C#編程實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化多輸入信號(hào)頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備

伍文平

摘要：大型衛(wèi)星通信地球站具有多頻段、多系統(tǒng)工作特點(diǎn)，信號(hào)測(cè)量手續(xù)復(fù)雜，儀表頻繁搬動(dòng)和電纜反復(fù)插拔耗費(fèi)人力，容易造成電纜及接頭損耗。設(shè)計(jì)了多輸入信號(hào)頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用Visual C#可視化編程語(yǔ)言，通過(guò)TCP/IP協(xié)議編程，實(shí)現(xiàn)SCPI規(guī)范的頻譜模塊控制，使用Measurement Studio控件操作和顯示頻譜儀狀態(tài)及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化頻譜監(jiān)測(cè)。使用基于MODBUS協(xié)議的TCP/IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板，結(jié)合射頻切換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)射頻輸入端口的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化切換。該設(shè)備適用于大型衛(wèi)星通信地球站，能遠(yuǎn)程完成信號(hào)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：MODBUS；TCP/IP；SCPI；射頻切換；頻譜監(jiān)測(cè)

DOIDOI：10.11907/rjdk.173252

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）008-0208-04

英文摘要Abstract：The large scale satellite earth stations have the features of mulitband signals， multi-systems and complex signal measurement methods. Frequent removal of equipment and cable pluging cause has labor cost， and it can easily lead to loss of cable and sockets. The networking device to monitor the multi-input signals' spectrum is designed. Through the TCP/IP protocol programming， Visual C# programming language is adopted to realize the control of spectrum module with SCPI specification. First，the programm gets data from the spectrum module，then it plots the signal on screen using the Measurement Studio controls，finally it monitors the signal spectrum via the TCP/IP network. Remote networking switch of multiple RF ports is realised based on the board from TCP/IP to ON/OFF logical stutas and MODBUS protocol.The device is suitable for the large scale satellite communication earth station， and can meet the demand of remote control and remote monitor of signal selected from many antennas.

英文關(guān)鍵詞Key Words：MODBUS； TCP/IP； SCPI； RF switch； spectrum monitor

0 引言

大型衛(wèi)星通信地球站具有多付天線，工作于不同頻段，提供不同的通信體制和通信業(yè)務(wù)，頻繁插拔電纜成為影響地球站測(cè)試效能的重要因素。

TCP/IP技術(shù)在儀表控制及工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域已使用，基于SCPI語(yǔ)法和IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP儀表控制與操作應(yīng)用廣泛[1-5]，VISA控件為虛擬儀表技術(shù)提供了快速開(kāi)發(fā)途徑， NI VISA和Agilent VISA已在儀表開(kāi)發(fā)中應(yīng)用[6-10]。儀表控制接口已經(jīng)由以前的RS-232、GPIB發(fā)展到USB、Ethernet接口，控制和操作儀表速度更快，讀取信息的內(nèi)容更豐富，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，為跨地域遠(yuǎn)程控制和操作儀表提供了最佳途徑；工業(yè)控制領(lǐng)域已應(yīng)用基于MODBUS協(xié)議的TCP/IP協(xié)議于RS-232、RS-485及開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換。因此，通過(guò)單一網(wǎng)絡(luò)接口和TCP/IP編程，可實(shí)現(xiàn)多路輸入信號(hào)的遠(yuǎn)程切換和信號(hào)的遠(yuǎn)程測(cè)量。

虛擬儀表編程技術(shù)是目前較先進(jìn)的儀表技術(shù)，基于SCPI、VISA，再借助一些專(zhuān)用控件和開(kāi)發(fā)工具，使用圖形控件如GRAPH控件用于頻譜或波形顯示，可顯著節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間。文獻(xiàn)[1]-文獻(xiàn)[5]介紹了SCPI協(xié)議，文獻(xiàn)[6]-文獻(xiàn)[10]詳述了VISA及VISA與SCPI的結(jié)合使用，文獻(xiàn)[11]-文獻(xiàn)[15]詳述了Measurement Studio及其與C#的結(jié)合使用。本文設(shè)備開(kāi)發(fā)借鑒文獻(xiàn)中的成熟技術(shù)，并采用新器件，增加了新功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

首先，多輸入信號(hào)切換程序控制工控板操作射頻切換器，選擇輸入信號(hào)進(jìn)入頻譜模塊；然后，頻譜信號(hào)監(jiān)測(cè)程序控制并操作頻譜模塊，完成選擇信號(hào)的測(cè)量。所有控制及操作均通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，通過(guò)網(wǎng)口完成，具有平臺(tái)統(tǒng)一性和軟件一致性。

2 多輸入信號(hào)切換部分

采用DAM0606工控板驅(qū)動(dòng)VALUE MICROWAVE的SP6T射頻同軸切換器，從6路輸入信號(hào)中選擇一路射頻信號(hào)輸出到頻譜模塊。DAM0606具有6路DI輸入和6路DO輸出，6路DO均為大功率繼電器，可用來(lái)控制家用電器，完全滿足該設(shè)備使用。本系統(tǒng)中6路DI閑置不用。工控板與同軸切換器均為12VDC供電及驅(qū)動(dòng)，供電電源和驅(qū)動(dòng)電源統(tǒng)一，如圖2所示。

DAM0606部分控制和查詢命令如下：

（1）查詢DO：FE 01 00 00 00 06 A8 07。

說(shuō)明：FE為該工控板地址，即十進(jìn)制為254；01為查詢所有DO，針對(duì)DAM0606，只有6路DO；00 00開(kāi)始的第一路地址針對(duì)DAM0606，從00 00開(kāi)始到00 05，00 06路數(shù)，針對(duì)DAM0606就是6路，A8 07為前6個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。

返回信息：FE 01 01 00 61 9C。

說(shuō)明：FE為該工控板地址，即十進(jìn)制為254，01為查詢所有DO的返回信息，01返回的字節(jié)數(shù)，本例中為1個(gè)字節(jié)；00表示6路DO狀態(tài)，bit0表示第一路狀態(tài)，bit1表示第二路狀態(tài)……，該位為0表示CLOSED（關(guān)閉），該位為1表示OPENED（打開(kāi)）；61 9C為前4個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。

（2）控制操作某一位開(kāi)關(guān)量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)：FE 05 00 00 FF 00 98 35。

說(shuō)明：FE為該工控板地址，05為控制某一位的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，00 00表示操作第一路，F(xiàn)F 00表示打開(kāi)，00 00表示關(guān)閉，98 35為前6個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。

返回信息與發(fā)送信息相同。

（3）控制操作所有開(kāi)關(guān)量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

全開(kāi)發(fā)送碼：FE 0F 00 00 00 06 01 FF 90 12

全斷發(fā)送碼：FE 0F 00 00 00 06 01 00 D0 52

說(shuō)明：FE為該工控板地址，0F為控制所有位的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，00 00表示起始地址，00 06表示操作繼電器數(shù)為6個(gè)繼電器，01表示發(fā)送命令字節(jié)數(shù)，01表示1個(gè)字節(jié)的命令，F(xiàn)F或3F表示全開(kāi)，00表示全關(guān)，90 12為前8個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。

全開(kāi)/斷返回碼：FE 0F 00 00 00 06 C1 C6

說(shuō)明：FE為該工控板地址，0F為控制所有位開(kāi)關(guān)狀態(tài)命令的返回碼，表示正常。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤則該字節(jié)返回0x82，00 00表示起始地址，00 06表示操作繼電器數(shù)為6個(gè)繼電器，C1 C6為前6個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。

本函數(shù)調(diào)用了CModbusDll類(lèi)的WriteAllDO函數(shù)，構(gòu)造關(guān)閉所有繼電器命令字節(jié)串，然后用sendinfo函數(shù)發(fā)送出去。

3 射頻信號(hào)頻譜分析與顯示部分

該部分采用MSA870頻譜模塊，該模塊具有網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口，本系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)接口，支持SCPI協(xié)議，最高測(cè)量頻率可達(dá)到7.1GHz，滿足一般室內(nèi)射頻信號(hào)的使用。

射頻信號(hào)頻譜分析和顯示是本系統(tǒng)最主要部分，該部分程序結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，涉及到界面響應(yīng)與內(nèi)部循環(huán)數(shù)據(jù)處理之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，程序模塊之間錯(cuò)綜復(fù)雜，還有SCPI語(yǔ)法解析，編程工作量大。

該部分采用Measurement Studio控件制作界面，用C#編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，降低界面編程工作量 [11-15]。網(wǎng)絡(luò)連接采用裸SOCKET編程方式，未采用目前比較流行的VISA編程，主要考慮軟件兼容性問(wèn)題。VISA版本較多，目前從4.4到16.0均有使用，使用.NET版本難免存在兼容問(wèn)題，可能導(dǎo)致程序整體運(yùn)行不穩(wěn)定 [2]。軟件主要結(jié)構(gòu)流程如圖3所示。

將從GetData（）返回的501個(gè)double數(shù)的數(shù)組temp_data0從INDEX 0開(kāi)始，畫(huà)在waveform上，從而形成頻譜波形。501個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)分別為index 0對(duì)應(yīng)x_start_freq，其它500個(gè)對(duì)應(yīng)x_stop_freq到x_start_freq的500個(gè)均勻分布上。

具體頻譜模塊操作可參考SCPI手冊(cè)和頻譜模塊隨機(jī)資料。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

針對(duì)目前使用的頻段，將硬件連接與軟件命名一一對(duì)應(yīng)，界面盡量簡(jiǎn)潔，操作的簡(jiǎn)便性和軟件穩(wěn)定性盡量提高。在信號(hào)選擇時(shí)，只能同時(shí)選擇一個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，不能出現(xiàn)多個(gè)信號(hào)選擇的情況。因此，在選擇某一路信號(hào)時(shí)必須先關(guān)閉已經(jīng)選擇的信號(hào)或關(guān)閉所有信號(hào)，再接通某路信號(hào)，信號(hào)選擇具有惟一性和排他性，見(jiàn)圖4。

頻譜模塊控制及頻譜數(shù)據(jù)讀取顯示程序由于涉及因素繁多，程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此應(yīng)重視軟件的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)主要由一線工作人員用于信號(hào)有無(wú)判斷、信號(hào)質(zhì)量（信噪比）測(cè)量、信號(hào)參數(shù)測(cè)量（頻率、電平）等測(cè)試場(chǎng)合，很少用于精密測(cè)量，因此，在界面設(shè)計(jì)上要盡量簡(jiǎn)潔，方便操作人員使用，達(dá)到快速測(cè)量目的。在界面設(shè)計(jì)上要符合使用實(shí)際情況，將大部分常用功能按鈕放置在主界面上，見(jiàn)圖5。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于TCP/IP連接，在實(shí)現(xiàn)多頻段切換選擇后，讀取頻譜信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)，達(dá)到迅速測(cè)量信號(hào)的目的。使用情況表明系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)合理，硬件連接統(tǒng)一、可靠、簡(jiǎn)便，軟件性能穩(wěn)定、功能齊全、操作簡(jiǎn)便直觀，實(shí)用性較強(qiáng)。

但在以下方面還可改進(jìn)：①網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換板可采用DAM0600以進(jìn)一步降低成本；②頻譜模塊可根據(jù)實(shí)際使用情況選擇MSA820、MSA830或MSA870，以進(jìn)一步降

低成本；③射頻切換開(kāi)關(guān)在頻率、功率要求不高的場(chǎng)合，可選擇相應(yīng)頻段、相應(yīng)功率指標(biāo)的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。合理選擇硬件可較大幅度降低成本，使系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）