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基于LabVIEW的便攜式饋線測試儀設(shè)計(jì)研究?

2018-01-04 01:32林洪文
艦船電子工程 2017年12期
關(guān)鍵詞:子程序測試儀饋線

林洪文 王 碩

1 引言

無線通信技術(shù)出現(xiàn)以來倍受青睞,經(jīng)過百年發(fā)展,無線通信已經(jīng)成為了生產(chǎn)生活的重要媒介,小到智能手環(huán)等穿戴設(shè)備,大到載人航天等重大國防項(xiàng)目都隨處可見無線通信的影子。隨著研究的深入和各種應(yīng)用的開展,其在軍事國防領(lǐng)域扮演的角色也愈加重要。在以高新技術(shù)為主的新形勢戰(zhàn)爭背景下,通信系統(tǒng)已成為軍隊(duì)的中樞系統(tǒng),維系軍隊(duì)重要環(huán)節(jié)正常運(yùn)行,一旦通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障,造成的損失無法估量。本文以某型艦船通信發(fā)射機(jī)饋線測試系統(tǒng)為研究對象,首先描述便攜式饋線測試儀硬件總體結(jié)構(gòu),在其基礎(chǔ)上提出了基于Lab-VIEW的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,描述整體軟件結(jié)構(gòu),對子系統(tǒng)的劃分和各個(gè)模塊功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了扼要介紹,并對其中一項(xiàng)功能進(jìn)行了試驗(yàn)。

2 測試需求分析

饋線又稱電纜線,天饋線系統(tǒng)(antenna feeder system)是無線通信設(shè)備中必不可少的組成部分,分為天線與饋線系統(tǒng)。在無線通信中,要傳送的信號是調(diào)制在載波上的基帶信號的無線電波,通過自由空間傳播來實(shí)現(xiàn),天線與饋線系統(tǒng)在完成這一任務(wù)中起著重要的作用,是無線通信設(shè)備中必不可少的組成部分。天線是接力通信設(shè)備的出入口,饋線則是連接天線和收發(fā)信設(shè)備的紐帶,它的作用是完成微波信號在微波機(jī)與天線之間的傳輸。

饋線是連接電臺與天線的重要設(shè)備。不同粗細(xì)、不同質(zhì)量的饋線對通信距離會(huì)產(chǎn)生很大的影響。無線通信系統(tǒng)中的饋線有同軸電纜型和波導(dǎo)型兩種形式,本測試儀的測試對象是同軸電纜型饋線。在無線通信系統(tǒng)中,對饋線系統(tǒng)最基本的要求有:系統(tǒng)損耗低,電壓駐波比小,極化去耦度高,機(jī)械強(qiáng)度大[1]。在天饋線系統(tǒng)的無線通信電路中,饋線系統(tǒng)的技術(shù)性能,質(zhì)量指標(biāo)直接影響到系統(tǒng)的通信質(zhì)量,對綜合饋線測試儀提出了迫切需求,某型裝備多在野外展開這一實(shí)際情況又對饋線測試儀的低功耗性和便攜性作出了要求,因此,基于Lab-VIEW的便攜式饋線測試儀應(yīng)運(yùn)而生。

3 某型發(fā)射機(jī)饋線測試儀的設(shè)計(jì)

根據(jù)上文的測試需求分析,確定了便攜式天饋線測試儀包括了駐波比測試,回波損耗測試和故障定位功能,為便于直觀分析饋線的阻抗、導(dǎo)納等參數(shù),同時(shí)引入史密斯圓圖到程序中。饋線測試儀的整體設(shè)計(jì)堅(jiān)持以應(yīng)用目標(biāo)為導(dǎo)向,運(yùn)用系統(tǒng)分析方法,采用集成平臺和模塊化、功能化開發(fā)模式,完成核心軟硬件模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)和集成。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面遵循標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的原則,有良好的維護(hù)性,做到與現(xiàn)有的硬件環(huán)境相結(jié)合;軟件設(shè)計(jì)遵循軟件工程規(guī)范[2]。

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。測試儀是一臺將接口技術(shù)和窗口操作系統(tǒng)融合在一起的便攜設(shè)備,在操作系統(tǒng)上運(yùn)行的基于LabVIEW的饋線測試程序通過內(nèi)部接口和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和參數(shù)設(shè)置[3]。整個(gè)儀器通過外設(shè)轉(zhuǎn)接頭連接饋線,向饋線發(fā)送特定信號之后檢測接收返回信號,然后通過硬件接收處理返回信號,利用軟件分析處理數(shù)據(jù),將測試結(jié)果直觀呈現(xiàn)在顯示界面上。

3.1 硬件平臺的設(shè)計(jì)

便攜式饋線測試儀硬件平臺主要包括饋線測量模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊和校準(zhǔn)件等部分。硬件為一體式架構(gòu)方式,內(nèi)部采用分層模式來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展式的系統(tǒng)架構(gòu),采用平臺加模塊的方式實(shí)現(xiàn)預(yù)想測試功能,有效減少體積和重量,縮短研發(fā)調(diào)試周期,大大降低整體功耗,得以實(shí)現(xiàn)在無外接電源情況下使用內(nèi)部電池供電。測試功能采用模塊化劃分方法,基于儀器軟硬件平臺,自動(dòng)完成發(fā)射機(jī)饋線系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)測試。

3.2 軟件平臺的設(shè)計(jì)

便攜式饋線測試儀軟件平臺主要包括駐波比測試子程序、回波損耗測試子程序和故障定位子程序,以及實(shí)現(xiàn)輔助功能的插件子程序如光標(biāo)功能,波形標(biāo)定、存儲(chǔ)與導(dǎo)入功能等子程序。如圖3所示,軟件平臺整體采用分層模式實(shí)現(xiàn)開放式的系統(tǒng)架構(gòu),系統(tǒng)初始界面是饋線測試總頁面,當(dāng)選擇某測試項(xiàng)后,軟件調(diào)用該測試子程序,對設(shè)備的操作通過該子程序轉(zhuǎn)換成硬件指令,通過總線發(fā)送至相應(yīng)儀器;當(dāng)設(shè)備處于讀取狀態(tài)時(shí),子程序循環(huán)讀取測量模塊返回到總線上的信息,通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換顯示到軟件界面以及存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫文件中。

3.3 測試程序的設(shè)計(jì)

便攜式饋線測試程序主要采用NI公司的Lab-VIEW軟件進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具,主要用于開發(fā)測試、測量與控制系統(tǒng)。利用NI的虛擬儀器技術(shù),可以使復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡單,讓工程師和科研人員得以把更多的精力放于實(shí)驗(yàn)過程,數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)上[4]。饋線測試程序采用了層次化的體系結(jié)構(gòu),每個(gè)子程序也同樣按照層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)用的硬件模塊的驅(qū)動(dòng)引擎使用C++編寫,在Windows平臺下進(jìn)行編譯連接后生成留有接口的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件,上層程序收到操作后發(fā)送信息給引擎,引擎再通過總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行[5]。測試程序界面和部分程序框圖如圖4所示。

3.4 接口適配器和控制模塊的設(shè)計(jì)

整個(gè)儀器硬件劃分為天饋線測試模塊、頻譜分析模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊。各模塊之間功能相對獨(dú)立,分別由控制模塊控制。各模塊之間通訊和控制如圖5所示??刂颇K功能主要分為三部分:1)控制饋線測試模塊和頻譜分析模塊的測量功能操作,傳輸和分析測量數(shù)據(jù),通過測量數(shù)據(jù)給出測量結(jié)果;2)對測量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算、判斷、存儲(chǔ)和顯示;3)控制電源模塊的工作,自動(dòng)給電池充放電或采用其它電源供電控制。控制模塊硬件由兩部分組成:1)控制核心板;2)控制底板??刂坪诵陌搴涂刂频装逋ㄟ^專用接口對接,并用螺絲固定為一體。核心底板主要負(fù)責(zé)引出核心板相應(yīng)接口,并給核心板提供電源。饋線測試模塊通過轉(zhuǎn)接頭等外設(shè)器件與饋線連接實(shí)現(xiàn)測量。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 線纜故障定位及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前饋線故障定位技術(shù)一般采用TDR技術(shù)和FDR技術(shù)兩種。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)需求和經(jīng)費(fèi)限制等現(xiàn)實(shí)情況,本設(shè)備采取FDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)饋線故障點(diǎn)定位[6]。FDR技術(shù)基本原理:通過信號源產(chǎn)生正弦波掃頻信號作為測量信號,測量信號輸入被測線纜,信號將在故障點(diǎn)處將產(chǎn)生反射信號,反射信號與入射信號產(chǎn)生矢量疊加,產(chǎn)生周期數(shù)為n的波紋頻寬為 f(單位為MHz)的波紋圖案,則有

式中L為故障點(diǎn)與測試點(diǎn)距離(單位為m),c為光速,k為電磁波在電纜中傳播速度與光速的比值。令F為波紋的頻率周期,則有F=fn(MHz),由上述關(guān)系可得L=150×k F(m)[7]。本測試儀采用掃頻方式發(fā)射一定寬度的信號,接收到的頻域測量數(shù)據(jù)采用FFT變換將頻譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域下的定位函數(shù)距離譜,并采用Chirp-Z變換提高了定位精度[8]。

4.2 儀器的整機(jī)功耗控制

目前測試系統(tǒng)功耗普遍偏大,難以使用電池供野外使用。針對這一問題,如圖6所示,本儀器立足于低功耗設(shè)計(jì)思想,采用高級配置和電源接口(Advance Configuration and Power Interface,ACPI)技術(shù),綜合考慮各個(gè)測量模塊和控制模塊供電要求,對饋線測量各模塊不同功能根據(jù)需要進(jìn)行開電和斷電操作,即根據(jù)用戶的操作需求,對必須運(yùn)行的電路進(jìn)行上電,而對不需運(yùn)行的電路進(jìn)行斷電處理,盡最大能力減少不必要的功耗損失[9]。采用該多級節(jié)電控制技術(shù)后,使原測量模塊整體平均功率大幅下降,使電池供電運(yùn)行并手持操作成為可能。

4.3 一體化測量模塊綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

目前國內(nèi)設(shè)備實(shí)現(xiàn)饋線測試一般需要多臺設(shè)備聯(lián)合測試,綜合測試能力差,體積大,不利于室外操作,對執(zhí)行測試任務(wù)造成很多不便。本儀器拋棄傳統(tǒng)分離式饋線測試電路設(shè)計(jì),采用電路融合技術(shù)結(jié)合高密度多層PCB設(shè)計(jì),把饋線測量諸多電路融合在一起設(shè)計(jì)[10],并采用通道切換方法公用部分電路,從而減少功能重復(fù)電路,大幅減少元器件數(shù)量,充分利用PCB板空間,減少體積[11]。本便攜式饋線測試儀使用電路融合技術(shù),使具有綜合測試能力的手持式儀器成為可能。

5 試驗(yàn)結(jié)果與討論

因整個(gè)測試儀程序較龐大,以“故障定位”功能為例對測試儀測試結(jié)果進(jìn)行分析。圖7所示為便攜式饋線測試儀對2.73m處及6.34m處有故障點(diǎn)的總長為8.22m的饋線以2MHz為起始頻率,30MHz為終止頻率掃描后得到頻域圖像經(jīng)過傅里葉變換處理得到的結(jié)果,測試儀程序自動(dòng)尋峰讀取峰值位置的橫坐標(biāo)得到了測試結(jié)果:在距離測試點(diǎn)2.724m和6.352m處各有一個(gè)故障點(diǎn),誤差符合預(yù)期要求。

6 結(jié)語

本文對基于LabVIEW的便攜式饋線測試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,從硬件和軟件角度闡述了饋線測試儀的設(shè)計(jì)總體方案框架,解決了饋線測試中儀器復(fù)雜,操作繁瑣和測試結(jié)果不直觀等問題[12]。并進(jìn)行了饋線故障定位功能的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,該測試儀顯示結(jié)果直觀簡潔,測試精度符合要求。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低功耗控制,一體化硬件模塊融合等目標(biāo),軟件使用模塊化結(jié)構(gòu)組合,便于移植到相關(guān)系統(tǒng)和擴(kuò)展為功能更加全面的系統(tǒng),在基于LabVIEW的便攜式測試儀器設(shè)計(jì)方面有一定借鑒意義。

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