基于GPIB總線的無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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1 系統(tǒng)的工作原理及組成
1.1 工作原理
系統(tǒng)以工控機(jī)、監(jiān)測(cè)接收機(jī)及天線系統(tǒng)為主組建無(wú)線電監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)接收機(jī)通過(guò)其上的天線接口來(lái)采集無(wú)線電信號(hào),然后通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)自帶的通用接口總線(General-Purpose Interface Bus,GPIB),由安裝在工控機(jī)上的PCI插槽中的PCI-GPIB卡傳輸?shù)焦た貦C(jī),最后由工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信號(hào)樣本的顯示、分析和保存等操作功能。
1.2 系統(tǒng)的硬件組成
無(wú)線電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由工控機(jī)、PCI-GPIB卡、GPIB接口電纜、ESVN40測(cè)試接收機(jī)和帶有天線選擇轉(zhuǎn)換器的9k～3 000MHz的多模天線系統(tǒng)組成。
1.3 ESVN40測(cè)試接收機(jī)的特點(diǎn)
ESVN40作為功能較為強(qiáng)大的場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)及掃描接收機(jī),覆蓋了9k～2.75GHz的頻率范圍,可以完成以下的無(wú)線電監(jiān)測(cè)任務(wù):(1)單頻點(diǎn)的ITU(International Telecommunication Union)測(cè)量,包括電平、調(diào)制深度、頻率偏移、相位偏移及頻率補(bǔ)償量的測(cè)量。(2)單頻點(diǎn)的頻譜分析。(3)頻段的掃描。該方式支持多種掃描方式,以滿足用戶對(duì)掃描速度和返回?cái)?shù)據(jù)的要求。在與主控機(jī)的通信方式上ESVN40采用GPIB總線方式與主控機(jī)進(jìn)行控制信息和數(shù)據(jù)信息的交換,其控制較靈活。同時(shí)GPIB卡的接口方式使得主控機(jī)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的控制變得較為容易。
1.4 GPIB接口方式的優(yōu)越性
GPIB工業(yè)總線是NI公司的產(chǎn)品。它在軟件方面提供了完全的兼容性,為用戶軟件的升級(jí)節(jié)約了成本,提高了開(kāi)發(fā)效率。GPIB系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。
(1)GPIB板卡軟件的成熟性。NI公司提供了具有良好兼容性能的API函數(shù)。NI提供的每一代驅(qū)動(dòng)軟件都保持與現(xiàn)有的NI-488應(yīng)用底層的兼容性。無(wú)論開(kāi)發(fā)者是使用NI-488.2的函數(shù),還是使用LabVIEW或LabWindows/CVI(C for Virtual Instruments)等應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境,NI-488.2軟件結(jié)構(gòu)都能提供一種穩(wěn)定的GPIB控制。同時(shí)NI-488.2軟件也在不斷地更新,以取得最優(yōu)的性能。
(2)系統(tǒng)的可擴(kuò)充性。如果要在該軟件的基礎(chǔ)上增加測(cè)向的功能,利用GPIB作為一種標(biāo)準(zhǔn)總線形式,則只要加入帶有GPIB接口的儀器,便可以將該系統(tǒng)擴(kuò)展為一個(gè)功能較完備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
1.5 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。同時(shí)為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)速度,充分利用了Windows軟件設(shè)計(jì)的多線程技術(shù),采用Windows的消息環(huán)來(lái)完成多個(gè)線程之間的信息交流。系統(tǒng)應(yīng)用了2個(gè)線程:(1)底層取數(shù)據(jù)線程,其流程如圖2所示。它用于實(shí)時(shí)地通過(guò)GPIB卡與ESVN40進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)的采集。(2)上層用戶界面線程,其流程如圖3所示。它用于用戶界面的顯示,響應(yīng)用戶的測(cè)量任務(wù),對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和保存等操作。這樣,可以使2個(gè)線程并行,從而提高整個(gè)軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。取數(shù)據(jù)線程,采用VC++開(kāi)發(fā),這主要是考慮到C++語(yǔ)言易于實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制;而用戶界面處理的線程主要用Delphi來(lái)完成,主要是考慮到Delphi語(yǔ)言對(duì)界面的設(shè)計(jì)非常便利和靈活,可以大大提高開(kāi)發(fā)效率。
二個(gè)線程的工作機(jī)理:在用戶程序初始化的過(guò)程中,創(chuàng)建以上的2個(gè)線程,同時(shí)它們都處于等待的狀態(tài)。當(dāng)用戶在程序界面開(kāi)始各種測(cè)量任務(wù)時(shí),由界面線程以消息的形式發(fā)給下層取數(shù)線程,各種任務(wù)號(hào)在消息參數(shù)中進(jìn)行傳遞。下層取數(shù)線程在接到任務(wù)消息后,根據(jù)具體的任務(wù),通過(guò)GPIB卡把任務(wù)翻譯為ESVN40的命令字符串傳送給接收機(jī),同時(shí)對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)置,然后通過(guò)具體的命令啟動(dòng)儀器來(lái)完成測(cè)量任務(wù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到儀器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,且狀態(tài)寄存器標(biāo)識(shí)為有效后,通過(guò)GPIB卡讀入測(cè)量數(shù)據(jù)。讀數(shù)線程將讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,然后放入某個(gè)內(nèi)存區(qū)中并以消息的形式通知用戶界面線程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好,而數(shù)據(jù)塊的地址包含在消息參數(shù)中。用這種方式發(fā)送儀器控制命令和讀取儀器的測(cè)量結(jié)果,用戶界面線程負(fù)責(zé)完成相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果的顯示、分析及保存。2條線程的處理在時(shí)間上完全分開(kāi),從而儀器在實(shí)時(shí)信號(hào)分析的時(shí)候,幾乎是在連續(xù)地進(jìn)行采樣,這樣大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能。
2 軟件設(shè)計(jì)中擴(kuò)展性問(wèn)題的解決方案
在該系統(tǒng)中,為了加強(qiáng)系統(tǒng)的功能,就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,但是儀器與控制計(jì)算機(jī)不一定都采用GPIB接口。為了提高底層取數(shù)線程的可擴(kuò)展性,底層充分利用C++中類(lèi)的思想進(jìn)行設(shè)計(jì),為此可以創(chuàng)建一個(gè)通信接口類(lèi)ICommDevice作為通信接口。接口方法如下:
(1)打開(kāi)一個(gè)通信接口。
(2)向該通信接口寫(xiě)一個(gè)字符串。
(3)從該通信接口讀一個(gè)字節(jié)。
(4)從該通信接口讀一個(gè)字符串。
(5)關(guān)閉已打開(kāi)的通信接口。
在系統(tǒng)中,GPIB卡作為該通信接口類(lèi)的子類(lèi),其實(shí)現(xiàn)以上方法的關(guān)鍵代碼和具體方法的功能如下:
?、僭诖蜷_(kāi)GPIB卡的方法中,主要完成對(duì)GPIB卡的初始化,同時(shí)獲得ESVN40和GPIB卡的控制句柄。
BOOL CGPIB∷Open(int BdIndx,int pad,int sad,int tmo,int eot,int eos)
{ if (m_bOpened==TRUE)
return TRUE;
m_ctrl=ibfind(″GPIB0″);//獲得GPIB卡的控制句柄
if (m_ctrl<0)
return FALSE;
ibconfig(m_ctrl,IbcAUTOPOLL,0);//禁止AutoPoll
eot=1;
eos=0x0C0A;
m_dev=ibdev(BdIndx,pad,sad,tmo,1,eos);
//獲得ESVN40的控制句柄
if (ibsta & ERR)
{ sprintf(ErrString,″打開(kāi)GPIB卡出錯(cuò)!錯(cuò)誤號(hào):ibsta=
0x%x iberr=%dn″,ibsta,iberr);
this->SetError(ErrString);
return FALSE;
}
ibbna(m_dev,″GPIB0″); //將ESVN40分配給GPIB卡
setGPIBEos(0x0C0A);
m_bOpened=TRUE;
return m_bOpened;
}
?、贕PIB類(lèi)中向儀器寫(xiě)字符串的方法主要用于完成從控制計(jì)算機(jī)向儀器發(fā)送控制字符串的功能,可以用異步或者同步方式進(jìn)行傳送。在寫(xiě)之前,要對(duì)超時(shí)進(jìn)行合理的設(shè)置。通常,如果字符串較長(zhǎng),可以把超時(shí)設(shè)定得大一些。其關(guān)鍵代碼如下:
int CGPIB∷SendData(const char*buf,int DataLength)
{ string tmpbuf;
tmpbuf=buf;
tmpbuf +=10;
ibeot(m_dev,1);
ibwrta(m_dev,(void*)tmpbuf.c_str( ),tmpbuf.size( ));
//異步寫(xiě)字符串到儀器
ibwait(m_dev,0x4100); //等待寫(xiě)操作完成
ibwait(m_dev,0x0000); //讀出GPIB的狀態(tài)
if(ibsta & ERR)
{
return FALSE;
}
return ibcntl;
}
③從儀器接收字節(jié)的方法主要用于完成從ESVN40的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀入一個(gè)字節(jié)。該方法對(duì)于讀取儀器的狀態(tài)寄存器非常有用。
int CGPIB∷ReadChar(char*ch)
{
if(！(m_bOpened)||(m_dev==NULL))
return FALSE;
int i=1;
RecvData((void*)ch,i);
return TRUE;
}
?、軓膬x器讀入數(shù)據(jù)的方法主要用于完成讀入儀器的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于ESVN40而言,預(yù)期返回?cái)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度與實(shí)際返回的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是有差別的。在設(shè)定預(yù)期返回?cái)?shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí),應(yīng)該盡量設(shè)置得大一些,以保證每次測(cè)量數(shù)據(jù)不被認(rèn)為丟失。對(duì)于超時(shí)參數(shù)的設(shè)置,與寫(xiě)操作的原則是相同的。該方法的實(shí)現(xiàn)代碼如下:
int CGPIB∷RecvData(void*Buffer,int& limitLength)
{ if(！(m_bOpened)||(m_dev==NULL))
return FALSE;
ibeot(m_dev,1);
ibtmo(m_ctrl,T3s);
ibtmo(m_dev,T3s);
ibrda(m_dev,Buffer,limitLength);
//從儀器異步讀數(shù)據(jù)到Buffer
ibwait(m_dev,0x4100); //等待異步讀完成
int nLocCount=ibcntl;
if(ibsta & ERR)
return FALSE;
ibwait(m_ctrl,0x0000);
if(ibsta & ERR)
return -1;
return nLocCount;
}
⑤關(guān)閉儀器的方法主要用于將儀器置為本地測(cè)量方式,同時(shí)使儀器處于離線狀態(tài)。其關(guān)鍵代碼如下:
BOOL CGPIB∷Close( )
{ if(！(m_bOpened)||(m_dev==NULL))
return TRUE;
ibloc(m_dev); //置ESVN40為本地測(cè)量方式
ibonl(m_dev,0); //置ESVN40為離線方式
if(ibsta & ERR)
return FALSE;
m_bOpened=FALSE;
ibonl(m_ctrl,0); //設(shè)置GPIB卡為OFF-Line狀態(tài)
return 1;
}
3 程序運(yùn)行界面
該系統(tǒng)可以進(jìn)行無(wú)線電信號(hào)的監(jiān)測(cè),其中包括某個(gè)頻點(diǎn)的電平、調(diào)整深度、頻率補(bǔ)償和頻率偏移等。此外,系統(tǒng)還能對(duì)單頻點(diǎn)的頻譜進(jìn)行分析,對(duì)給定的頻段進(jìn)行信號(hào)掃描。在實(shí)際應(yīng)用中,采用雙線程的工作機(jī)理,可以很大程度地提高數(shù)據(jù)采集的速度。系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率掃描時(shí)的運(yùn)行界面如圖4所示。在界面中,由于ESVN40只是返回掃描駐點(diǎn)的電平值,因此在軟件中對(duì)該掃描功能進(jìn)行了擴(kuò)充。在界面上只要設(shè)定一個(gè)電平閾值(用戶可以認(rèn)為超過(guò)該閾值的電平,可能存在信道占用)和一個(gè)用戶認(rèn)為每個(gè)信道應(yīng)該占用的最大帶寬或法定的最大帶寬,則通過(guò)軟件設(shè)計(jì)對(duì)采樣的樣本進(jìn)行分析后,可以對(duì)占用信道的中心頻點(diǎn)進(jìn)行初步定位。用戶根據(jù)在測(cè)量結(jié)果表中顯示的值,可以進(jìn)一步分析該中心頻點(diǎn)的頻譜或測(cè)量其他的調(diào)制特征值?？梢?jiàn),通過(guò)虛擬儀器的思想,將軟硬件結(jié)合使用,可以極大地?cái)U(kuò)充硬件的功能。
4 結(jié)束語(yǔ)
在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中,采用了C++中類(lèi)的思想,使得系統(tǒng)具備了良好的擴(kuò)展性,對(duì)于不同的儀器接口方式,可以最大限度地利用已開(kāi)發(fā)的代碼段。同時(shí),也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性,在實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。在采用了雙線程工作機(jī)制后,充分發(fā)揮了儀器的性能,比單線程的速度提高了50%。
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