設(shè)定溫度點(diǎn)全部測量完成[8].圖5所示為自動(dòng)測量系統(tǒng)的工作流程圖.圖6所示為系統(tǒng)PC機(jī)的人機(jī)交互畫面.

4結(jié)束語

介紹的MCXO自動(dòng)測量系統(tǒng)操作便捷，人機(jī)交互界面良好.從系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量過程來看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，PC機(jī)、主控板、MCXO之間的通信有效，高低溫箱與頻率計(jì)工作正常，實(shí)現(xiàn)了MCXO的自動(dòng)測量，運(yùn)用該系統(tǒng)調(diào)試制作的MCXO頻率30 MHz，在-40～+85 ℃的寬溫度范圍內(nèi)，頻率溫度穩(wěn)定度達(dá)到±7×10-8，符合設(shè)計(jì)要求.下一步工作是擴(kuò)充系統(tǒng)規(guī)模，增加測試設(shè)備，提高測試精度和效率，使系統(tǒng)滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要.

參考文獻(xiàn)

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