基于通用測試平臺(tái)的信號(hào)分析儀 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

肖蘇飛，宋 云，童穎飛，楊沁泓

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

基于通用測試平臺(tái)的信號(hào)分析儀 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

肖蘇飛，宋 云，童穎飛，楊沁泓

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

設(shè)計(jì)了一種基于通用測試平臺(tái)的信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同信號(hào)分析儀的校準(zhǔn)要求，靈活開發(fā)相應(yīng)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法，采用VISA儀器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，通過LAN接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與可程控校準(zhǔn)儀器和被檢信號(hào)分析儀的TCP/IP通訊，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)方法的全自動(dòng)運(yùn)行，并生產(chǎn)自定義的校準(zhǔn)證書。通過信號(hào)分析儀N9020A的校準(zhǔn)實(shí)例分析，驗(yàn)證了自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，且自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)效率相對(duì)于手動(dòng)校準(zhǔn)可提高10倍以上。

自動(dòng)校準(zhǔn)；通用測試平臺(tái)；信號(hào)分析儀；VISA

Abstract: An automatic calibration system of the signal analyzer is designed based on the general test platform. According to the calibration requirements of different signal analyzers, the system can flexibly develop the corresponding automatic calibration methods. With the VISA software interface standard, the communication between the PC and the TCP/IP of the program-controlled calibrator and the signal analyzer under test can be performed via the LAN interface, realizing the fully automatic operation of the calibration methods, and the self-defined calibration certificates are produced. The calibration data of the automatic calibration system are verified to be accurate and stable through the analysis of a calibration instance of the signal analyzer N9020A, and the calibration efficiency of the automatic calibration system can be increased by over 10 times relative to manual calibration.

Keywords: automatic calibration; general test platform; signal analyzer; VISA

0 引 言

信號(hào)分析儀是一種通用的射頻信號(hào)分析儀器，被廣泛應(yīng)用于電子測量中。但是，信號(hào)分析儀的校準(zhǔn)項(xiàng)目多，校準(zhǔn)頻點(diǎn)多，傳統(tǒng)的手動(dòng)校準(zhǔn)效率低，計(jì)量工作量較大。現(xiàn)代的大部分儀器均提供了程控接口，這為信號(hào)分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了前提條件。以往的大部分自動(dòng)校準(zhǔn)軟件均存在人機(jī)交互較差、新型號(hào)儀器無法校準(zhǔn)等問題[1-2]，軟件通用性和健壯性較差。

本文設(shè)計(jì)了基于通用測試平臺(tái)的信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。通用測試平臺(tái)采用虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)VISA(Virtual Instrument Software Architecture)軟件接口標(biāo)準(zhǔn)[3]，通過LAN接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與測試儀器的TCP/IP通信?；谕ㄓ脺y試平臺(tái)，根據(jù)被檢信號(hào)分析儀的校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)了信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由系統(tǒng)管理平臺(tái)、資源管理平臺(tái)、校準(zhǔn)程序開發(fā)平臺(tái)、校準(zhǔn)程序執(zhí)行平臺(tái)以及數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等5個(gè)子平臺(tái)組成。它具有便利的校準(zhǔn)方法開發(fā)功能和快速的自動(dòng)校準(zhǔn)功能。用戶可通過校準(zhǔn)程序開發(fā)平臺(tái)便捷地實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)方法的二次開發(fā)，并且可根據(jù)用戶需求生成自定義格式的校準(zhǔn)證書。同時(shí)，系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存于SQL Server數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的永久保存，方便了儀器的問題追溯。

1 通用測試開發(fā)平臺(tái)

通用測試開發(fā)平臺(tái)是面向一般的微波/射頻設(shè)備復(fù)雜系統(tǒng)的自動(dòng)化測試工具軟件平臺(tái)。系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual Studio作為開發(fā)工具，基于.NET Framework 4.0平臺(tái)，并采用Microsoft Access 2003及Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫，可運(yùn)行于Windows XP及以上的平臺(tái)。作為涵蓋測試創(chuàng)建、執(zhí)行、分析和管理的一體化自動(dòng)測試平臺(tái)，通用測試開發(fā)平臺(tái)具有以下一些特點(diǎn)：

(1) 以通用化設(shè)計(jì)為原則，可對(duì)一般的微波/射頻設(shè)備進(jìn)行電性能指標(biāo)測試。面向?qū)ο?，依?jù)接口編程，將測試過程模塊化，模塊之間通過平臺(tái)交互，達(dá)到易于維護(hù)的目的；

(2) 系統(tǒng)軟件具有開放性、靈活性和擴(kuò)展性，無需編程，通過簡單的圖形界面即可創(chuàng)建測試，測試方法易于編輯、儀表資源可擴(kuò)充/裁減，對(duì)于不同測試對(duì)象可迅速建立相應(yīng)的測試流程；

(3) 利用數(shù)據(jù)庫配置系統(tǒng)的測試參數(shù)，便于管理，同時(shí)具備自動(dòng)化的測試結(jié)果收集、可視化的測試文檔和報(bào)告生成、數(shù)據(jù)輸出和自動(dòng)文檔記錄等功能；

(4) 支持多種測試測量儀器及多種測試儀器控制總線接入方式，具備通用儀器的標(biāo)準(zhǔn)操作函數(shù)庫，能夠靈活地實(shí)現(xiàn)儀器儀表的操作；

(5) 軟件界面友好，操作方便，易于學(xué)習(xí)和使用。

2 信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

本文中的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)嚴(yán)格按照J(rèn)JF 1396-2013《頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》的校準(zhǔn)要求[4]進(jìn)行自動(dòng)化校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)，包含校準(zhǔn)信號(hào)頻率、輸入衰減、頻率顯示、掃頻寬度、中頻帶寬、中頻帶寬選擇性、垂直刻度、參考電平、輸入頻響、平均噪聲電平、諧波失真、中頻帶寬轉(zhuǎn)換偏差等12項(xiàng)指標(biāo)。每個(gè)指標(biāo)需校準(zhǔn)多個(gè)頻點(diǎn)，在手動(dòng)校準(zhǔn)的情況下工作量較大，自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的引入則可將工作時(shí)間和人力大大縮減。

2.1 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件構(gòu)成及功能

自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)管理平臺(tái)、資源管理平臺(tái)、校準(zhǔn)程序開發(fā)平臺(tái)、校準(zhǔn)程序執(zhí)行平臺(tái)以及數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等5個(gè)子平臺(tái)組成。組成框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件組成框圖

主要使用的功能模塊如下：

(1) 資源管理平臺(tái)

資源管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件測試設(shè)備的配置，可實(shí)現(xiàn)新增、刪除、修改硬件設(shè)備的功能。通過資源管理平臺(tái)，校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠針對(duì)不同的被測件進(jìn)行靈活的系統(tǒng)硬件配置。信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)需要添加被檢信號(hào)分析儀、信號(hào)源、功率計(jì)、程控衰減器和程控開發(fā)的驅(qū)動(dòng)器等硬件測試設(shè)備的配置，根據(jù)各類儀器在校準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)需求設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的儀器dll驅(qū)動(dòng)文件和xml配置文件，并在資源管理平臺(tái)中進(jìn)行選擇配置。

(2) 校準(zhǔn)程序開發(fā)平臺(tái)

校準(zhǔn)程序開發(fā)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同校準(zhǔn)對(duì)象、校準(zhǔn)指標(biāo)，在平臺(tái)中根據(jù)已配置的硬件資源編輯對(duì)應(yīng)的測試動(dòng)作，將測試動(dòng)作按正確的測試時(shí)序排列，構(gòu)成完整的校準(zhǔn)流程，并保存到計(jì)算機(jī)硬盤。信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)根據(jù)JJF 1396-2013《頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》的校準(zhǔn)要求對(duì)校準(zhǔn)信號(hào)頻率等12項(xiàng)校準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化校準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)，根據(jù)手動(dòng)校準(zhǔn)方法轉(zhuǎn)移成相應(yīng)的自動(dòng)校準(zhǔn)方法，通過調(diào)用各類儀器配置好的測試方法，編輯自動(dòng)化校準(zhǔn)流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)程序的開發(fā)。

(3) 校準(zhǔn)程序執(zhí)行平臺(tái)

校準(zhǔn)程序執(zhí)行平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)流程執(zhí)行前系統(tǒng)的自檢，以及自檢后執(zhí)行校準(zhǔn)程序開發(fā)模塊中保存的測試流程。選擇設(shè)計(jì)完成的自動(dòng)校準(zhǔn)方法進(jìn)行運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)方法的自動(dòng)化執(zhí)行，自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示信號(hào)分析儀的校準(zhǔn)結(jié)果，并將校準(zhǔn)結(jié)果保存至校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

(4) 數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

數(shù)據(jù)管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)結(jié)果的查詢、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出及測試結(jié)果的自動(dòng)報(bào)表輸出。自動(dòng)校準(zhǔn)軟件通過調(diào)用C#的Word組件實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)證書的自動(dòng)導(dǎo)出，根據(jù)給定的校準(zhǔn)證書模板進(jìn)行自定義報(bào)表導(dǎo)出軟件設(shè)計(jì)。

2.2 校準(zhǔn)系統(tǒng)測試原理

對(duì)于信號(hào)分析儀的校準(zhǔn)，嚴(yán)格按照校準(zhǔn)要求對(duì)信號(hào)分析儀的準(zhǔn)信號(hào)頻率等12項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范的需求，配置校準(zhǔn)所需的硬件設(shè)備，配置后信號(hào)分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)的校準(zhǔn)原理：通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)命令控制信號(hào)源產(chǎn)生所需校準(zhǔn)頻率的信號(hào)，再根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范要求以及測試路徑的需要，通過驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)控制程控衰減器的衰減量和程控開關(guān)的切換路徑，進(jìn)而讀取功率計(jì)和被檢信號(hào)分析儀相應(yīng)參數(shù)的值，從而完成對(duì)信號(hào)分析儀的全自動(dòng)校準(zhǔn)。信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件通過通用測試開發(fā)平臺(tái)的圖形化測試開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)配置完成后，在通用測試平臺(tái)中對(duì)校準(zhǔn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。自動(dòng)校準(zhǔn)軟件是整個(gè)系統(tǒng)指揮控制的調(diào)度中心，通過儀器接口總線[5]，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備初始化，發(fā)出各類儀器的動(dòng)作控制及數(shù)據(jù)讀取命令，同時(shí)接收系統(tǒng)中測試儀器的返回信息，并對(duì)其進(jìn)行分析處理，從而迅速地完成校準(zhǔn)的全過程及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，全面完成系統(tǒng)的自動(dòng)化校準(zhǔn)。

通過校準(zhǔn)程序開發(fā)平臺(tái)，將校準(zhǔn)方法按設(shè)計(jì)好的測試時(shí)序添加校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件資源節(jié)點(diǎn)或者邏輯控制節(jié)點(diǎn)，并通過可視化界面設(shè)置各個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作和屬性。

校準(zhǔn)方法編輯完成后，通過校準(zhǔn)程序執(zhí)行平臺(tái)執(zhí)行校準(zhǔn)流程。方法流程執(zhí)行到每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)按照設(shè)置好的動(dòng)作或者屬性控制對(duì)應(yīng)的測試資源，并在顯示面板上實(shí)時(shí)顯示校準(zhǔn)結(jié)果，最后保存至數(shù)據(jù)庫中。通過自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)導(dǎo)出的校準(zhǔn)證書可直接提交作為校準(zhǔn)結(jié)果，省略了數(shù)據(jù)處理和人工記錄的時(shí)間。校準(zhǔn)軟件的控制流程如圖3所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面就信號(hào)分析儀Keysight N9020A校準(zhǔn)應(yīng)用情況對(duì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的可靠性加以論證說明。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)自動(dòng)采集并生成，測試結(jié)果取自動(dòng)校準(zhǔn)及手動(dòng)校準(zhǔn)10次結(jié)果的RMS值作比較，以手動(dòng)測試結(jié)果為基準(zhǔn)。表1、表2分別為頻率顯示和中頻帶寬的手動(dòng)和自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果。

圖3 校準(zhǔn)軟件控制流程圖

表1 頻率顯示的校準(zhǔn)結(jié)果

表2 中頻帶寬的校準(zhǔn)結(jié)果

從表中不難看出，自動(dòng)測試的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)相比誤差均在1%以內(nèi)，能滿足校準(zhǔn)的要求，從而說明了信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)具有較高精度和可靠性。同時(shí)，信號(hào)分析儀單次手動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間大約為4 h，而自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間只需20 min。同時(shí)，自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)可自動(dòng)導(dǎo)出校準(zhǔn)證書，節(jié)約了人工手動(dòng)記錄時(shí)間，極大地提高了工作效率。通過應(yīng)用結(jié)果證明，該自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠高效的完成信號(hào)分析儀的校準(zhǔn)工作。

4 結(jié)束語

本文依據(jù)JJF 1396-2013《頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》的校準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)了基于通用測試平臺(tái)的信號(hào)分析儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)分析儀的自動(dòng)化校準(zhǔn)。該系統(tǒng)簡單實(shí)用，界面友好，且校準(zhǔn)結(jié)果可根據(jù)自定義模板導(dǎo)出，工作效率大大提高，能夠滿足大批量信號(hào)分析儀校準(zhǔn)需求，極大縮短了信號(hào)分析儀的計(jì)量周期，對(duì)科研生產(chǎn)工作的順利開展具有重要的技術(shù)支撐作用。

[1] 宋同根，談東蘭，馬暉，李平. 基于VC++和SQL-Server的頻譜分析儀檢定/校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2013(19):120-123.

[2] 左建生，朱建剛，繆軼，桑昱. 頻譜分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng) [J]. 上海計(jì)量測試, 2012(6):19-21.

[3] 孟馨，王志剛，馬文敏，王新磊. 基于GPIB總線和VISA標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)測試系統(tǒng)的應(yīng)用 [J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,38(2):83-86.

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. JJF 1396-2013頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2013.

An automatic calibration system of signal analyzer based on general test platform

XIAO Su-fei, SONG Yun, TONG Ying-fei, YANG Qin-hong

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TP311

A

1009-0401(2017)02-0065-04

2017-04-20;

2017-04-28

肖蘇飛(1989-)，男，工程師，碩士，研究方向：儀器儀表自動(dòng)化測試、軟件設(shè)計(jì)；宋云(1968-)，女，高級(jí)工程師，研究方向：計(jì)量測試技術(shù)和計(jì)量管理以及T/R組件自動(dòng)化測試；童穎飛(1989-)，男，工程師，碩士，研究方向：軟件工程、自動(dòng)化儀器儀表；楊沁泓(1988-)，女，工程師，研究方向：無線電、微波計(jì)量測試技術(shù)、儀器儀表自動(dòng)化測試。