射頻一致性測(cè)試儀中SCPI模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

張冠杰，程 方，張治中

（重慶郵電大學(xué) 通信網(wǎng)與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

0 引 言

采用終端射頻一致性測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試是終端生產(chǎn)時(shí)的重要環(huán)節(jié)，它除了可以驗(yàn)證終端的射頻指標(biāo)是否符合測(cè)試協(xié)議外，還能對(duì)終端射頻特性相關(guān)的硬件指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。隨著生產(chǎn)效率需求的提高，對(duì)射頻一致性儀表在自動(dòng)化測(cè)試及程控標(biāo)準(zhǔn)化方面都提出了更高的要求［1］。

SCPI是一種傳統(tǒng)的通用儀器控制命令標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了由不同廠商生產(chǎn)的不同型號(hào)、相同類型儀器的遠(yuǎn)程命令的格式。SCPI命令適用的對(duì)象是正在測(cè)試的信號(hào)，這種與儀表平臺(tái)無關(guān)的特點(diǎn)使其具有了良好的跨平臺(tái)特性［2］，而特殊的樹形命令結(jié)構(gòu)也使其具備一定的擴(kuò)展性，測(cè)試人員可根據(jù)功能需求對(duì)命令集進(jìn)行擴(kuò)充。隨著儀器儀表技術(shù)與自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的結(jié)合和發(fā)展，SCPI技術(shù)也被引入到射頻一致性測(cè)試儀表中，使其具備了可自動(dòng)化控制以及軟件控制標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)［3］。

SCPI解析模塊是遠(yuǎn)程控制功能的核心，儀表在接收到SCPI命令后不能識(shí)別這條命令，這就需要SCPI模塊的支持，它將GPIB （general－purpose interface bus）接口傳遞過來的上位機(jī)發(fā)送的SCPI命令解析成儀表控制核心可以識(shí)別的信息［4］。

傳統(tǒng)SCPI模塊將解析命令的操作寫死在代碼中，造成了SCPI命令集在更新時(shí)必須修改模塊代碼，這就為儀器儀表的開發(fā)和維護(hù)帶來了不便。本文提出了SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)和SCPI命令集緩沖區(qū)的方法，SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)所有SCPI命令節(jié)點(diǎn)信息，而緩沖區(qū)能夠在儀表啟動(dòng)時(shí)將所有數(shù)據(jù)庫(kù)信息載入內(nèi)存，解析器將上位機(jī)發(fā)來的命令和緩沖區(qū)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷比對(duì)得出解析結(jié)果。這種設(shè)計(jì)不但方便維護(hù)人員對(duì)命令集的維護(hù)，同時(shí)保證了解析時(shí)的運(yùn)行效率。

1 射頻儀表遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)描述

1.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常見的儀表遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由4個(gè)部分組成，包括上位機(jī)、GPIB接口卡、SCPI模塊以及儀表控制核心［6］。其中上位機(jī)參與遠(yuǎn)程控制流程的運(yùn)行和管理；GPIB接口負(fù)責(zé)命令數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果的接收與轉(zhuǎn)發(fā)；SCPI模塊用于SCPI命令的解析；而儀表控制核心負(fù)責(zé)射頻儀表的運(yùn)行。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 射頻一致性儀表的遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作流程

一次完整的系統(tǒng)測(cè)試流程包含GPIB連接建立，測(cè)試環(huán)境配置，測(cè)試?yán)龍?zhí)行，GPIB連接釋放，工作流程如圖2所示。流程中使用SCPI命令進(jìn)行的操作都需要SCPI模塊的解析。

圖2 系統(tǒng)工作流程

GPIB連接建立。該連接建立發(fā)生在上位機(jī)與GPIB接口之間，上位機(jī)通過實(shí)例化連接對(duì)象來建立一條GPIB連接通路，該連接對(duì)象中包含GPIB卡號(hào)信息和GPIB地址信息。連接建立后，GPIB模塊將連接狀態(tài)置為True，防止重復(fù)連接。

測(cè)試環(huán)境配置。GPIB 連接建立后，上位機(jī)通過GPIB接口向射頻一致性儀表發(fā)送環(huán)境配置命令，用來設(shè)置小區(qū)功率，工作信道，功率控制等級(jí)以及儀表的頻率線損表等。

測(cè)試?yán)龍?zhí)行。測(cè)試?yán)阅_本的形式順序執(zhí)行，包含測(cè)試項(xiàng)的運(yùn)行和測(cè)試數(shù)據(jù)的上報(bào)。

GPIB連接釋放。上位機(jī)在測(cè)試腳本執(zhí)行完成后釋放該GPIB實(shí)體連接，GPIB模塊將連接狀態(tài)置為False。至此完成一次完整的系統(tǒng)測(cè)試。

2 SCPI命令語(yǔ)法格式

SCPI是一種可編程儀表的標(biāo)準(zhǔn)命令集［7］，它定義了一套上位機(jī)與測(cè)試儀器通訊時(shí)的命令格式。SCPI命令從用途上分為兩種，SCPI通用命令和儀表專用SCPI命令。SCPI通用命令由IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)制定，它實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能的一般操作，命令以 ‘＊’開始且只有一層結(jié)構(gòu)，每條指令完成特定的功能。通用命令集見表1。

表1 SCPI通用命令集

儀表專用SCPI命令為樹形分層結(jié)構(gòu)，層與層間用 ‘：’分隔，最底層命令節(jié)點(diǎn)與命令參數(shù)間使用空格分隔，參數(shù)之間采用 ‘，’分隔，而完整的SCPI命令之間用 ‘；’分隔。命令格式為：

子系統(tǒng)名稱：節(jié)點(diǎn)名＜命令體參數(shù)＞：子節(jié)點(diǎn)名＜命令體參數(shù)＞＜命令參數(shù)1＞，＜命令參數(shù)2＞… …；

一套完整的儀表專用SCPI命令由多種命令樹組成，以筆者所研究的儀表為例，大致分為6類命令樹，每種命令樹代表一類功能，見表2。

3 SCPI模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的解析模塊采用單獨(dú)的SCPI解析器實(shí)現(xiàn)，所有比對(duì)數(shù)據(jù)和解析處理寫死在解析器中，為開發(fā)人員對(duì)命令集的維護(hù)和擴(kuò)展工作帶來了不便。

改進(jìn)后的SCPI模塊在SCPI解析器的基礎(chǔ)上，增加了SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)、SCPI命令集緩沖區(qū)以及解析結(jié)果緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)。各子模塊及關(guān)系圖，如圖3所示。

表2 子系統(tǒng)分類

圖3 SCPI模塊架構(gòu)

3.1 SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)具體設(shè)計(jì)

SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)主要負(fù)責(zé)在本地文件中存儲(chǔ)所能支持的所有SCPI命令信息。在SCPI命令更新時(shí)，開發(fā)人員只需對(duì)SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)做簡(jiǎn)單的升級(jí)，不需要更改解析器中的代碼。信息結(jié)構(gòu)以樹形結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，每個(gè)樹節(jié)點(diǎn)都代表了一條SCPI命令信息，這些信息具體包括：

SCPI命令在整個(gè)命令集樹狀結(jié)構(gòu)中的位置信息，包括命令字符串 （全寫和簡(jiǎn)寫）、父節(jié)點(diǎn)信息、子節(jié)點(diǎn) （集）信息，以及默認(rèn)子節(jié)點(diǎn) （如果存在）；

SCPI命令的模式信息 （是否可設(shè)置、是否可查詢）；

SCPI命令的處理函數(shù)信息，包括函數(shù)名和輸入?yún)?shù)；

關(guān)于該SCPI命令信息的備注。

我們采用xml格式文件存儲(chǔ)命令集。使用xml方式存儲(chǔ)命令集有以下優(yōu)點(diǎn)：分離SCPI命令集內(nèi)容管理和命令解析流程管理，便于對(duì)遠(yuǎn)程控制功能的開發(fā)和維護(hù)；規(guī)范統(tǒng)一，任何系統(tǒng)和產(chǎn)品所支持的xml文檔，都具有統(tǒng)一的格式和語(yǔ)法，這樣就使得數(shù)據(jù)庫(kù)具有了跨平臺(tái)的特性；可擴(kuò)展性，根據(jù)射頻一致性儀表的功能需要，可方便地?cái)U(kuò)展SCPI命令集命令，無需復(fù)雜的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)操作。以基本的查詢和設(shè)置命令為例，代碼如下：

該段XML代碼中，描述了兩條命令，具體見表3。

表3 對(duì)SCPI命令節(jié)點(diǎn)的解釋

3.2 SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)

SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)在初始化時(shí)，從SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取所有SCPI節(jié)點(diǎn)的信息，并存儲(chǔ)在內(nèi)存中，便于在使用時(shí)快速查找，保證解析時(shí)的效率。該緩沖區(qū)模塊功能由以下3個(gè)類實(shí)現(xiàn)。

SCPI命令類，存儲(chǔ)單條SCPI命令的全部信息，同時(shí)提供兩種操作：創(chuàng)建SCPI命令實(shí)例，其各項(xiàng)屬性均從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)繼承而來；SCPI命令子節(jié)點(diǎn)添加操作，向節(jié)點(diǎn)中添加一個(gè)子節(jié)點(diǎn)。SCPI命令的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

SCPI命令集合類，該類實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)SCPI命令信息的存儲(chǔ)，同時(shí)提供兩種操作：在節(jié)點(diǎn)集合中根據(jù)子系統(tǒng)名稱查找節(jié)點(diǎn)；在節(jié)點(diǎn)集合中根據(jù)子系統(tǒng)字符串?dāng)?shù)組查找葉子節(jié)點(diǎn)。

SCPI解析結(jié)果類，用于存儲(chǔ)一條經(jīng)過SCPI模塊處理的解析結(jié)果，它包含8 個(gè)成員變量：命令模式 （配置／查詢）、查詢命令的參數(shù)個(gè)數(shù)、設(shè)置命令的參數(shù)個(gè)數(shù)、SCPI命令示例字符串、處理函數(shù)名稱字符串、原始輸入的SCPI命令字符串、是否是查詢命令、SCPI 命令攜帶的參數(shù)數(shù)組。

3.3 解析結(jié)果緩存區(qū)設(shè)計(jì)

該緩沖區(qū)按照時(shí)間順序存儲(chǔ)SCPI命令解析結(jié)果，這些結(jié)果被儀表控制核心調(diào)用。緩沖區(qū)的工作方式遵循先進(jìn)先出的原則，即最先進(jìn)入緩沖區(qū)的解析結(jié)果最先被儀表控制核心調(diào)用，緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)可以保證解析模塊的運(yùn)行效率不受儀表控制核心的影響。

3.4 SCPI解析器設(shè)計(jì)

3.4.1 SCPI解析器主要功能

SCPI解析器是SCPI模塊的核心，它提供將SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)加載到SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)內(nèi)的API；解析SCPI命令字符串，從SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)緩存中查找對(duì)應(yīng)的葉子節(jié)點(diǎn)信息；根據(jù)葉子節(jié)點(diǎn)信息構(gòu)造解析結(jié)果，將該結(jié)果推入解析結(jié)果緩沖區(qū)內(nèi)。

3.4.2 SCPI解析器解析流程

解析流程分為：預(yù)處理流程，分類流程，字符串解析流程，比對(duì)流程和解析結(jié)果填充流程。如圖4所示。

圖4 SCPI命令解析流程

預(yù)處理流程。模塊采集到的數(shù)據(jù)可能包含多條SCPI命令，所以首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行命令分割操作，根據(jù) ‘；’來判別一條完整的SCPI命令，預(yù)判命令的合法性，去除命令中的非法字符，并按字符串先后順序?qū)⑦@些命令存儲(chǔ)。

分類流程。對(duì)上一流程中存儲(chǔ)的SCPI命令分類。首先調(diào)用函數(shù)判斷當(dāng)前處理是SCPI通用命令還是儀表專用SCPI命令，如果為儀表專用SCPI命令，它的命令子系統(tǒng)分為CONFig，SENSe，F(xiàn)ETCh，ERRor，SYSTem，INSTrument，我們根據(jù)命令所屬的命令子系統(tǒng)分別調(diào)用各自的處理函數(shù)進(jìn)入字符串解析流程；如果為SCPI通用命令，則直接進(jìn)入比對(duì)流程。

字符串解析流程。首先根據(jù)字符串末尾的 ‘？’標(biāo)識(shí)判斷該字符串為設(shè)置命令還是查詢命令，該信息將存儲(chǔ)在解析結(jié)果中；其次對(duì)字符串中的命令體參數(shù)和命令參數(shù)進(jìn)行提取保存；然后按照 ‘：’對(duì)命令節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分割存儲(chǔ)。

比對(duì)流程。根據(jù)上一步中分割得到的節(jié)點(diǎn)字符串在SCPI命令集緩沖區(qū)中找到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，將解析結(jié)果中命令模式和參數(shù)個(gè)數(shù)與節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比對(duì)，如果比對(duì)結(jié)果正確則進(jìn)入解析結(jié)果填充流程。

解析結(jié)果填充流程。把一條完整的命令解析結(jié)果封裝為一個(gè)類對(duì)象，并按順序推入解析結(jié)果緩沖區(qū)，至此完成單條SCPI命令的解析，等待儀表控制核心的調(diào)用。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

該模塊經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境多次測(cè)試驗(yàn)證并已應(yīng)用與實(shí)際以表中。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)的搭建需要多種設(shè)備的配合。

4.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

測(cè)試平臺(tái)包含如下設(shè)備，上位機(jī)、終端、射頻一致性測(cè)試儀、電源。其中上位機(jī)與測(cè)試儀以及上位機(jī)與電源之間使用GPIB總線連接，用于控制命令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的回傳；上位機(jī)與終端之間采用串口線連接，用于AT 指令和數(shù)據(jù)的傳輸；終端與測(cè)試儀之間采用射頻線連接，用于傳輸射頻信號(hào)。具體搭建方法如圖5所示。

圖5 自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)搭建

4.2 測(cè)試方法

采用腳本測(cè)試的方法對(duì)SCPI模塊進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)腳本文件對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試項(xiàng)并由多條SCPI命令組成。判斷SCPI模塊通過測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，除了需要查看腳本運(yùn)行的結(jié)果是否符合預(yù)期，也要確認(rèn)沒有無法識(shí)別命令的情況出現(xiàn)。

確認(rèn)各個(gè)設(shè)備連接后開啟電源，運(yùn)行上位機(jī)中的自動(dòng)化測(cè)試軟件并加載這些腳本文件開始測(cè)試。表4是最近的一次GSM 制式下的測(cè)試結(jié)果。

表4 GSM 制式下的腳本測(cè)試結(jié)果

以GSM＿PVT 腳本為例，該測(cè)試項(xiàng)用于測(cè)試發(fā)信載頻功率相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系是否符合協(xié)議規(guī)定。其運(yùn)行時(shí)的結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，運(yùn)行該腳本時(shí)儀表能夠正確進(jìn)入測(cè)試項(xiàng)并獲得測(cè)試結(jié)果。

圖6 時(shí)間模板測(cè)試項(xiàng)測(cè)試界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)射頻一致性儀表遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了SCPI命令格式，提出了SCPI解析模塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。該方案在不影響測(cè)試效率的情況下，通過增加SCPI命令集數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)完善了射頻一致性儀表的維護(hù)功能特性，同時(shí)SCPI命令集緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)又能保證解析運(yùn)行效率，對(duì)其它儀表的SCPI模塊設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

目前，本設(shè)計(jì)方案已經(jīng)應(yīng)用于某測(cè)試儀表中，實(shí)踐結(jié)果表明，該方案具有較好的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率。

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