基于LabVIEW的便攜式饋線測試儀設(shè)計研究?

林洪文 王 碩

1 引言

無線通信技術(shù)出現(xiàn)以來倍受青睞，經(jīng)過百年發(fā)展，無線通信已經(jīng)成為了生產(chǎn)生活的重要媒介，小到智能手環(huán)等穿戴設(shè)備，大到載人航天等重大國防項目都隨處可見無線通信的影子。隨著研究的深入和各種應(yīng)用的開展，其在軍事國防領(lǐng)域扮演的角色也愈加重要。在以高新技術(shù)為主的新形勢戰(zhàn)爭背景下，通信系統(tǒng)已成為軍隊的中樞系統(tǒng)，維系軍隊重要環(huán)節(jié)正常運行，一旦通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成的損失無法估量。本文以某型艦船通信發(fā)射機饋線測試系統(tǒng)為研究對象，首先描述便攜式饋線測試儀硬件總體結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上提出了基于Lab-VIEW的軟件系統(tǒng)設(shè)計方案，描述整體軟件結(jié)構(gòu)，對子系統(tǒng)的劃分和各個模塊功能設(shè)計進行了扼要介紹，并對其中一項功能進行了試驗。

2 測試需求分析

饋線又稱電纜線，天饋線系統(tǒng)（antenna feeder system）是無線通信設(shè)備中必不可少的組成部分，分為天線與饋線系統(tǒng)。在無線通信中，要傳送的信號是調(diào)制在載波上的基帶信號的無線電波，通過自由空間傳播來實現(xiàn)，天線與饋線系統(tǒng)在完成這一任務(wù)中起著重要的作用，是無線通信設(shè)備中必不可少的組成部分。天線是接力通信設(shè)備的出入口，饋線則是連接天線和收發(fā)信設(shè)備的紐帶，它的作用是完成微波信號在微波機與天線之間的傳輸。

饋線是連接電臺與天線的重要設(shè)備。不同粗細、不同質(zhì)量的饋線對通信距離會產(chǎn)生很大的影響。無線通信系統(tǒng)中的饋線有同軸電纜型和波導型兩種形式，本測試儀的測試對象是同軸電纜型饋線。在無線通信系統(tǒng)中，對饋線系統(tǒng)最基本的要求有：系統(tǒng)損耗低，電壓駐波比小，極化去耦度高，機械強度大［1］。在天饋線系統(tǒng)的無線通信電路中，饋線系統(tǒng)的技術(shù)性能，質(zhì)量指標直接影響到系統(tǒng)的通信質(zhì)量，對綜合饋線測試儀提出了迫切需求，某型裝備多在野外展開這一實際情況又對饋線測試儀的低功耗性和便攜性作出了要求，因此，基于Lab-VIEW的便攜式饋線測試儀應(yīng)運而生。

3 某型發(fā)射機饋線測試儀的設(shè)計

根據(jù)上文的測試需求分析，確定了便攜式天饋線測試儀包括了駐波比測試，回波損耗測試和故障定位功能，為便于直觀分析饋線的阻抗、導納等參數(shù)，同時引入史密斯圓圖到程序中。饋線測試儀的整體設(shè)計堅持以應(yīng)用目標為導向，運用系統(tǒng)分析方法，采用集成平臺和模塊化、功能化開發(fā)模式，完成核心軟硬件模塊的設(shè)計開發(fā)和集成。硬件系統(tǒng)設(shè)計方面遵循標準化、通用化的原則，有良好的維護性，做到與現(xiàn)有的硬件環(huán)境相結(jié)合；軟件設(shè)計遵循軟件工程規(guī)范［2］。

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。測試儀是一臺將接口技術(shù)和窗口操作系統(tǒng)融合在一起的便攜設(shè)備，在操作系統(tǒng)上運行的基于LabVIEW的饋線測試程序通過內(nèi)部接口和硬件進行數(shù)據(jù)交互和參數(shù)設(shè)置［3］。整個儀器通過外設(shè)轉(zhuǎn)接頭連接饋線，向饋線發(fā)送特定信號之后檢測接收返回信號，然后通過硬件接收處理返回信號，利用軟件分析處理數(shù)據(jù)，將測試結(jié)果直觀呈現(xiàn)在顯示界面上。

3.1 硬件平臺的設(shè)計

便攜式饋線測試儀硬件平臺主要包括饋線測量模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊和校準件等部分。硬件為一體式架構(gòu)方式，內(nèi)部采用分層模式來實現(xiàn)可擴展式的系統(tǒng)架構(gòu)，采用平臺加模塊的方式實現(xiàn)預想測試功能，有效減少體積和重量，縮短研發(fā)調(diào)試周期，大大降低整體功耗，得以實現(xiàn)在無外接電源情況下使用內(nèi)部電池供電。測試功能采用模塊化劃分方法，基于儀器軟硬件平臺，自動完成發(fā)射機饋線系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標測試。

3.2 軟件平臺的設(shè)計

便攜式饋線測試儀軟件平臺主要包括駐波比測試子程序、回波損耗測試子程序和故障定位子程序，以及實現(xiàn)輔助功能的插件子程序如光標功能，波形標定、存儲與導入功能等子程序。如圖3所示，軟件平臺整體采用分層模式實現(xiàn)開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)初始界面是饋線測試總頁面，當選擇某測試項后，軟件調(diào)用該測試子程序，對設(shè)備的操作通過該子程序轉(zhuǎn)換成硬件指令，通過總線發(fā)送至相應(yīng)儀器；當設(shè)備處于讀取狀態(tài)時，子程序循環(huán)讀取測量模塊返回到總線上的信息，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換顯示到軟件界面以及存儲到歷史數(shù)據(jù)庫文件中。

3.3 測試程序的設(shè)計

便攜式饋線測試程序主要采用NI公司的Lab-VIEW軟件進行開發(fā)。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標準圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。利用NI的虛擬儀器技術(shù)，可以使復雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡單，讓工程師和科研人員得以把更多的精力放于實驗過程，數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)上［4］。饋線測試程序采用了層次化的體系結(jié)構(gòu)，每個子程序也同樣按照層次化結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。調(diào)用的硬件模塊的驅(qū)動引擎使用C++編寫，在Windows平臺下進行編譯連接后生成留有接口的動態(tài)鏈接庫文件，上層程序收到操作后發(fā)送信息給引擎，引擎再通過總線協(xié)議驅(qū)動設(shè)備運行［5］。測試程序界面和部分程序框圖如圖4所示。

3.4 接口適配器和控制模塊的設(shè)計

整個儀器硬件劃分為天饋線測試模塊、頻譜分析模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊。各模塊之間功能相對獨立，分別由控制模塊控制。各模塊之間通訊和控制如圖5所示。控制模塊功能主要分為三部分：1）控制饋線測試模塊和頻譜分析模塊的測量功能操作，傳輸和分析測量數(shù)據(jù)，通過測量數(shù)據(jù)給出測量結(jié)果；2）對測量結(jié)果進行運算、判斷、存儲和顯示；3）控制電源模塊的工作，自動給電池充放電或采用其它電源供電控制?？刂颇K硬件由兩部分組成：1）控制核心板；2）控制底板?？刂坪诵陌搴涂刂频装逋ㄟ^專用接口對接，并用螺絲固定為一體。核心底板主要負責引出核心板相應(yīng)接口，并給核心板提供電源。饋線測試模塊通過轉(zhuǎn)接頭等外設(shè)器件與饋線連接實現(xiàn)測量。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 線纜故障定位及技術(shù)實現(xiàn)

當前饋線故障定位技術(shù)一般采用TDR技術(shù)和FDR技術(shù)兩種。根據(jù)技術(shù)指標需求和經(jīng)費限制等現(xiàn)實情況，本設(shè)備采取FDR技術(shù)實現(xiàn)饋線故障點定位［6］。FDR技術(shù)基本原理：通過信號源產(chǎn)生正弦波掃頻信號作為測量信號，測量信號輸入被測線纜，信號將在故障點處將產(chǎn)生反射信號，反射信號與入射信號產(chǎn)生矢量疊加，產(chǎn)生周期數(shù)為n的波紋頻寬為 f（單位為MHz）的波紋圖案，則有

式中L為故障點與測試點距離（單位為m），c為光速，k為電磁波在電纜中傳播速度與光速的比值。令F為波紋的頻率周期，則有F=fn（MHz），由上述關(guān)系可得L=150×k F（m）［7］。本測試儀采用掃頻方式發(fā)射一定寬度的信號，接收到的頻域測量數(shù)據(jù)采用FFT變換將頻譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時域下的定位函數(shù)距離譜，并采用Chirp-Z變換提高了定位精度［8］。

4.2 儀器的整機功耗控制

目前測試系統(tǒng)功耗普遍偏大，難以使用電池供野外使用。針對這一問題，如圖6所示，本儀器立足于低功耗設(shè)計思想，采用高級配置和電源接口（Advance Configuration and Power Interface，ACPI）技術(shù)，綜合考慮各個測量模塊和控制模塊供電要求，對饋線測量各模塊不同功能根據(jù)需要進行開電和斷電操作，即根據(jù)用戶的操作需求，對必須運行的電路進行上電，而對不需運行的電路進行斷電處理，盡最大能力減少不必要的功耗損失［9］。采用該多級節(jié)電控制技術(shù)后，使原測量模塊整體平均功率大幅下降，使電池供電運行并手持操作成為可能。

4.3 一體化測量模塊綜合設(shè)計實現(xiàn)

目前國內(nèi)設(shè)備實現(xiàn)饋線測試一般需要多臺設(shè)備聯(lián)合測試，綜合測試能力差，體積大，不利于室外操作，對執(zhí)行測試任務(wù)造成很多不便。本儀器拋棄傳統(tǒng)分離式饋線測試電路設(shè)計，采用電路融合技術(shù)結(jié)合高密度多層PCB設(shè)計，把饋線測量諸多電路融合在一起設(shè)計［10］，并采用通道切換方法公用部分電路，從而減少功能重復電路，大幅減少元器件數(shù)量，充分利用PCB板空間，減少體積［11］。本便攜式饋線測試儀使用電路融合技術(shù)，使具有綜合測試能力的手持式儀器成為可能。

5 試驗結(jié)果與討論

因整個測試儀程序較龐大，以“故障定位”功能為例對測試儀測試結(jié)果進行分析。圖7所示為便攜式饋線測試儀對2.73m處及6.34m處有故障點的總長為8.22m的饋線以2MHz為起始頻率，30MHz為終止頻率掃描后得到頻域圖像經(jīng)過傅里葉變換處理得到的結(jié)果，測試儀程序自動尋峰讀取峰值位置的橫坐標得到了測試結(jié)果：在距離測試點2.724m和6.352m處各有一個故障點，誤差符合預期要求。

6 結(jié)語

本文對基于LabVIEW的便攜式饋線測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)進行了研究，從硬件和軟件角度闡述了饋線測試儀的設(shè)計總體方案框架，解決了饋線測試中儀器復雜，操作繁瑣和測試結(jié)果不直觀等問題［12］。并進行了饋線故障定位功能的試驗，試驗結(jié)果表明，該測試儀顯示結(jié)果直觀簡潔，測試精度符合要求。該設(shè)計實現(xiàn)了低功耗控制，一體化硬件模塊融合等目標，軟件使用模塊化結(jié)構(gòu)組合，便于移植到相關(guān)系統(tǒng)和擴展為功能更加全面的系統(tǒng)，在基于LabVIEW的便攜式測試儀器設(shè)計方面有一定借鑒意義。

［1］張寧，俱新德，任輝.天線的饋電技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2016：5-16.

［2］江思杰，程照明，江傳華.基于LabVIEW的遠場天線測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2015（4）：135-138.

［3］武樹東，聶濤，黃賢文.航空通信設(shè)備自動測試儀器的設(shè)計［J］.彈箭與制導學報，2007（4）：307-309.

［4］吳亮，徐志強.基于虛擬儀器的艦船水下綜合物理場測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.艦船電子工程，2015（5）：121-124.

［5］李斌.工控軟件的層次化設(shè)計及應(yīng)用［D］.蘇州：蘇州大學，2014：7-11.

［6］任條娟.TDR和FDR技術(shù)在通信線路智能維護中的應(yīng)用［J］.中國有線電視，2011（4）：508-511.

［7］曹敏，王崢，張繼業(yè).饋線駐波故障定位方法及裝置設(shè)計［J］.光通信研究，2014（4）：34-35.

［8］陳國虎，羅小武，李紅波，等.用頻域時域轉(zhuǎn)換法分析天饋系統(tǒng)的不連續(xù)性［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004（3）：314-316.

［9］顧麗紅，吳少剛.基于ACPI標準的龍芯3A平臺系統(tǒng)功耗分析［J］.計算機工程與設(shè)計，2016（9）：2401-2405.

［10］楊莉，李玉山，關(guān)魯君.電子電路設(shè)計中異構(gòu)印刷電路板數(shù)據(jù)融合技術(shù)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003（2）：239-244.

［11］李翠花，吳疆.基于電磁兼容技術(shù)的多層PCB布線設(shè)計［J］.合肥學院學報，2007（3）：19-21.

［12］謝國善，熊鵬俊.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計研究［J］.艦船電子工程，2010（10）：126-129.