頻譜儀在電磁近場(chǎng)探測(cè)中的自動(dòng)化應(yīng)用

李伶研 高振斌 宋濤 花中秋

摘 要： 提出一種頻譜分析儀在電磁近場(chǎng)探測(cè)的自動(dòng)化應(yīng)用，系統(tǒng)由頻譜分析儀、上位機(jī)軟件、二維掃描架三個(gè)部分組成。利用VB 6.0軟件，制作上位機(jī)軟件用于控制、設(shè)置頻譜分析儀并可以直觀顯示場(chǎng)強(qiáng)分布情況；在步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)單片機(jī)串口通信控制方式，利用滾珠絲杠將步進(jìn)電機(jī)的角位移轉(zhuǎn)換為臺(tái)面的線位移，最終實(shí)現(xiàn)電磁近場(chǎng)掃描的測(cè)試功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇合適探頭，并測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行性能。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)軟件設(shè)置，步進(jìn)電機(jī)可以精確控制掃描距離，并且軟件很直觀地顯示場(chǎng)強(qiáng)分布。

關(guān)鍵詞： VB 6.0； 場(chǎng)強(qiáng)分布； 電磁近場(chǎng)探測(cè)； 頻譜分析儀； 上位機(jī)軟件； 自動(dòng)化應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TN643+.1?34； TH71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）14?0133?06

Automation application of spectrometer in near?field electromagnetic detection

LI Lingyan， GAO Zhenbin， SONG Tao， HUA Zhongqiu

（Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices， Institute of Micro?Nano Photoelectron and Electromagnetic Technology Innovation，

School of Electronic Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： An automation application of spectrum analyzer in near?field electromagnetic detection is proposed. The system is composed of three parts of spectrum analyzer， upper computer software， and 2D scanning frame. The upper computer software is developed by using the VB 6.0 software to control and set the spectrum analyzer， and intuitively display the field intensity distribution. On the basis of the stepper motor， the ball screw is used to transform the angular displacement of the stepper motor into the line displacement of the table?board， so as to realize the testing function of near?field electromagnetic scanning. Appropriate probes were selected by means of experimental testing， and the operation performance of the system was tested. The results show that after software settings， the stepper motor can accurately control the scanning distance， and the software can intuitively display the field intensity distribution.

Keywords： VB 6.0； field intensity distribution； near?field electromagnetic detection； spectrum analyzer； upper computer software； automation application

電磁兼容EMC是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作而且不對(duì)該環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)造成不能承受的電磁騷擾的能力[1]。它包含兩個(gè)方面：一個(gè)方面是電磁干擾EMI；另一個(gè)方面是電磁敏感性。EMI測(cè)試是電磁兼容測(cè)試的重要組成部分，確定設(shè)備是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射限制要求[2?4]。

國(guó)外現(xiàn)有的電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)最具有代表性的為加拿大容向公司的Emscan掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于擁有1 218個(gè)小型電磁近場(chǎng)探頭，可以快速精確的定位，實(shí)時(shí)看清電磁場(chǎng)，有強(qiáng)大的后臺(tái)分析和處理能力。缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴，不適合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，并且探頭無(wú)法更換，精確度無(wú)法調(diào)整?；谶@樣的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)價(jià)格低廉，也可以實(shí)時(shí)顯示電磁場(chǎng)，并通過(guò)軟件控制儀器，最主要的功能在于可以更換各種探頭，滿足不同的測(cè)試需求，調(diào)整掃描分辨率，使測(cè)試更加精確。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

整合智能測(cè)量?jī)x器和計(jì)算機(jī)測(cè)控的電磁近場(chǎng)掃描系統(tǒng)，可使用上位機(jī)軟件完成對(duì)儀器的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集顯示，同時(shí)上位機(jī)軟件控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)二維掃描，每一個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度由頻譜分析儀測(cè)量并上傳到上位機(jī)顯示，所有的測(cè)試點(diǎn)組成電路板的場(chǎng)強(qiáng)分布。系統(tǒng)可以完成400 mm×400 mm電路板的電磁近場(chǎng)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析并改進(jìn)電路板，最終達(dá)到電磁兼容的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 控制測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

2.1 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)

VISA是I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范的總稱。VISA總線I/O軟件是一個(gè)綜合軟件包，可以用來(lái)對(duì)USB、GPIB，RS 232串口和局域網(wǎng)LAN進(jìn)行配置、編程和調(diào)試[5]。VISA有自己的一套函數(shù)，不論是用VB語(yǔ)言還是C語(yǔ)言，都需要調(diào)用VISA函數(shù)才能完成計(jì)算機(jī)對(duì)儀器的操作[6]。表1為部分VISA函數(shù)名及其作用。

2.2 頻譜分析儀通信控制

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析儀的幅度測(cè)試精準(zhǔn)度也在不斷提高，其可以測(cè)量信號(hào)各頻譜分量的幅度和中心頻率，測(cè)試精度可以滿足一般的測(cè)試要求[7]。頻譜分析儀支持USB，GPIB，RS 232，LAN等方式與計(jì)算機(jī)連接通信。本系統(tǒng)采用LAN通信方式，可以使通信延遲時(shí)間短、可靠性較高、連接后通信穩(wěn)定、數(shù)據(jù)的傳輸速率高，如圖1所示。

配置時(shí)，用網(wǎng)線將計(jì)算機(jī)的網(wǎng)口與頻譜分析儀的網(wǎng)口相連，網(wǎng)線連接之后，首次使用時(shí)，分別對(duì)計(jì)算機(jī)和頻譜分析儀配置IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。使用ping指令，若有回復(fù)，表示可以連接通信。

2.3 SCPI語(yǔ)言命令

使用頻譜分析儀時(shí)，通過(guò)可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI進(jìn)行控制以及數(shù)據(jù)采集[8]。所需要的常用的SCPI指令如表2所示。

利用SCPI指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制頻譜分析儀，克服了手動(dòng)操作相關(guān)儀器的過(guò)程復(fù)雜和繁瑣的缺點(diǎn)。通過(guò)上位機(jī)軟件集成儀器按鈕功能，不僅操作過(guò)程簡(jiǎn)化，方便測(cè)試人員操作，而且更加智能化。

2.4 精確掃描

如今的測(cè)試，使用手持探頭測(cè)試很多，這樣一方面耗費(fèi)大量的人力，另一方面人工手持會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)和探頭性能產(chǎn)生一定的干擾，測(cè)試位置的精準(zhǔn)度上無(wú)法把握。這些不穩(wěn)定因素都會(huì)增加測(cè)試的誤差。本系統(tǒng)是利用軟件進(jìn)行定位，掃描位置可控并且精準(zhǔn)，自動(dòng)化測(cè)量方式，克服了上述的缺點(diǎn)帶來(lái)的誤差影響。

單片機(jī)通過(guò)接收串口指令控制電機(jī)，單片機(jī)連接電源后，發(fā)送指令單片機(jī)即可開(kāi)始工作，6個(gè)有序的8位十六進(jìn)制數(shù)組成步進(jìn)電機(jī)控制指令。

1） 0x28幀頭

2） 0x0X控制二維掃描架上下左右移動(dòng)，見(jiàn)表3。

2.5 探頭介紹

探頭作為測(cè)量電磁場(chǎng)的設(shè)備，也可以測(cè)量近場(chǎng)儀器，被廣泛應(yīng)用于電磁兼容實(shí)驗(yàn)以及檢查電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值[9?12]。本系統(tǒng)中，擁有多種不同性能的探頭，根據(jù)測(cè)試情況對(duì)使用的探頭進(jìn)行更換。其他產(chǎn)品的探頭是無(wú)法更換，這樣使得測(cè)試范圍更加局限，無(wú)法達(dá)到更多的預(yù)期效果。本系統(tǒng)使用的探頭是自己制作的，探頭通過(guò)軟件仿真和實(shí)際測(cè)試，比國(guó)外的成品探頭性能效果都很好，并且在高頻段的測(cè)試性能很好，達(dá)到了生產(chǎn)要求。探頭見(jiàn)圖2。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試PCB探頭的S11曲線，其中性能較好的S11曲線如圖3所示。從S11參數(shù)可以看出，PCB探頭從低頻到高頻均有諧振點(diǎn)，再通過(guò)進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證。

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，選擇峰值為1 V的正弦波，ALC帶寬設(shè)為100 kHz，環(huán)路狀態(tài)為開(kāi)環(huán)，沒(méi)有輸出消隱，調(diào)制打開(kāi)并設(shè)為幅度調(diào)制，打開(kāi)射頻。信號(hào)源距離探頭1 cm，頻譜分析儀測(cè)試兩個(gè)探頭的增益，最終的測(cè)試對(duì)比圖如圖4所示。經(jīng)測(cè)試PCB探頭頻率范圍為50 MHz～17.5 GHz，Langer可測(cè)范圍為50 MHz～6.5 GHz，PCB探頭在高頻方面性能良好，可以用于高頻測(cè)試。該系統(tǒng)支持更換不同頻段的探頭，測(cè)試范圍更廣。

3 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括二維掃描架、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)控軟件、近場(chǎng)場(chǎng)源探頭和頻譜分析儀。通過(guò)軟件顯示電路板不同區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，可以直觀地看出效果，系統(tǒng)框圖如圖5所示。

二維掃描架是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入，如圖6所示。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度通過(guò)滾珠絲杠可以轉(zhuǎn)化為直線距離，通過(guò)使用單片機(jī)準(zhǔn)確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，精確地控制滾珠絲杠的移動(dòng)距離，減小了在測(cè)量過(guò)程中的誤差。

3.2 測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量軟件主要作用就是控制儀器和二維掃描平臺(tái)和采集數(shù)據(jù)。在VB環(huán)境下利用VISA驅(qū)動(dòng)通過(guò)儀器設(shè)備的LAN網(wǎng)口控制儀器設(shè)備，實(shí)質(zhì)上是利用VISA函數(shù)與硬件無(wú)關(guān)的特性[13]。

在VB 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下需要添加VISA模塊文件和引用選項(xiàng)，這樣才可以在工程中調(diào)用VISA函數(shù)，否則引起程序錯(cuò)誤。尋找頻譜分析儀VISA地址，用于收發(fā)SCPI指令。以此為基礎(chǔ)開(kāi)始編寫上位機(jī)軟件，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件的程序流程如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件基本可以實(shí)現(xiàn)并控制對(duì)電路板的電磁兼容測(cè)試，如圖8所示。

如圖8所示界面包含二維掃描架控制、頻譜分析儀控制和數(shù)據(jù)采集區(qū)域，部分按鈕的具體功能如表7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

使用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，首先連接探頭和頻譜分析儀，接入信號(hào)源和二維掃描架，打開(kāi)軟件設(shè)置對(duì)應(yīng)的串口，整個(gè)系統(tǒng)連接見(jiàn)圖9。測(cè)試的電路板長(zhǎng)為16.6 cm，寬為9.9 cm，信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)線接到電路板的VCC端，電路板以及VCC的電路走線如圖10所示。

上位機(jī)軟件設(shè)置參數(shù)：掃描的步進(jìn)距離為0.5 cm；探頭距離為1.4 cm。根據(jù)測(cè)試需要設(shè)置彩色條標(biāo)度，單擊“開(kāi)始掃描”按鈕，掃描測(cè)試開(kāi)始。首先信號(hào)線接入頻率為809.51 MHz的信號(hào)，二維掃描架帶動(dòng)探頭掃描電路板，把從頻譜分析儀采集的數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)軟件上，并通過(guò)顏色表示在繪制方格中。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。

測(cè)試結(jié)果顯示出場(chǎng)強(qiáng)分布與電路分布基本一致。由于導(dǎo)線經(jīng)過(guò)電流時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，呈現(xiàn)面的場(chǎng)強(qiáng)分布。圖11中紅色區(qū)域也就是信號(hào)源接入的位置，該部分場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度很高。綠色區(qū)域按電路的走向分布。而右上方藍(lán)色區(qū)域表示電路板這個(gè)部分的場(chǎng)強(qiáng)很弱，強(qiáng)度值平均在-73 dBm左右，出現(xiàn)此情況有兩點(diǎn)原因：一是該部分沒(méi)有VCC電路通過(guò)，探測(cè)的信號(hào)較弱；二是低頻段信號(hào)在導(dǎo)線傳輸過(guò)程中衰減很多，輻射周圍強(qiáng)度較弱。根據(jù)測(cè)試的場(chǎng)強(qiáng)分布可以看出電路板線路分布以及信號(hào)對(duì)電路板功能的影響。低頻段測(cè)試效果和探頭性能符合預(yù)期效果，下面對(duì)電路板進(jìn)行高頻測(cè)試。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)為13.71 GHz，信號(hào)線接入VCC，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

雖然使用高頻信號(hào)，但是測(cè)試結(jié)果的場(chǎng)強(qiáng)分布依然符合VCC電路的走向。圖12中，紅色區(qū)域依然為信號(hào)源所在位置，場(chǎng)強(qiáng)較高。右上方綠色部分，場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度平均在-64 dBm左右，比在低頻部分的高，這是由于高頻信號(hào)在導(dǎo)線傳輸時(shí)輻射范圍較大，信號(hào)衰減緩慢，并且在高頻情況下PCB探頭的靈敏度變高。中上方藍(lán)色部分的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度平均在-71 dBm左右，原因同上。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)試相對(duì)準(zhǔn)確，并且優(yōu)點(diǎn)在于：一是可以設(shè)置掃描距離，根據(jù)不同分辨率調(diào)整測(cè)試距離，使測(cè)試更加精確；二是上位機(jī)軟件控制頻譜分析儀，可以完成頻譜分析儀的參數(shù)設(shè)置并測(cè)量某一特定點(diǎn)的實(shí)時(shí)增益；三是本系統(tǒng)在低頻和高頻測(cè)試均可使用，彌補(bǔ)了Emscan無(wú)法測(cè)到3 GHz以上的缺陷，適用范圍較廣；四是成本低，適用于小型的電磁兼容測(cè)試。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的掃描系統(tǒng)，通過(guò)LAN通信和串口通信將計(jì)算機(jī)、頻譜分析儀、二維掃描架連接在一起，組成完整的測(cè)試系統(tǒng)。上位機(jī)軟件結(jié)合了VISA函數(shù)、SCPI語(yǔ)言等，達(dá)到了頻譜分析儀自動(dòng)化應(yīng)用，測(cè)試結(jié)果很直觀的顯示在軟件上，方便測(cè)試結(jié)果的分析；結(jié)合單片機(jī)C語(yǔ)言完成對(duì)二維掃描架的操作，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)基本可以完成電路板的電磁兼容測(cè)試。該掃描系統(tǒng)大大節(jié)省了人工測(cè)試時(shí)間，計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)可以有效地減小誤差。上位機(jī)界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，人性化設(shè)計(jì)，直觀地顯示結(jié)果并完整保存相關(guān)數(shù)據(jù)，具有很好的使用價(jià)值。

注：本文通訊作者為宋濤。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢照明，程肇基.電力電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及干擾抑制技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2000.

QIAN Zhaoming， CHENG Zhaoji. EMC design foundation and interference suppression technology of power electronic system [M]. Hangzhou： Zhejiang University Press， 2000.

[2] 陳京平，劉建平，田軍生.EMI自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 兵工自動(dòng)化，2008，27（12）：57?60.

CHEN Jingping， LIU Jianping， TIAN Junsheng. Present situation and development of automated EMI testing system [J]. Ordnance industry automation， 2008， 27（12）： 57?60.

[3] 茍江川，朱峰，劉光輝，等.基于虛擬儀器的電磁干擾近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（1）：16?18.

GOU Jiangchuan， ZHU Feng， LIU Guanghui， et al. Design of EMI near?field test system based on virtual instrument [J]. Computer measurement & control， 2015， 23（1）： 16?18.

[4] 李偉.電磁場(chǎng)近場(chǎng)掃描陣列天線系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

LI Wei. Research and design of the near?field antenna array system used for electromagnetic compatibility scanning [D]. Beijing： Beijing University of Posts and Telecommunications， 2013.

[5] 黎梨苗，陸綺榮，陸紅陽(yáng).虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)VISA的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)試，2007（3）：28?31.

LI Limiao， LU Qirong， LU Hongyang. Virtual instrument software architecture application study [J]. Electronic test， 2007（3）： 28?31.

[6] 蔣榮華，陳光?.虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)：VISA函數(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2006，25（3）：63?65.

JIANG Ronghua， CHEN Guangju. Virture instrumentation software architecture： design and realization of VISA [J]. Measurement & control technology， 2006， 25（3）： 63?65.

[7] 宋志強(qiáng)，吳艷征.頻譜分析儀原理及其在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用探析[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2008（16）：1224?1226.

SONG Zhiqiang， WU Yanzheng. Research on theory of spectrum analyzer and application of spectrum analyzer to satellite communications [J]. Computer knowledge and technology， 2008（16）： 1224?1226.

[8] 趙立軍.基于VISA接口的可編程電源輸出控制程序[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2015，42（12）：1?2.

ZHAO Lijun. Power output control program based on the programmable interface VISA [J]. Metrology & measurement technique， 2015， 42（12）： 1?2.

[9] 王超，朱廣超，張峰.電場(chǎng)探頭光電特性研究[J].科技廣場(chǎng)，2010（1）：165?167.

WANG Chao， ZHU Guangchao， ZHANG Feng. Research on photoelectricity property of e?field probe [J]. Science mosaic， 2010（1）： 165?167.

[10] ELSHEAKH D M， SAFWAT A M. E. Slow?wave quad?band printed inverted?F antenna [J]. IEEE transactions on antennas & propagation， 2014， 62（8）： 4396?4401.

[11] SOLIMAN A， ELSHEAKH D， ABDALLAH E， et al. Multiband printed metamaterial inverted?F antenna （IFA） for USB applications [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2015， 14： 297?300.

[12] KUEHN S， WILD M， SEPAN P， et al. Automated near?field EMC/EMI scanning system with active electro?optical field probes [C]// Proceedings of IEEE Electrical Design of Advanced Packaging and Systems Symposium. Taipei： IEEE， 2012： 109?112.

[13] Agilent Technologies. Agilent VISA user′s guide [EB/OL]. [2013?09?11]. http：//ishare.iask.sina.com.cn/f/61570441.html.

[14] 徐飛.利用VB通過(guò)LAN實(shí)現(xiàn)對(duì)TDS3032B編程控制[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2008（4）：39?41.

XU Fei. Control of the TDS3032B via LAN interface in VB [J]. Instrument standardization and metrology， 2008（4）： 39?41.