李繼秀 田易 孟真 張興成 鐘燕清 劉謀

(中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100029)

0 引言

目前基于的數(shù)據(jù)采集及分析都是針對數(shù)字信號,對于模擬信號的性能分析,只能依靠一些外在工具如頻譜儀,手動進(jìn)行設(shè)置及觀察,或者硬件再加一級A/D 轉(zhuǎn)換器生成數(shù)字信號,從而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及后續(xù)分析。這不利于實現(xiàn)真正應(yīng)用中的尤其批量產(chǎn)品模擬信號的自動化測試,另外對于批量產(chǎn)品中的模擬信號的一些性能指標(biāo),也很難直接定量化評判和測試。頻譜分析儀,作為一類不可或缺的頻域測量和分析儀器,多用來研發(fā)通信器件設(shè)備,或是檢測和分析科研環(huán)境的信號。頻譜分析儀的功能強大,可以將信號從時域變換到頻域得到時域所沒有的一些特性分析,比如頻率、功率、噪聲等[1]。本測試系統(tǒng)通過VC軟件設(shè)計的友好界面能夠靈活控制M AT L AB 遠(yuǎn)程控制頻譜儀,獲取頻譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析,從而對產(chǎn)品輸出的模擬信號進(jìn)行定量化評判和測試。

1 系統(tǒng)原理及組成

1.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

主機一方面控制嵌入式設(shè)備產(chǎn)生模擬信號并通過專用線纜把模擬信號傳送到頻譜儀;另一方面主機遠(yuǎn)程控制頻譜儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)獲取并在獲取頻譜儀數(shù)據(jù)以后對該數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及分析并進(jìn)行圖形化顯示,從而完成對模擬信號的性能指標(biāo)進(jìn)行定量化評判和測試。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示,硬件主要包含嵌入式設(shè)備(產(chǎn)生模擬信號)、羅德施瓦茨頻譜儀、上位機三個部分。主機通過串口控制嵌入式設(shè)備產(chǎn)生所需模擬信號;嵌入式設(shè)備通過專用數(shù)據(jù)線纜與頻譜儀通信;主機通過網(wǎng)口控制頻譜儀進(jìn)行參數(shù)傳遞以及數(shù)據(jù)獲取。

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 VC調(diào)用MATLAB軟件設(shè)計

3.1.1 界面設(shè)計

上位機通過簡單界面程序,設(shè)置起始頻率、終止頻率、參考電平等參數(shù)傳遞給M A T L A B 程序,M A T L A B 通過VISA庫對頻譜儀進(jìn)行設(shè)置,并采集頻譜儀顯示的信號頻譜功率值,進(jìn)行SNR、SFDR的計算,并進(jìn)行圖形化顯示。

3.1.2 代碼設(shè)計

(1)MATLAB通過VC編譯器生成DLL文件。1)設(shè)置編譯器:Mex setup設(shè)置VC編譯器進(jìn)行文件編譯。2)生成DLL文件:MCC W CPPLIB:MYLIB T LINK:LIB MY.M;在文件目錄下生成MYLIB.lib,MYLIB.dll,MYLIB.h。

(2)VC調(diào)用MATLAB。首先需要把(1)中生成的三個文件拷貝到當(dāng)前V C 工程目錄下。

1)VC路徑設(shè)置

頭文件路徑需要包括當(dāng)前工程路徑及MATLAB的Bin下面的INCLUDE路徑;庫函數(shù)路徑需要包括當(dāng)前工程路徑及MATLAB的LIB路徑;另外需要在當(dāng)前的工程鏈接里加入五個庫文件,四個為MATLAB庫文件,mclmcr.lib,mclmcrrt.lib,libmat.lib,libmx.lib,另一個為(1)中所生成的庫文件[2]。

2)代碼鏈接庫文件

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

圖2 上位機界面Fig.2 Upper computer interface

#pragma comment(lib,"mclmcrrt.lib")

#pragma comment(lib,"libmx.lib")

#pragma comment(lib,"libmat.lib")

#pragma comment(lib,"mclmcr.lib")

3)初始化MA TLA B調(diào)用

libvc_matlab_fswInitialize()

4)設(shè)置參數(shù)并調(diào)用M AT L AB 遠(yuǎn)程頻譜儀

mwArray startFrq(1,1,mxDOUBLE_CLASS);創(chuàng)建起始頻率數(shù)組

mwArray stopFrq(1,1,mxDOUBLE_CLASS);創(chuàng)建終止頻率數(shù)組

startFrq.SetData(&(stafrq),1);起始頻率賦值

stopFrq.SetData(&(stpfrq),1);終止頻率賦值

vc_matlab_fsw(startFrq,stopFrq,varef,stringTemp,brbw,bvbw,vaSapoint);調(diào)用MATLAB進(jìn)行通信

5)結(jié)束MATL AB調(diào)用

libvc_matlab_fswTerminate();

mclTerminateApplication();

3.2 MATLAB調(diào)用頻譜儀軟件設(shè)計

(1)頻譜儀遠(yuǎn)程通信架構(gòu)?？梢耘c頻譜儀進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的軟件比較多,比較成熟的有MA TL AB,C#,L ABV IE W 和CV I。該軟件采用MATLAB 軟件平臺實現(xiàn)與頻譜儀的通信,這里對操作系統(tǒng)、MATLAB版本、還有IO庫都有比較高的要求,要求如下:

MATLAB 2013或者更高版本

WindowsXP/VISTA/WIN7(WIN 7 64bit)

NI VISA I/O library 15.0或者更高。

該軟件采用的MATLAB 2014 a ,WindowsXP操作系統(tǒng),NI VISA I/O library 15.5,接口采用LAN,通信協(xié)議采用TCPIP協(xié)議[3]。

(2)MATLAB遠(yuǎn)程頻譜儀設(shè)計。上位機MATLAB平臺通過VXI-11 Protocol來對IO庫VISA進(jìn)行訪問。MATLAB通過VISA與頻譜儀的通信是基于信息的同步模式,除非上位機要求,否則頻譜儀對上位機MATLAB 的命令不會回復(fù),通信的命令架構(gòu)為SCPI(short for Simple Commands for Programmable Instruments)[4]。

(3)代碼設(shè)計

1)遠(yuǎn)程連接

specan=VISA_Instrument(['TCPIP::',ip,'::INSTR'])

idnResponse=specan.QueryString('*IDN?');

2)頻譜儀的初始化

specan.Write('*RST;*CLS'); 復(fù)位頻譜儀,清除錯誤隊列

specan.Write('SYST:DISP:UPD ON');啟動更新設(shè)置

3)頻譜儀的參數(shù)設(shè)置

specan.Write('FREQ:START %0.9f',startfrq);設(shè)置起始頻率specan.Write('FREQ:STOP %0.9f',stopfrq);設(shè)置停止頻率

specan.Write('BAND %f', rbw);設(shè)置分辨率RBW

specan.Write('DISP:WIND:TRAC:Y:RLEV %0.2f',ref);

specan.Write('SWE:POIN %d',swpoint);設(shè)置掃描點數(shù)

4)啟動掃描

specan.Write('INIT');

5)獲取掃描點功率及轉(zhuǎn)換為ASCii碼值

traceASC=specan.QueryASCII_ListOfDoubles('FORM ASC;:TRAC? TRACE1',sweepPoints);

6)利用掃描點計算SNR、SFDR

spectp=10.^(traceASC/10);轉(zhuǎn)換為原始功率值

Ps= sum(spectp(F_in-span:F_in+span));計算信號功率值

p=sum(spectp(10: stopfrq));計算全頻帶功率值

Pc=max(max(traceASC(10:F_in-span)),

max(traceASC(F_in+span:N)));

SFDR =max_dB-Pc;

Pn=p-Ps;

SNR=10*log10(Ps/Pn);

7)獲取頻譜儀頻譜圖片并保存

specan.Write('HCOP:DEV:LANG

PNG;:MMEM:NAME ''c:TempDevice_Screenshot.png''');設(shè)置屏幕拷貝

specan.Write('HCOP:IMM');屏幕拷貝

4 優(yōu)勢

4.1 系統(tǒng)的靈活的可操作性和可配置性

由于VC采用可視化的集成開發(fā)環(huán)境(IDE),在工程應(yīng)用中,可以實現(xiàn)人機交互界面、數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控等。其友好的界面便于客戶操作,其較高的開發(fā)效率比較易于工程師上手。在該系統(tǒng)中可以通過操作界面,靈活進(jìn)行MATLAB、頻譜儀參數(shù)配置,并對結(jié)果進(jìn)行可視化界面顯示。

4.2 系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)分析及繪圖能力

在該系統(tǒng)中借助MATLAB平臺遠(yuǎn)程頻譜儀,MATLAB具有強大的計算繪圖能力,并提供了大量的函數(shù)庫,幾乎涵蓋了所有的工程計算領(lǐng)域,所以在數(shù)據(jù)處理分析、算法工具和繪制數(shù)據(jù)圖形等方面,該測試系統(tǒng)具有強大的工程科學(xué)計算能力和繪圖能力。

4.3 模擬信號性能的定量化評判和測量

目前基于的數(shù)據(jù)采集及分析都是針對數(shù)字信號,對于模擬信號的性能分析,只能依靠一些外在工具如頻譜儀,手動進(jìn)行設(shè)置及觀察,或者硬件再加一級A/D 轉(zhuǎn)換器生成數(shù)字信號,從而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及后續(xù)分析。這不利于實現(xiàn)真正應(yīng)用中的尤其批量產(chǎn)品模擬信號的自動化測試,另外對于該產(chǎn)品中的模擬信號的一些性能指標(biāo),也很難直接定量化評判和測試。該系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程頻譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和計算并最終進(jìn)行性能分析和圖形顯示,實現(xiàn)了模擬信號的自動化測試,并對該信號性能進(jìn)行了定量化評判和測量。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用上位機遠(yuǎn)程頻譜儀架構(gòu),實現(xiàn)了V C 調(diào)用MATLAB 進(jìn)行參數(shù)配置和圖形化顯示,實現(xiàn)了MATLAB遠(yuǎn)程頻譜儀進(jìn)行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)獲取、保存以及數(shù)據(jù)分析,最終實現(xiàn)了模擬信號的自動化測試以及對模擬信號的性能指標(biāo)進(jìn)行了一系列的分析和測量。