基于Android的網(wǎng)絡(luò)分析儀無線移動測量系統(tǒng)研究

文常保, 時曉文, 茹 鋒, 李演明, 王 飚

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院 微納電子研究所, 陜西 西安 710064)

網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠動態(tài)掃描輸入信號,測量頻率響應(yīng)、幅頻、相位、駐波比以及阻抗等參數(shù),因此成為射頻、微波研究領(lǐng)域的主要測試儀器之一[1-3]。然而,網(wǎng)絡(luò)分析儀屬于貴重儀器,體積較大、操作復(fù)雜,對測試環(huán)境和條件有嚴格要求,在測試的便捷性、靈活性和移動性方面較差。為了滿足遠程測試的需求,Agilent提出用網(wǎng)卡和LAN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠程連接,在一定程度上滿足了遠程測試的需要。但是,LAN連接存在布線、靈活性差等問題[4]。隨著智能移動端的廣泛使用,開發(fā)智能移動端的無線測試功能,將可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的遠程測試,提高測試的便捷性、靈活性和儀器設(shè)備的利用率[5]。

目前,智能移動端的操作系統(tǒng)主要有IOS和Android兩種。IOS系統(tǒng)主要用Objective-C語言設(shè)計開發(fā),而Android操作系統(tǒng)主要用Java語言開發(fā)。由于Android操作系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的開源操作系統(tǒng),具有豐富的開發(fā)資源和成熟的、高度集成化的開發(fā)環(huán)境,開發(fā)難度較低、效率更高[6-7],且國內(nèi)用戶量龐大,所以本文提出了一種基于Android的網(wǎng)絡(luò)分析儀的無線移動端測量系統(tǒng)。

1 網(wǎng)絡(luò)分析儀無線移動測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于Android的網(wǎng)絡(luò)分析儀無線移動測量系統(tǒng)由智能移動端、實驗室儀器端和包括WiFi模塊的服務(wù)器端組成(見圖1)。智能移動端通過WiFi連接到服務(wù)器端,向服務(wù)器端實時傳輸控制信號。服務(wù)器端通過LAN連接接口與網(wǎng)絡(luò)分析儀建立連接,動態(tài)向網(wǎng)絡(luò)分析儀傳輸可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)指令(standard commands for programmable instruments,SCPI)[8-9],網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)操作指令完成測量任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)物理連接圖

網(wǎng)絡(luò)分析儀的無線移動測量系統(tǒng)設(shè)計包括智能移動端設(shè)計、服務(wù)器端設(shè)計和實驗室儀器端設(shè)計。智能移動端包括TCP/IP的連接模塊、測量參數(shù)設(shè)置模塊、校準(zhǔn)模塊、結(jié)果輸出模塊和測量分析模塊,其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示；服務(wù)器端設(shè)計包括TCP/IP的連接、網(wǎng)絡(luò)分析儀連接和各種功能函數(shù)的程序設(shè)計。

圖2 無線移動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能移動端的TCP/IP連接模塊實現(xiàn)與服務(wù)器端連接,完成器件測量的初始化工作。測量參數(shù)設(shè)置部分控制網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置校準(zhǔn)和測量參數(shù)。結(jié)果輸出模塊分別輸出測量圖像和測量數(shù)據(jù),可以將數(shù)據(jù)和圖像保存在服務(wù)器端和智能移動端。測量分析模塊主要對測量結(jié)果進行標(biāo)記分析、極限分析和比較分析。

服務(wù)器端的TCP/IP部分與智能移動端連接,接收智能移動端傳輸?shù)目刂浦噶?。在網(wǎng)絡(luò)分析儀連接部分,服務(wù)器端通過LAN接口連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀。功能函數(shù)中包括用于控制網(wǎng)絡(luò)分析儀的多種方法,這些方法相互配合進行參數(shù)的測量。

2 網(wǎng)絡(luò)分析儀無線移動測量系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 智能移動端設(shè)計

智能移動端設(shè)計主要包括TCP/IP的連接模塊、測量參數(shù)設(shè)置模塊、校準(zhǔn)模塊、結(jié)果輸出模塊和測量分析模塊,其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能移動端設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

在TCP/IP連接模塊中,根據(jù)TCP/IP協(xié)議將WiFi連接的無線局域網(wǎng)下的智能移動端和服務(wù)器端分別設(shè)置為客戶端(Client)和服務(wù)端(Server)。其客戶端實現(xiàn)程序為：

Socket client=new Socket(″192.168.0.103″,″1213″)

其中“192.168.0.103”參數(shù)是服務(wù)器端在局域網(wǎng)下的IP地址,其值可以通過命令提示符獲得?！?213″是設(shè)置的服務(wù)器端口值,服務(wù)器(Server)端程序為：

ServerSocket server = new ServerSocket(1213″) Socket socket = server.accept()

將智能移動端和服務(wù)器端連通后,通過開發(fā)語言中的I/O流來傳輸和接收具體的信號,服務(wù)器端根據(jù)不同的指令來實現(xiàn)對應(yīng)的功能。

在測量參數(shù)設(shè)置模塊中,包括控制網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置S-Parameter、Power-Ranger、Center、Span、Points和IF-Bandwidth等參數(shù),也可以設(shè)置Amplitude-Frequency、Phase-Frequency和Impendance等Format顯示類型。測量參數(shù)設(shè)置部分選擇下拉框和單選按鈕進行設(shè)計,根據(jù)選擇來確定輸出流傳輸給服務(wù)器端的信息。因Android的UI主線程中應(yīng)當(dāng)避免執(zhí)行耗時程序,以防界面刷新造成卡頓現(xiàn)象,所以在子線程中執(zhí)行消息傳輸過程。通過Android中的Handler消息傳遞機制實現(xiàn)消息的傳輸,傳輸設(shè)計的關(guān)鍵程序為：

Looper.prepare(); recevieHandler = new Handler()； public void handleMessage(Message msg) { dos.writeUTF(msg.obj.toString().trim() + ″ ″); } Looper.loop();

對于校準(zhǔn)模塊和結(jié)果輸出模塊,同樣是根據(jù)所設(shè)置參數(shù)值的不同,向服務(wù)器端傳輸不同的操作指令。服務(wù)器端調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制,常用于網(wǎng)絡(luò)分析儀操作的SCPI控制指令如表1所示。

測量結(jié)果輸出模塊從服務(wù)器端讀取相應(yīng)的圖片信息和數(shù)據(jù)信息。設(shè)計用于圖片和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖映绦騺斫邮請D片,子程序接收到信息后,將信息解碼成Bitmap位圖信息,然后經(jīng)Handler消息機制通知UI主線程的ImageView圖像組件來動態(tài)顯示相應(yīng)的圖片信息。

表1 網(wǎng)絡(luò)分析儀SCPI儀器常用控制指令

測量分析模塊用于對測量結(jié)果進行分析,包含標(biāo)記分析、極限分析和比較分析。由智能移動端向服務(wù)器端發(fā)送測量分析指令,通過服務(wù)器端控制網(wǎng)絡(luò)分析儀完成測量結(jié)果的分析。在分析結(jié)束后,利用Android系統(tǒng)中的Environment.getExternalStorageDirectory()方法在智能移動端上新建文件,將分析得到的結(jié)果保存在文件中,以便后續(xù)處理和共享。

2.2 服務(wù)器端設(shè)計

服務(wù)器端程序的設(shè)計要能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)送SCPI指令,實時控制網(wǎng)絡(luò)分析儀。與在VB編程環(huán)境下編寫控制網(wǎng)絡(luò)分析儀程序不同的是：Java編程環(huán)境中并未提供像VISA-COM一樣集成的Windows接口,無法直接調(diào)用已有的接口程序,所以需要解決服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)分析儀之間的通信控制問題。

Agilent提供了一種名為VISA(virtual instrument software architecture)的儀器標(biāo)準(zhǔn)I/O API。這種API適用于開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)分析儀進行I/O連接的儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用。在VISA中提供了打開儀器的viOpenDefaultRM和viOpen函數(shù)、向儀器中寫入命令和從儀器中讀取結(jié)果的viWrite和viRead等函數(shù),這些函數(shù)使得開發(fā)網(wǎng)絡(luò)分析儀的無線移動測量系統(tǒng)成為可能。

雖然VISA庫中提供了可以與網(wǎng)絡(luò)分析儀進行交互控制的功能函數(shù),但是在Java編程環(huán)境中并不能直接調(diào)用這些原生函數(shù),而且在函數(shù)重寫過程中無法確定函數(shù)中參數(shù)的具體類型。在Java開發(fā)環(huán)境下，若要使用VISA庫中的原生函數(shù),需要調(diào)用一個開源的Java框架JNA(Java native access),該框架由SUN公司主導(dǎo)開發(fā),是在經(jīng)典的JNI(Java native interface)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個框架。JNA提供了一個由C語言編寫的動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)器,可以自動實現(xiàn)Java和C語言的數(shù)據(jù)類型映射。借助于JNA框架,在Java環(huán)境中調(diào)用儀器設(shè)備的原生函數(shù),完成對網(wǎng)絡(luò)分析儀的底層操作。JNA框架調(diào)用實現(xiàn)代碼為

VISA32 INSTANCE= (VISA32) Native.loadLibrary (″VISA32″, VISA32.class)

調(diào)用VISA庫后,重寫儀器的原生函數(shù),使得在Java編程環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)原生函數(shù)的功能。主要是服務(wù)器端向網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)送SCPI指令、控制儀器執(zhí)行相應(yīng)的操作,然后從網(wǎng)絡(luò)分析儀中讀取反饋結(jié)果。

在測量結(jié)果輸出部分,服務(wù)器端從網(wǎng)絡(luò)分析儀中讀取圖像和數(shù)據(jù)并遵從IEEE488.2的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。文件采用數(shù)據(jù)塊(block data)的方式進行傳輸。在讀取的數(shù)據(jù)流中,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊具有固定的規(guī)范格式,如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)范格式

當(dāng)服務(wù)器端讀取到來自網(wǎng)絡(luò)分析儀的反饋信息時,需要按照規(guī)范的數(shù)據(jù)格式進行解包,將有效的輸出信息解析出來進行顯示和處理。

3 實驗及結(jié)果分析

選取中心頻率為101.764 MHz的聲表面波器件作為測量對象,驗證網(wǎng)絡(luò)分析儀無線移動測量系統(tǒng)的適用性。

在同一局域網(wǎng)前提下,將智能移動端和服務(wù)器端通過TCP/IP協(xié)議連接,連接到服務(wù)器端時需要設(shè)置服務(wù)器IP地址和登錄端口信息。在確認連接到指定的服務(wù)器并登錄后,系統(tǒng)將自動跳轉(zhuǎn)到測量參數(shù)設(shè)置界面進行測量參數(shù)的設(shè)置。

測量開始時,先在測量參數(shù)界面設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的IP地址,點擊“連接到VNA”使服務(wù)器端與網(wǎng)絡(luò)分析儀的連接。如果連接失敗,會以Toast的方式返回一個連接失敗的消息提示；如果成功連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀,同樣以Toast的方式顯示所連接的網(wǎng)絡(luò)分析儀的相關(guān)信息。在測量參數(shù)設(shè)置界面中包括多種常用測量參數(shù)[10-11],S參數(shù)設(shè)置了4個用于雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射參量值S11、S21、S12、S22。同時也設(shè)置了Center、IF-bandwidth以及Span等參數(shù)的可選值,更加方便了多種狀態(tài)的測量。如果在設(shè)置參數(shù)過程中出現(xiàn)一些誤操作,可以通過“重置”按鈕重新設(shè)置。當(dāng)所有設(shè)置完成之后,網(wǎng)絡(luò)分析儀會動態(tài)顯示當(dāng)前測量的結(jié)果圖。

在校準(zhǔn)過程中,選用85032F校準(zhǔn)套件進行雙端口校準(zhǔn)。根據(jù)基于12項誤差模型的SOLT校準(zhǔn)技術(shù)的校準(zhǔn)步驟,對網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2分別進行開路校準(zhǔn)(open cal)、短路校準(zhǔn)(short cal)、負載校準(zhǔn)(load cal)或者全單端口校準(zhǔn)(full 1 port),接著對網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2進行直通校準(zhǔn)(thru cal)或者全雙端口校準(zhǔn)(full 2 port)[12-14]。校準(zhǔn)操作之后,能夠修正網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量誤差,并將測量狀態(tài)進行保存。

根據(jù)12項誤差模型SOLT校準(zhǔn)技術(shù),對網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1執(zhí)行一次完整的校準(zhǔn)過程,如圖5所示。在校準(zhǔn)過程中,網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部的校準(zhǔn)算法會自動補償校準(zhǔn)時出現(xiàn)的誤差,在測量過程中能夠有效地消除這部分誤差。在測量實驗中,可以從網(wǎng)絡(luò)分析儀獲取屏幕圖片,在圖中可以看到各點的損耗值。

圖5 移動端控制網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1校準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)分析儀還能對測量結(jié)果進行分析,常見的分析方法有標(biāo)記分析、極限分析和比較分析。

標(biāo)記分析允許測量人員在被測器件的頻率范圍內(nèi)對測量結(jié)果進行單點的標(biāo)記分析。當(dāng)輸入Frequency值后,點擊“MAKER分析”,網(wǎng)絡(luò)分析儀將在對應(yīng)的頻率值點處標(biāo)記出該點的對應(yīng)信息。每次進行標(biāo)記分析的數(shù)據(jù)都能夠保存到移動端的內(nèi)存中,借助智能移動端的優(yōu)勢進行分享、備份及后續(xù)處理。

在極限分析操作界面中,設(shè)置完成Type、Begin Stimulus、End Stimulus、Begin Response和End Response參數(shù),點擊“LIMIT TEST”之后將對測量結(jié)果進行極限分析。極限分析將篩選出損耗過大的聲表面波器件,并對相應(yīng)的點進行記錄。極限分析操作如圖6(a)所示。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的比較分析是對不同測量類型下聲表面波器件的響應(yīng)進行分析。圖6(b)中顯示的是聲表面波器件在S參數(shù)為S11和S12時測量得到的幅頻響應(yīng)特性,雙窗口界面更加形象地顯示了不同測量參數(shù)下器件的響應(yīng)特性,使得器件比較分析更加直觀。

圖6 測量結(jié)果分析界面

圖6(b)所示為測量的聲表面波器件在S參數(shù)為S12時,其中心頻率處的反向傳輸損耗為-39.143 dB；當(dāng)S參數(shù)為S11時,其中心頻率處的反射損耗在測量范圍內(nèi)最大為-43.239 dB。在對比分析中,能夠更加方便地表征出器件在不同S參數(shù)類型下其損耗的情況,從而更加有利于器件研究。

實驗結(jié)果表明,基于Android的網(wǎng)絡(luò)分析儀無線移動測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析儀與智能移動端的連接,完成設(shè)置校準(zhǔn)參數(shù)和儀器校準(zhǔn),也可以實現(xiàn)測量結(jié)果的分析和輸出功能。

4 結(jié)語

基于Android的網(wǎng)絡(luò)分析儀無線移動測量系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程操控網(wǎng)絡(luò)分析儀進行校準(zhǔn)、測量以及分析的整體功能。該設(shè)計大大地降低了網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用成本和維護費用,也降低了測量人員的操作難度和工作量。將網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用集成到移動智能端,不僅為實驗室儀器設(shè)備信息化管理和使用提供了可行的方案,而且也為教學(xué)研究提供了高效、便捷的實驗室儀器操作平臺。