基于開(kāi)放式儀器庫(kù)的信號(hào)源檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉鋒 柳 昂

（中國(guó)人民解放軍91388 部隊(duì)，湛江 524022）

0 引言

信號(hào)源是電子測(cè)量中使用廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，在部隊(duì)中被廣泛應(yīng)用于測(cè)控、靶標(biāo)、通信和無(wú)線(xiàn)電計(jì)量等領(lǐng)域。目前信號(hào)源檢定系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)大部分均針對(duì)具體型號(hào)信號(hào)源，但隨著新型信號(hào)源的不斷推出，檢定系統(tǒng)必須重新設(shè)計(jì)。針對(duì)此種情況，在組建的信號(hào)源手動(dòng)檢定系統(tǒng)基礎(chǔ)上，本文提出了一種通用的設(shè)計(jì)方法，為系統(tǒng)建立一個(gè)開(kāi)放式的、易于擴(kuò)充的專(zhuān)家系統(tǒng)——儀器庫(kù)。儀器庫(kù)使得系統(tǒng)能接納新的被檢設(shè)備，只要錄人某型號(hào)信號(hào)源測(cè)試需要的各類(lèi)信息，系統(tǒng)就會(huì)將此類(lèi)型號(hào)的信號(hào)源記錄在儀器庫(kù)中形成數(shù)據(jù)文件，在以后的測(cè)試中，系統(tǒng)就能識(shí)別此類(lèi)信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)源檢定系統(tǒng)在被檢儀器更換后不必重新編寫(xiě)測(cè)試程序。

1 系統(tǒng)硬件組成

依據(jù)JJG 173—2003 信號(hào)發(fā)生器檢定規(guī)程，信號(hào)源涉及參數(shù)很多，檢定一臺(tái)信號(hào)源需要的標(biāo)準(zhǔn)儀器有：功率計(jì)、頻率計(jì)、調(diào)制度分析儀、失真度儀、標(biāo)準(zhǔn)衰減器和頻譜儀等，目前常用的方法是將這些儀器綜合在一起組成一套檢定裝置[1]。經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研和論證分析，決定基于FSMR3 測(cè)量接收機(jī)組建信號(hào)源自動(dòng)檢定系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件由FSMR3 測(cè)量校準(zhǔn)接收機(jī)、示波器、頻率計(jì)數(shù)器及數(shù)字電壓表、計(jì)算機(jī)以及打印機(jī)等組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

測(cè)量接收機(jī)采用德國(guó)ROHDE&SCHWARZ的產(chǎn)品FSMR3 和功率組件NRP-Z51。FSMR3 測(cè)量接收機(jī)集多種功能于一體，可對(duì)信號(hào)源輸出功率、調(diào)諧電平、衰減、頻率、調(diào)頻、調(diào)幅及調(diào)制失真、音頻信號(hào)失真等進(jìn)行測(cè)試，適用于檢定頻率在20Hz～3.6GHz的各種信號(hào)發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)源測(cè)試任務(wù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由五大部分組成：主程序、儀器庫(kù)、測(cè)試模塊、輸出模塊和故障診斷及系統(tǒng)維護(hù)模塊。

2.1 主程序

系統(tǒng)采用Microsoft Visual Basic 6.0 編程語(yǔ)言，主程序是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，被測(cè)儀器的各項(xiàng)參數(shù)需要通過(guò)它定位到儀器庫(kù)，而儀器庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息也需要通過(guò)它傳遞給測(cè)試模塊。它包括建立主菜單、繪制主畫(huà)面窗口、定義全程變量及常量賦值、查詢(xún)各單元是否進(jìn)人測(cè)試準(zhǔn)備狀態(tài)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示。

2.2 儀器庫(kù)

儀器庫(kù)是存放被測(cè)信號(hào)源的綜合信息的數(shù)據(jù)文件，具有特殊的格式，包括了被測(cè)信號(hào)源測(cè)試所需要的全部參數(shù)，它是系統(tǒng)的核心所在，包含被測(cè)儀器的四大類(lèi)信息：在出具檢定證書(shū)的時(shí)候需要調(diào)用的被測(cè)儀器的基本信息、被測(cè)信號(hào)源的操作控制命令信息、在結(jié)論判定的時(shí)候需要調(diào)用的被測(cè)儀器的技術(shù)指標(biāo)信息、獲取數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的測(cè)量點(diǎn)及被檢和標(biāo)準(zhǔn)的各種狀態(tài)。對(duì)于新儀器，儀器庫(kù)管理界面作為媒介將其各類(lèi)信息輸人并保存，形成數(shù)據(jù)文件，為以后測(cè)試該類(lèi)儀器作好準(zhǔn)備。

2.3 測(cè)試模塊

測(cè)試模塊是完成具體檢定測(cè)量項(xiàng)目的集合體。它根據(jù)選定的儀器及其被檢項(xiàng)目，首先初始化各儀器，查詢(xún)各儀器是否進(jìn)人測(cè)試準(zhǔn)備狀態(tài)，然后順序運(yùn)行各項(xiàng)目的檢定程序分模塊，在操作人員干預(yù)的情況下給出提示，如分頻段測(cè)試需要分別用NRPZ37、NRP-Z51 和NRP-Z55 測(cè)試，期間換探頭就要給出提示。最后采集數(shù)據(jù)，將其存放于各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的數(shù)組變量中，與從儀器庫(kù)技術(shù)指標(biāo)信息提取出的上下極限值變量進(jìn)行比較，判斷其合格性。

2.4 輸出模塊

輸出模塊是出具標(biāo)準(zhǔn)格式的檢定證書(shū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的模塊，它通過(guò)主程序從測(cè)試模塊接收數(shù)據(jù)。輸出結(jié)果有三種形式：屏幕顯示、保存為表格格式的數(shù)據(jù)文件和打印成固定格式的測(cè)試結(jié)果。輸出結(jié)果的內(nèi)容包括：原始數(shù)據(jù)、經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的測(cè)量結(jié)果和符號(hào)GJB2725 的檢定/測(cè)試證書(shū)。

2.5 故障診斷及系統(tǒng)維護(hù)模塊

在系統(tǒng)初始化及計(jì)量檢定過(guò)程中，為防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障仍然繼續(xù)操作或人為誤操作，造成設(shè)備損壞或數(shù)據(jù)誤差，提高系統(tǒng)軟件質(zhì)量和可靠性，采用了容錯(cuò)設(shè)計(jì)和故障診斷程序的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)設(shè)計(jì)的主要手段是冗余，其中包括結(jié)構(gòu)冗余、信息冗余、時(shí)間冗余和冗余的附加技術(shù)等。

3 開(kāi)放式儀器庫(kù)設(shè)計(jì)

3.1 儀器庫(kù)設(shè)計(jì)思想

比較兩種自動(dòng)化測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的思想。

3.1.1 信號(hào)源的字符串命令

現(xiàn)代信號(hào)源幾乎全部配備了標(biāo)準(zhǔn)的IE488 接口，相應(yīng)的內(nèi)部有接口命令系統(tǒng)。通過(guò)接口發(fā)送和接收字符串形式的控制命令是信號(hào)源的最基本控制途徑，不同的信號(hào)源有不同的字符串控制命令系統(tǒng)。表1 列出了幾種信號(hào)源設(shè)置調(diào)制速率的字符串命令。

表1 信號(hào)源調(diào)制速率

從表中的情況可以看到，不同的信號(hào)源字符串命令差別很大，互相間通用性很小，這是阻礙程序通用的首要方面。，采用直接字符串命令編程，導(dǎo)致源代碼相當(dāng)復(fù)雜[2-3]。由于復(fù)雜程度的增加，程序調(diào)試的工作量也很大，即變作微小改動(dòng)，幾乎不可避免的都要發(fā)生錯(cuò)誤，修改一次相當(dāng)于重新寫(xiě)一遍程序，程序復(fù)用性非常低。

3.1.2 特征參量控制法

從上面可以看出，用字符串命令來(lái)控制信號(hào)源，通用性非常差，必須運(yùn)用其他方法來(lái)解決通用性問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期摸索與實(shí)踐，總結(jié)出了特征參量控制法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。其主要思想是：編制與各信號(hào)源相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，將千差萬(wàn)別的字符串控制命令轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一的參量調(diào)用。

根據(jù)信號(hào)源的差異，我們歸納提煉得到一系列參量，這些參量一經(jīng)設(shè)定就唯一確定了信號(hào)源及標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前狀態(tài)，稱(chēng)為特征參量。每一種型號(hào)的設(shè)備的命令字符串及對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)字符串命令構(gòu)成一個(gè)命令集，將數(shù)量眾多的字符串命令按照其歸屬的特征參量對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的特征參量集上。對(duì)于應(yīng)用程序，只要改變特征參量值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源的自動(dòng)控制，這就是特征參量控制法。

這種方法中的特征參量是基于所有信號(hào)源而得到的模塊化結(jié)構(gòu)，與儀器型號(hào)無(wú)關(guān)，只與儀器功能有關(guān)。每種模塊對(duì)應(yīng)一項(xiàng)功能，其下層是字符串命令，字符串命令依賴(lài)于儀器，而特征參量模塊只依賴(lài)于功能。這樣，在使用時(shí)只要按功能調(diào)用各種特征參量模塊即可，不和具體代碼相關(guān)。

3.2 儀器庫(kù)結(jié)構(gòu)

儀器庫(kù)包含了被檢信號(hào)源的四類(lèi)信息：基本信息、操作信息和技術(shù)指標(biāo)信息、測(cè)量點(diǎn)信息及被檢和標(biāo)準(zhǔn)的各種狀態(tài)。這些信息保證了系統(tǒng)在檢索信號(hào)源特性、裝載控制命令、生成測(cè)量點(diǎn)文件、判斷測(cè)量結(jié)果、出具檢定證書(shū)等一系列操作的自動(dòng)化，而且也為向智能化、模塊化檢定發(fā)展打下比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這是以往的自動(dòng)化測(cè)試檢定系統(tǒng)無(wú)法相比的。儀器庫(kù)作為數(shù)據(jù)庫(kù)的形式以Access為載體，儀器庫(kù)的設(shè)計(jì)分為儀器庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和操作管理界面的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)儀器庫(kù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)共有Print-Info、MeaItem、MeaItemed（見(jiàn)表2）、Command、OPT、OPTed、Power、TunedRFPower和AM 等13 種 表結(jié)構(gòu)。

表2 MeaItem、MeaItemed表結(jié)構(gòu)

3.3 儀器庫(kù)管理

3.3.1 基本信息類(lèi)管理

包括儀器的基本信息、選件數(shù)目及影響項(xiàng)目、可定制測(cè)量項(xiàng)目，如圖2 所示。

3.3.2 控制命令管理

信號(hào)源各種操作的控制命令管理主要有頻率設(shè)置、功率設(shè)置、射頻開(kāi)、射頻關(guān)、調(diào)幅開(kāi)、調(diào)幅關(guān)、調(diào)幅深度、調(diào)幅頻率、調(diào)頻開(kāi)、調(diào)頻關(guān)、調(diào)頻頻偏、調(diào)頻速率和初始化命令。

3.3.3 技術(shù)指標(biāo)及測(cè)量點(diǎn)管理

圖2 儀器庫(kù)基本信息類(lèi)管理

對(duì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)研究后，把它們分為13 個(gè)測(cè)量項(xiàng)目，分別是功率、調(diào)諧射頻電平、頻率、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)幅失真、調(diào)頻失真、伴隨調(diào)幅、伴隨調(diào)頻、伴隨調(diào)相、剩余調(diào)幅、剩余調(diào)頻和諧波，以13 個(gè)不同的頁(yè)面分別進(jìn)行顯示，調(diào)幅的管理頁(yè)面如圖3 所示。

圖3 調(diào)幅測(cè)量項(xiàng)目管理

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

在信號(hào)源自動(dòng)化計(jì)量檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，面臨的主要關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)有以下兩個(gè)：一個(gè)是實(shí)現(xiàn)對(duì)FSMR3 測(cè)量接收機(jī)的自動(dòng)化控制；另外一個(gè)就是對(duì)FSMR3 測(cè)量接收機(jī)測(cè)量指標(biāo)的不確定度評(píng)定。

4.1 對(duì)FSMR3 測(cè)量接收機(jī)的自動(dòng)化控制

因FSMR3 測(cè)量接收機(jī)是德國(guó)R&S 公司生產(chǎn)的先進(jìn)的功能強(qiáng)大的測(cè)量接收機(jī)，具有一般接收機(jī)全部功能的同時(shí)，還可以作為功率計(jì)、頻譜儀、計(jì)算器和失真、調(diào)制度儀使用。按照檢定規(guī)程，信號(hào)源計(jì)量檢定的參數(shù)多達(dá)近20 項(xiàng)[4]，要完成這些操作程序編寫(xiě)有相當(dāng)大難度，又因?yàn)榧夹g(shù)保密方面的因素，一些關(guān)鍵的二次開(kāi)發(fā)軟件的程序指令廠(chǎng)商不可能完全提供，這就對(duì)實(shí)現(xiàn)FSMR3 測(cè)量接收機(jī)的自動(dòng)化控制形成了很大的技術(shù)難題。

解決途徑是利用VB編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)FSMR3測(cè)量接收機(jī)的自動(dòng)化控制。根據(jù)提供的技術(shù)說(shuō)明書(shū)以及廠(chǎng)家提供的二次開(kāi)發(fā)通信協(xié)議[5-6]，在充分掌握儀器工作原理及工作流程的基礎(chǔ)上，利用VB編程技術(shù)對(duì)GPIB接口編程，利用模塊化設(shè)計(jì)，完成對(duì)FSMR3 測(cè)量接收機(jī)的自動(dòng)化控制。

4.2 對(duì)FSMR3 測(cè)量接收機(jī)測(cè)量指標(biāo)的不確定度評(píng)定

4.2.1 不確定度評(píng)定

信號(hào)源計(jì)量檢定參數(shù)多，對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評(píng)定難度就很大，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定的基本原則[7]：

1）若測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)由一臺(tái)測(cè)量器具組成，測(cè)量不確定度來(lái)源至少有測(cè)量器具和測(cè)量重復(fù)性?xún)蓚€(gè)分量，設(shè)測(cè)量器具的最大允許誤差為±△，重復(fù)性為s，檢定時(shí)的測(cè)量次數(shù)為n，則，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為U＝kuc。一般取k＝2，當(dāng)uA﹤﹤uB時(shí)，。

2）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)參數(shù)時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定。

3）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)具有很寬的測(cè)量范圍時(shí)，可選一個(gè)典型的量值點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定。

依據(jù)以上原則，要分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的頻率測(cè)量不確定度、輸出功率電平測(cè)量不確定度、調(diào)諧射頻電平測(cè)量不確定度、調(diào)幅度測(cè)量不確定度、調(diào)頻頻偏測(cè)量不確定度和調(diào)相相偏測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定，難度很大，工作量很多。

4.2.2 解決途徑

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定原則，分別對(duì)接收機(jī)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行不確定度評(píng)定。以下為調(diào)幅度測(cè)量不確定度評(píng)定方法[8]：

1）標(biāo)準(zhǔn)器引人的不確定度，B類(lèi)評(píng)定

2）測(cè)量有效位引人的不確定度，B類(lèi)評(píng)定

3）測(cè)量重復(fù)性引人的不確定度，A類(lèi)評(píng)定

以信號(hào)源8648B為被測(cè)件，載波頻率f＝100MHz，功率P＝0dBm，調(diào)制頻率1kHz，調(diào)幅度30%，測(cè)量6 次結(jié)果為xi（%）：29.962，30.017，29.860，30.105，30.126，29.863。

4）合成不確定度

5）擴(kuò)展不確定度

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該系統(tǒng)的研制，制定了具有較強(qiáng)通用性、系統(tǒng)性和實(shí)用性的信號(hào)源檢定/測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣泛使用的多種信號(hào)源的檢定自動(dòng)化，不僅解決了信號(hào)源檢定從手動(dòng)向自動(dòng)化發(fā)展的問(wèn)題，也解決了對(duì)不同型號(hào)、不同技術(shù)指標(biāo)的被檢儀器的識(shí)別問(wèn)題，發(fā)展了自動(dòng)化測(cè)試，也對(duì)智能化測(cè)試作了有益的嘗試。