基于VEE的信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件
孫靜,劉晨,林升,韓利華,梁法國(guó),邵強(qiáng)
(河北半導(dǎo)體研究所,河北 石家莊 050051)
摘要:主要介紹了信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成、自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的總體結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)方法和軟件驗(yàn)證。該軟件采用模塊化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)清晰;程控命令庫(kù)和歸一化測(cè)試流程設(shè)計(jì)解決了自動(dòng)校準(zhǔn)軟件對(duì)各種型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的兼容性問(wèn)題;模板文件設(shè)計(jì)符合實(shí)際工作需要,數(shù)據(jù)集DataSet和DataGrid控件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示功能。結(jié)果表明,該軟件實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器的自動(dòng)校準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞:VEE;信號(hào)發(fā)生器;自動(dòng)校準(zhǔn)
doi:10.11823/j.issn.1674-5795.2015.02.09
中圖分類號(hào):TB973;TP273
收稿日期:2015-01-04;修回日期:2015-03-15
作者簡(jiǎn)介:孫靜(1973-),女,河北正定人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞y(cè)試和無(wú)線電計(jì)量。
Automatic Calibration Software of Signal Generator Based on VEE
SUN Jing,LIU Chen,LIN Sheng,HAN Lihua,LIANG Faguo,SHAO Qiang
(Hebei Semiconductor Research Institute,Shijiazhuang 050051,China)
Abstract:The paper mainly introduces the composition of the signal generator calibration system,the overall structure of the automatic calibration software,the design of software and software verification.The modular design of the software structure is clear.The program-controlled command library and normalized test process design solve the compatibility problem of various types of signal generator automatic calibration software.The template file design meets the actual needs.The design of DataSet and DataGrid control realizes the test data storage and display functions.The results show that the software realizes the automatic calibration function of the signal generator.
Key words:VEE;signal generator;automatic calibration
0引言
隨著計(jì)量任務(wù)的不斷增多,計(jì)量自動(dòng)化已經(jīng)成為當(dāng)前計(jì)量部門發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。信號(hào)發(fā)生器是無(wú)線電計(jì)量測(cè)試中廣泛應(yīng)用的綜合型測(cè)量?jī)x器,具有型號(hào)多、選件多、參數(shù)多、數(shù)量多的特點(diǎn)。本文介紹了基于Agilent VEE測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件,它可以根據(jù)信號(hào)發(fā)生器類型、校準(zhǔn)參數(shù)模板文件的選擇,實(shí)現(xiàn)對(duì)各種型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的自動(dòng)校準(zhǔn)。
1系統(tǒng)組成
根據(jù)JJG173-2003《信號(hào)發(fā)生器檢定規(guī)程》,信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件可以實(shí)現(xiàn)頻率、電平和調(diào)制三方面的自動(dòng)計(jì)量,主要包括頻率準(zhǔn)確度、相對(duì)功率、絕對(duì)功率、頻譜純度、頻率調(diào)制、幅度調(diào)制準(zhǔn)確度和相位調(diào)制等參數(shù)[1]。信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)系統(tǒng)由測(cè)量接收機(jī)和頻率計(jì)組成。測(cè)量接收機(jī)包括頻譜儀、功率計(jì)、功率探頭和LAN/GPIB網(wǎng)關(guān),通過(guò)GPIB電纜和網(wǎng)線連接。標(biāo)準(zhǔn)器和被檢/校信號(hào)發(fā)生器之間采用共時(shí)基技術(shù)。GPIB接口和SCPI語(yǔ)言(Standard Commands for Programmable Instruments,可程控設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)命令)是目前信號(hào)發(fā)生器的標(biāo)準(zhǔn)配置,計(jì)算機(jī)采用USB-GPIB接口卡通過(guò)GPIB接口使用SCPI語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器和被校/檢儀器的控制。系統(tǒng)組成如圖1所示。
圖1 信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)組成框圖
2軟件結(jié)構(gòu)
信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件包括校準(zhǔn)信息配置、模板文件調(diào)入、儀器校準(zhǔn)、生成報(bào)告等幾部分。根據(jù)工作需要,儀器校準(zhǔn)分為單參數(shù)、半自動(dòng)和全自動(dòng)。單參數(shù)校準(zhǔn)只校準(zhǔn)所選擇的單個(gè)參數(shù),半自動(dòng)模式是依次校準(zhǔn)選擇的多個(gè)參數(shù)(除了絕對(duì)電平準(zhǔn)確度),全自動(dòng)模式是依次校準(zhǔn)選擇的全部參數(shù)。
軟件的主要流程如圖2所示。首先輸入儀器校準(zhǔn)信息配置,其中包括儀器校準(zhǔn)的相關(guān)信息和自動(dòng)校準(zhǔn)的相關(guān)配置,例如程控命令庫(kù)的儀器類別、儀器的地址號(hào)、溫濕度、日期等,圖3顯示了軟件的儀器校準(zhǔn)信息配置界面。接著根據(jù)被校儀器的型號(hào)、選件和狀態(tài),導(dǎo)入相應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)配置文件,然后軟件按照校準(zhǔn)參數(shù)校準(zhǔn)儀器,在校準(zhǔn)完成后,將測(cè)試數(shù)據(jù)直接保存到Excel工作表中,便于原始記錄和證書的打印。
圖2 軟件的主要流程圖
圖3 儀器校準(zhǔn)信息設(shè)置面板界面
3軟件設(shè)計(jì)
3.1模塊化結(jié)構(gòu)
模塊化結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計(jì)的常用方法,它是按照軟件功能劃分成多個(gè)模塊,每個(gè)模塊完成一個(gè)子功能,各模塊間在功能上、邏輯上相互獨(dú)立,由主程序按照一定的調(diào)用關(guān)系完成指定的功能。模塊化結(jié)構(gòu)將程序復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化,方便編程和調(diào)試,提高了程序的可讀性和易擴(kuò)展性。
信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件由主函數(shù)和校準(zhǔn)信息配置、模板文件調(diào)入、儀器校準(zhǔn)、生成報(bào)告等多個(gè)功能模塊組成,其中儀器校準(zhǔn)包含信號(hào)發(fā)生器的各項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)模塊,每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)為一個(gè)用戶子函數(shù),各模塊相互獨(dú)立,模塊之間有數(shù)據(jù)接口。整個(gè)程序由主函數(shù)控制,根據(jù)用戶選擇的校準(zhǔn)模式,按設(shè)計(jì)好的流程通過(guò)調(diào)用單參數(shù)校準(zhǔn)子函數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的自動(dòng)校準(zhǔn)。圖4所示為程序的模塊化結(jié)構(gòu)。
在模塊化結(jié)構(gòu)中,模塊之間的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)很重要。由于信號(hào)發(fā)生器型號(hào)多,各臺(tái)儀器的校準(zhǔn)參數(shù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)不固定,全局變量的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)參數(shù)的存儲(chǔ)、模塊間數(shù)據(jù)的連接、校準(zhǔn)參數(shù)的顯示,是程序設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)置全局變量,建立數(shù)據(jù)集DataSet,使用DataGrid控件等方法,很好地解決了校準(zhǔn)參數(shù)的調(diào)用、存儲(chǔ)、編輯、更新和實(shí)時(shí)顯示問(wèn)題。
圖4 程序的模塊化結(jié)構(gòu)
3.2模板文件
模板文件有兩類,一類為原始記錄的模板文件,主要包括原始記錄的表頭、標(biāo)準(zhǔn)器的信息、各種校/檢證書的封面等重要信息;另一類為校準(zhǔn)參數(shù)模板,主要包括校準(zhǔn)參數(shù)、校準(zhǔn)條件等信息。VEE和Excel工作表有良好的接口。這兩種模板均采用Excel文件,我們通過(guò)VEE中的Excel接口完成對(duì)模板文件的讀取、測(cè)試數(shù)據(jù)的寫入和存儲(chǔ)。
原始記錄的模板文件,包括原始記錄、校準(zhǔn)證書封面、檢定證書封面、校/檢記錄等內(nèi)容,基本涵蓋所有的證書類型,每一個(gè)內(nèi)容對(duì)應(yīng)一個(gè)sheet表,簡(jiǎn)單易用。原始記錄模板還具有校準(zhǔn)設(shè)備的選型功能,校準(zhǔn)軟件根據(jù)原始記錄模板,調(diào)用不同標(biāo)準(zhǔn)器的測(cè)試程序,完成各類型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的校準(zhǔn)參數(shù)。
我們使用標(biāo)準(zhǔn)模板和原有證書作為校準(zhǔn)參數(shù)模板文件。信號(hào)發(fā)生器的廠家、型號(hào)和選件很多。相同型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器,選件組合不同,其性能指標(biāo)也不同。個(gè)別型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器的序列號(hào)不同,其性能指標(biāo)也不同。如果根據(jù)不同型號(hào)、選件組合,需設(shè)計(jì)大量的標(biāo)準(zhǔn)模板文件。在實(shí)際校準(zhǔn)工作中,還包括二手信號(hào)發(fā)生器和由于部分指標(biāo)超差而處于限用狀態(tài)的信號(hào)發(fā)生器,這兩類信號(hào)發(fā)生器的校準(zhǔn)參數(shù)和正常狀態(tài)的信號(hào)發(fā)生器有差異,比如頻段變窄、有些功能損壞而不檢、或者最大功率限制在14 dBm等情況,不能使用通用的模板文件。因此,對(duì)于功能正常、指標(biāo)合格的大部分信號(hào)發(fā)生器選擇標(biāo)準(zhǔn)模板文件,對(duì)于上述特殊信號(hào)發(fā)生器選擇原有證書作為模板文件,這樣既解決了相同型號(hào)、不同選件、不同序列號(hào)性能指標(biāo)的上下限不同的問(wèn)題,也可以通過(guò)調(diào)用原有證書充分了解限用儀器的限用范圍和工作狀態(tài),減小計(jì)量人員工作量。
信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)完成后,軟件通過(guò)VEE中的Excel接口將測(cè)試數(shù)據(jù)寫入模板文件,并將其按自定義的文件名進(jìn)行另存,文件名包括證書號(hào)、送檢單位、型號(hào)、機(jī)號(hào)和設(shè)備編號(hào)等信息,方便日后查找和統(tǒng)計(jì)。
3.3程控命令庫(kù)
信號(hào)發(fā)生器的種類繁多,不同廠家、不同型號(hào)所使用的程控命令不同。通過(guò)分析各種型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的程控命令,我們發(fā)現(xiàn),雖然程控命令各不相同,但是均可分解為“初始化”、“射頻開(kāi)”、“調(diào)制開(kāi)”、“內(nèi)時(shí)基”、“功率”、“調(diào)幅開(kāi)”等功能命令和“頻率單位”、“功率單位”等單位命令,自動(dòng)校準(zhǔn)軟件中根據(jù)校準(zhǔn)要求設(shè)置了程控命令庫(kù)。在測(cè)試過(guò)程中,程控命令既可單獨(dú)使用,也可組合使用。
同時(shí),我們對(duì)信號(hào)發(fā)生器也進(jìn)行了分類,將可以使用相同程控命令的信號(hào)發(fā)生器歸為一類,例如Agilent公司和中國(guó)電科第41研究所的AV146X系列,HP公司的8360系列和中國(guó)電科第41研究所的AV148X系列(除AV1485系列)等;自動(dòng)校準(zhǔn)軟件中一共設(shè)置了11類。
在VEE中,記錄常數(shù)Record Constant是輸出Record數(shù)據(jù)類型(標(biāo)量或1D Array形狀的常數(shù))的對(duì)象,可以互動(dòng)方式編輯一條現(xiàn)有記錄或由記錄組成的數(shù)組[2]。我們使用Record Constant創(chuàng)建了程序命令庫(kù)。
程序命令庫(kù)是由多條記錄組成的1D Array記錄數(shù)組,每條記錄中包括若干記錄字段,記錄字段的名稱、類型和形狀可以定義,其中每條記錄對(duì)應(yīng)一類信號(hào)發(fā)生器,每一個(gè)記錄字段的名稱(Field name)對(duì)應(yīng)一個(gè)基本命令,每一個(gè)記錄字段的值(Value)對(duì)應(yīng)一條具體的程控命令,數(shù)據(jù)類型為Text。圖5為信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件中第一類信號(hào)發(fā)生器(包括Agilent系列、AV146X系列、8371X系列、69167B)的程序命令庫(kù)的截圖。
圖5 信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的程序命令庫(kù)
程序命令庫(kù)具有很好的可擴(kuò)展性,對(duì)于未編程的信號(hào)發(fā)生器,只需在程序命令庫(kù)中增加一條記錄,增加相應(yīng)的程控命令即可,而不需要重新編寫一個(gè)程序,簡(jiǎn)單實(shí)用。程序命令庫(kù)的調(diào)用也非常簡(jiǎn)單,只需在儀器校準(zhǔn)信息設(shè)置面板中選擇相應(yīng)的信號(hào)發(fā)生器類型,即可調(diào)用相應(yīng)的程控命令。
3.4歸一化測(cè)試流程
在信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)系統(tǒng)中,需要控制標(biāo)準(zhǔn)器和被校信號(hào)發(fā)生器兩種硬件設(shè)備。其中,校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)器是固定的,因此自動(dòng)測(cè)試軟件中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器的控制設(shè)計(jì)了一套測(cè)試流程,而和被校儀器相關(guān)的個(gè)別參數(shù)可以通過(guò)程序命令庫(kù)進(jìn)行分類設(shè)置。
而被校的信號(hào)發(fā)生器,由于廠家和型號(hào)不同,結(jié)構(gòu)差別很大,程控命令也不同。比如,有的信號(hào)發(fā)生器有調(diào)制開(kāi)關(guān)按鈕,需要控制調(diào)制開(kāi)關(guān),輸出調(diào)制狀態(tài),有的信號(hào)發(fā)生器則沒(méi)有調(diào)制開(kāi)關(guān)按鈕;有的信號(hào)發(fā)生器初始化處于掃頻狀態(tài),需要設(shè)置點(diǎn)頻狀態(tài),進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)。如果針對(duì)每一款信號(hào)發(fā)生器均設(shè)計(jì)一套測(cè)試流程,雖然可行,但是需要增加大量的程控命令數(shù)據(jù)庫(kù),那么就失去了整體設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),和單獨(dú)型號(hào)的校準(zhǔn)程序沒(méi)有區(qū)別,不方便計(jì)量人員使用。
因此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一套適用于所有信號(hào)發(fā)生器的各個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)的歸一化測(cè)試流程。首先,我們對(duì)所有信號(hào)發(fā)生器的測(cè)試流程進(jìn)行了梳理,列出不同型號(hào)、不同參數(shù)的測(cè)試流程。接著,分析各個(gè)測(cè)試流程的異同點(diǎn)。最后,設(shè)計(jì)一套涵蓋所有型號(hào)、所有校準(zhǔn)參數(shù)的測(cè)試流程。
以信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的調(diào)幅度校準(zhǔn)程序中信號(hào)發(fā)生器設(shè)置的測(cè)試流程為例,對(duì)歸一化測(cè)試流程的設(shè)計(jì)做一個(gè)介紹。我們選取HP公司的8360系列、安立公司的MG369X系列、HP公司的865X系列這三種信號(hào)發(fā)生器作為樣本,信號(hào)發(fā)生器的初始化為工廠初始化。如圖6所示,其中8360系列需要的測(cè)試步驟最多,而865X系列和MG369X系列沒(méi)有調(diào)制開(kāi)關(guān)按鈕,初始化為點(diǎn)頻狀態(tài),需要的測(cè)試步驟相對(duì)較少,通過(guò)分析比較,我們將最全的測(cè)試步驟設(shè)計(jì)為歸一化測(cè)試流程。圖7為信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的調(diào)幅度校準(zhǔn)程序中信號(hào)發(fā)生器初始化的歸一化測(cè)試程序圖。
圖6 信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件歸一化
圖7 信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的調(diào)幅度測(cè)試程序圖
另外,為了配合歸一化測(cè)試流程的有效運(yùn)行,在程序命令庫(kù)的設(shè)計(jì)中使用了“空”命令技術(shù)。即在某一系列的信號(hào)發(fā)生器的程控命令庫(kù)中,對(duì)于沒(méi)有或者不需設(shè)置的程控命令,均設(shè)為“空”命令。如圖8為程序命令庫(kù)中“空”命令的使用效果圖。在軟件歸一化測(cè)試流程運(yùn)行中,程序命令庫(kù)中“空”命令技術(shù)的應(yīng)用,有效地防止了被檢信號(hào)發(fā)生器誤操作,既解決了歸一化測(cè)試流程的運(yùn)行問(wèn)題,又簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。
這樣所用硬件設(shè)備的測(cè)試流程均進(jìn)行了歸一化處理,整個(gè)校準(zhǔn)軟件只需根據(jù)儀器型號(hào),在儀器校準(zhǔn)信息設(shè)置面板中選擇相應(yīng)程序命令庫(kù),即可使用一套測(cè)試程序完成所有型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的校準(zhǔn)測(cè)試。
圖8 自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的程序命令庫(kù)中“空”
歸一化測(cè)試流程具有很好的兼容性,對(duì)于目前計(jì)量中所有主要型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器均可進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn),其中包括Agilent公司、R/S公司等國(guó)外公司的型號(hào),也包括前鋒等國(guó)產(chǎn)信號(hào)發(fā)生器的型號(hào)。
3.5數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)集DataSet是數(shù)據(jù)的集合,包括表格、約束條件和表關(guān)系,是保存在內(nèi)存的虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)[3]。數(shù)據(jù)集DataSet由若干數(shù)據(jù)表DataTable組成,每一個(gè)數(shù)據(jù)表DataTable由數(shù)據(jù)列DataColumn組成,DataColumn可以指定標(biāo)題和數(shù)據(jù)類型,數(shù)據(jù)行DataRow表示DataTable中的一行數(shù)據(jù),可以通過(guò)數(shù)據(jù)行DataRow獲取指定記錄。
我們?cè)谲浖袆?chuàng)建數(shù)據(jù)集DataSet存儲(chǔ)數(shù)據(jù),通過(guò)調(diào)用校準(zhǔn)參數(shù)模板,根據(jù)模板中的校準(zhǔn)參數(shù)在DataSet添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)表DataTable,每一個(gè)DataTable保存一個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)的記錄數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)列DataColumn的標(biāo)題為校準(zhǔn)參數(shù)的分標(biāo)題,數(shù)據(jù)行DataRow為校準(zhǔn)參數(shù)的記錄。圖9為信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的數(shù)據(jù)集DataSet層次結(jié)構(gòu)圖,其中數(shù)據(jù)列DataColumns以相對(duì)電平準(zhǔn)確度為例。
DataGrid控件是一種類似電子數(shù)據(jù)表的綁定控件,表格以表的形式顯示數(shù)據(jù),并具有選擇、編輯、刪除和排序等功能。我們將數(shù)據(jù)集DataSet作為數(shù)據(jù)源與
DataGrid控件進(jìn)行連接,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)DataSet數(shù)據(jù)的顯示、編輯、刪除、排序等操作。在信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程中,測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在測(cè)試界面中,并自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)是否合格。測(cè)試界面如圖10所示。
圖9 信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的數(shù)據(jù)集
圖10 信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示界面圖
4軟件驗(yàn)證
我們通過(guò)比對(duì)手動(dòng)測(cè)量結(jié)果與自動(dòng)測(cè)量結(jié)果來(lái)驗(yàn)證軟件的正確性。如果
(1)
認(rèn)為滿意[4]。式中:x1和u1分別為自動(dòng)校準(zhǔn)軟件測(cè)量數(shù)據(jù)和不確定度;x2和u2分別為手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)和不確定度;其中u1=u2=u。用自動(dòng)校準(zhǔn)軟件對(duì)頻率準(zhǔn)確度、相對(duì)電平準(zhǔn)確度、絕對(duì)電平準(zhǔn)確度、諧波、分諧波、頻率調(diào)制和幅度調(diào)制參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比,各參數(shù)均滿足要求,驗(yàn)證結(jié)果滿意。
5結(jié)論
信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件已應(yīng)用于實(shí)際的計(jì)量工作,實(shí)踐證明,該軟件結(jié)構(gòu)清晰,設(shè)計(jì)合理,具有很好的兼容性和可擴(kuò)展性,涵蓋了目前計(jì)量中所有主要型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器,很好地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器的自動(dòng)計(jì)量。
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