基于GPIB總線的無線電頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

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、監(jiān)測接收機及天線系統(tǒng)為主組建無線電監(jiān)測軟件系統(tǒng)。監(jiān)測接收機通過其上的天線接口來采集無線電信號,然后通過監(jiān)測機自帶的通用接口總線(General-Purpose Interface Bus,GPIB),由安裝在工控機上的PCI插槽中的PCI-GPIB卡傳輸?shù)焦た貦C,最后由工控機實現(xiàn)對采集到的信號樣本的顯示、分析和保存等操作功能。

1.2 系統(tǒng)的硬件組成

　　無線電信號監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由工控機、PCI-GPIB卡、GPIB接口電纜、ESVN40測試接收機和帶有天線選擇轉(zhuǎn)換器的9k～3 000MHz的多模天線系統(tǒng)組成。

1.3 ESVN40測試接收機的特點

　　ESVN40作為功能較為強大的場強監(jiān)測及掃描接收機,覆蓋了9k～2.75GHz的頻率范圍,可以完成以下的無線電監(jiān)測任務(wù):(1)單頻點的ITU(International Telecommunication Union)測量,包括電平、調(diào)制深度、頻率偏移、相位偏移及頻率補償量的測量。(2)單頻點的頻譜分析。(3)頻段的掃描。該方式支持多種掃描方式,以滿足用戶對掃描速度和返回數(shù)據(jù)的要求。在與主控機的通信方式上ESVN40采用GPIB總線方式與主控機進行控制信息和數(shù)據(jù)信息的交換,其控制較靈活。同時GPIB卡的接口方式使得主控機對遠程設(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,為用戶軟件的升級節(jié)約了成本,提高了開發(fā)效率。GPIB系統(tǒng)的特點如下。

　　(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)動軟件都保持與現(xiàn)有的NI-488應(yīng)用底層的兼容性。無論開發(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)的可擴充性。如果要在該軟件的基礎(chǔ)上增加測向的功能,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)擴展為一個功能較完備的監(jiān)測系統(tǒng)。

1.5 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上采用了模塊化的設(shè)計思想。同時為了提高系統(tǒng)的實時速度,充分利用了Windows軟件設(shè)計的多線程技術(shù),采用Windows的消息環(huán)來完成多個線程之間的信息交流。系統(tǒng)應(yīng)用了2個線程:(1)底層取數(shù)據(jù)線程,其流程如圖2所示。它用于實時地通過GPIB卡與ESVN40進行控制與數(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)用戶的測量任務(wù),對實時數(shù)據(jù)進行顯示、分析和保存等操作。這樣,可以使2個線程并行,從而提高整個軟件系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度。取數(shù)據(jù)線程,采用VC++開發(fā),這主要是考慮到C++語言易于實現(xiàn)對硬件的控制;而用戶界面處理的線程主要用Delphi來完成,主要是考慮到Delphi語言對界面的設(shè)計非常便利和靈活,可以大大提高開發(fā)效率。

　　二個線程的工作機理:在用戶程序初始化的過程中,創(chuàng)建以上的2個線程,同時它們都處于等待的狀態(tài)。當(dāng)用戶在程序界面開始各種測量任務(wù)時,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)號在消息參數(shù)中進行傳遞。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GPIB卡把任務(wù)翻譯為ESVN40的命令字符串傳送給接收機,同時對測量參數(shù)進行有針對性的設(shè)置,然后通過具體的命令啟動儀器來完成測量任務(wù)。當(dāng)監(jiān)測到儀器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好,且狀態(tài)寄存器標(biāo)識為有效后,通過GPIB卡讀入測量數(shù)據(jù)。讀數(shù)線程將讀到的數(shù)據(jù)進行解析,然后放入某個內(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量結(jié)果,用戶界面線程負責(zé)完成相應(yīng)的測量結(jié)果的顯示、分析及保存。2條線程的處理在時間上完全分開,從而儀器在實時信號分析的時候,幾乎是在連續(xù)地進行采樣,這樣大大提高了整個系統(tǒng)的實時響應(yīng)性能。

2軟件設(shè)計中擴展性問題的解決方案

　　在該系統(tǒng)中,為了加強系統(tǒng)的功能,就要對系統(tǒng)進行擴展,但是儀器與控制計算機不一定都采用GPIB接口。為了提高底層取數(shù)線程的可擴展性,底層充分利用C++中類的思想進行設(shè)計,為此可以創(chuàng)建一個通信接口類ICommDevice作為通信接口。接口方法如下:

　　(1)打開一個通信接口。

(2)向該通信接口寫一個字符串。

　　(3)從該通信接口讀一個字節(jié)。

　　(4)從該通信接口讀一個字符串。

　　(5)關(guān)閉已打開的通信接口。

　　在系統(tǒng)中,GPIB卡作為該通信接口類的子類,其實現(xiàn)以上方法的關(guān)鍵代碼和具體方法的功能如下:

　?、僭诖蜷_GPIB卡的方法中,主要完成對GPIB卡的初始化,同時獲得ESVN40和GPIB卡的控制句柄。