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《計(jì)測技術(shù)雜志》2015年第二期

1軟件設(shè)計(jì)

1.1模塊化結(jié)構(gòu)模塊化結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計(jì)的常用方法，它是按照軟件功能劃分成多個(gè)模塊，每個(gè)模塊完成一個(gè)子功能，各模塊間在功能上、邏輯上相互獨(dú)立，由主程序按照一定的調(diào)用關(guān)系完成指定的功能。模塊化結(jié)構(gòu)將程序復(fù)雜問題簡單化，方便編程和調(diào)試，提高了程序的可讀性和易擴(kuò)展性。信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件由主函數(shù)和校準(zhǔn)信息配置、模板文件調(diào)入、儀器校準(zhǔn)、生成報(bào)告等多個(gè)功能模塊組成，其中儀器校準(zhǔn)包含信號(hào)發(fā)生器的各項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)模塊，每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)為一個(gè)用戶子函數(shù)，各模塊相互獨(dú)立，模塊之間有數(shù)據(jù)接口。整個(gè)程序由主函數(shù)控制，根據(jù)用戶選擇的校準(zhǔn)模式，按設(shè)計(jì)好的流程通過調(diào)用單參數(shù)校準(zhǔn)子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的自動(dòng)校準(zhǔn)。圖4所示為程序的模塊化結(jié)構(gòu)。在模塊化結(jié)構(gòu)中，模塊之間的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)很重要。由于信號(hào)發(fā)生器型號(hào)多，各臺(tái)儀器的校準(zhǔn)參數(shù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)不固定，全局變量的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)參數(shù)的存儲(chǔ)、模塊間數(shù)據(jù)的連接、校準(zhǔn)參數(shù)的顯示，是程序設(shè)計(jì)中的主要問題。通過合理設(shè)置全局變量，建立數(shù)據(jù)集DataSet，使用DataGrid控件等方法，很好地解決了校準(zhǔn)參數(shù)的調(diào)用、存儲(chǔ)、編輯、更新和實(shí)時(shí)顯示問題。

1.2模板文件模板文件有兩類，一類為原始記錄的模板文件，主要包括原始記錄的表頭、標(biāo)準(zhǔn)器的信息、各種校/檢證書的封面等重要信息;另一類為校準(zhǔn)參數(shù)模板，主要包括校準(zhǔn)參數(shù)、校準(zhǔn)條件等信息。VEE和Excel工作表有良好的接口。這兩種模板均采用Excel文件，我們通過VEE中的Excel接口完成對(duì)模板文件的讀取、測試數(shù)據(jù)的寫入和存儲(chǔ)。原始記錄的模板文件，包括原始記錄、校準(zhǔn)證書封面、檢定證書封面、校/檢記錄等內(nèi)容，基本涵蓋所有的證書類型，每一個(gè)內(nèi)容對(duì)應(yīng)一個(gè)sheet表，簡單易用。原始記錄模板還具有校準(zhǔn)設(shè)備的選型功能，校準(zhǔn)軟件根據(jù)原始記錄模板，調(diào)用不同標(biāo)準(zhǔn)器的測試程序，完成各類型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的校準(zhǔn)參數(shù)。我們使用標(biāo)準(zhǔn)模板和原有證書作為校準(zhǔn)參數(shù)模板文件。信號(hào)發(fā)生器的廠家、型號(hào)和選件很多。相同型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，選件組合不同，其性能指標(biāo)也不同。個(gè)別型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器的序列號(hào)不同，其性能指標(biāo)也不同。如果根據(jù)不同型號(hào)、選件組合，需設(shè)計(jì)大量的標(biāo)準(zhǔn)模板文件。在實(shí)際校準(zhǔn)工作中，還包括二手信號(hào)發(fā)生器和由于部分指標(biāo)超差而處于限用狀態(tài)的信號(hào)發(fā)生器，這兩類信號(hào)發(fā)生器的校準(zhǔn)參數(shù)和正常狀態(tài)的信號(hào)發(fā)生器有差異，比如頻段變窄、有些功能損壞而不檢、或者最大功率限制在14dBm等情況，不能使用通用的模板文件。因此，對(duì)于功能正常、指標(biāo)合格的大部分信號(hào)發(fā)生器選擇標(biāo)準(zhǔn)模板文件，對(duì)于上述特殊信號(hào)發(fā)生器選擇原有證書作為模板文件，這樣既解決了相同型號(hào)、不同選件、不同序列號(hào)性能指標(biāo)的上下限不同的問題，也可以通過調(diào)用原有證書充分了解限用儀器的限用范圍和工作狀態(tài)，減小計(jì)量人員工作量。信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)完成后，軟件通過VEE中的Excel接口將測試數(shù)據(jù)寫入模板文件，并將其按自定義的文件名進(jìn)行另存，文件名包括證書號(hào)、送檢單位、型號(hào)、機(jī)號(hào)和設(shè)備編號(hào)等信息，方便日后查找和統(tǒng)計(jì)。

1.3程控命令庫信號(hào)發(fā)生器的種類繁多，不同廠家、不同型號(hào)所使用的程控命令不同。通過分析各種型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的程控命令，我們發(fā)現(xiàn)，雖然程控命令各不相同，但是均可分解為“初始化”、“射頻開”、“調(diào)制開”、“內(nèi)時(shí)基”、“功率”、“調(diào)幅開”等功能命令和“頻率單位”、“功率單位”等單位命令，自動(dòng)校準(zhǔn)軟件中根據(jù)校準(zhǔn)要求設(shè)置了程控命令庫。在測試過程中，程控命令既可單獨(dú)使用，也可組合使用。同時(shí)，我們對(duì)信號(hào)發(fā)生器也進(jìn)行了分類，將可以使用相同程控命令的信號(hào)發(fā)生器歸為一類，例如Agi-lent公司和中國電科第41研究所的AV146X系列，HP公司的8360系列和中國電科第41研究所的AV148X系列(除AV1485系列)等;自動(dòng)校準(zhǔn)軟件中一共設(shè)置了11類。在VEE中，記錄常數(shù)RecordConstant是輸出Re-cord數(shù)據(jù)類型(標(biāo)量或1DArray形狀的常數(shù))的對(duì)象，可以互動(dòng)方式編輯一條現(xiàn)有記錄或由記錄組成的數(shù)組［2］。我們使用RecordConstant創(chuàng)建了程序命令庫。程序命令庫是由多條記錄組成的1DArray記錄數(shù)組，每條記錄中包括若干記錄字段，記錄字段的名稱、類型和形狀可以定義，其中每條記錄對(duì)應(yīng)一類信號(hào)發(fā)生器，每一個(gè)記錄字段的名稱(Fieldname)對(duì)應(yīng)一個(gè)基本命令，每一個(gè)記錄字段的值(Value)對(duì)應(yīng)一條具體的程控命令，數(shù)據(jù)類型為Text。圖5為信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件中第一類信號(hào)發(fā)生器(包括Agilent系列、AV146X系列、8371X系列、69167B)的程序命令庫的截圖。程序命令庫具有很好的可擴(kuò)展性，對(duì)于未編程的信號(hào)發(fā)生器，只需在程序命令庫中增加一條記錄，增加相應(yīng)的程控命令即可，而不需要重新編寫一個(gè)程序，簡單實(shí)用。程序命令庫的調(diào)用也非常簡單，只需在儀器校準(zhǔn)信息設(shè)置面板中選擇相應(yīng)的信號(hào)發(fā)生器類型，即可調(diào)用相應(yīng)的程控命令。

1.4歸一化測試流程在信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)系統(tǒng)中，需要控制標(biāo)準(zhǔn)器和被校信號(hào)發(fā)生器兩種硬件設(shè)備。其中，校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)器是固定的，因此自動(dòng)測試軟件中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器的控制設(shè)計(jì)了一套測試流程，而和被校儀器相關(guān)的個(gè)別參數(shù)可以通過程序命令庫進(jìn)行分類設(shè)置。而被校的信號(hào)發(fā)生器，由于廠家和型號(hào)不同，結(jié)構(gòu)差別很大，程控命令也不同。比如，有的信號(hào)發(fā)生器有調(diào)制開關(guān)按鈕，需要控制調(diào)制開關(guān)，輸出調(diào)制狀態(tài)，有的信號(hào)發(fā)生器則沒有調(diào)制開關(guān)按鈕;有的信號(hào)發(fā)生器初始化處于掃頻狀態(tài)，需要設(shè)置點(diǎn)頻狀態(tài)，進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)。如果針對(duì)每一款信號(hào)發(fā)生器均設(shè)計(jì)一套測試流程，雖然可行，但是需要增加大量的程控命令數(shù)據(jù)庫，那么就失去了整體設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，和單獨(dú)型號(hào)的校準(zhǔn)程序沒有區(qū)別，不方便計(jì)量人員使用。因此，我們設(shè)計(jì)了一套適用于所有信號(hào)發(fā)生器的各個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)的歸一化測試流程。首先，我們對(duì)所有信號(hào)發(fā)生器的測試流程進(jìn)行了梳理，列出不同型號(hào)、不同參數(shù)的測試流程。接著，分析各個(gè)測試流程的異同點(diǎn)。最后，設(shè)計(jì)一套涵蓋所有型號(hào)、所有校準(zhǔn)參數(shù)的測試流程。以信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的調(diào)幅度校準(zhǔn)程序中信號(hào)發(fā)生器設(shè)置的測試流程為例，對(duì)歸一化測試流程的設(shè)計(jì)做一個(gè)介紹。我們選取HP公司的8360系列、安立公司的MG369X系列、HP公司的865X系列這三種信號(hào)發(fā)生器作為樣本，信號(hào)發(fā)生器的初始化為工廠初始化。如圖6所示，其中8360系列需要的測試步驟最多，而865X系列和MG369X系列沒有調(diào)制開關(guān)按鈕，初始化為點(diǎn)頻狀態(tài)，需要的測試步驟相對(duì)較少，通過分析比較，我們將最全的測試步驟設(shè)計(jì)為歸一化測試流程。圖7為信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的調(diào)幅度校準(zhǔn)程序中信號(hào)發(fā)生器初始化的歸一化測試程序圖。另外，為了配合歸一化測試流程的有效運(yùn)行，在程序命令庫的設(shè)計(jì)中使用了“空”命令技術(shù)。即在某一系列的信號(hào)發(fā)生器的程控命令庫中，對(duì)于沒有或者不需設(shè)置的程控命令，均設(shè)為“空”命令。如圖8為程序命令庫中“空”命令的使用效果圖。在軟件歸一化測試流程運(yùn)行中，程序命令庫中“空”命令技術(shù)的應(yīng)用，有效地防止了被檢信號(hào)發(fā)生器誤操作，既解決了歸一化測試流程的運(yùn)行問題，又簡化了程序設(shè)計(jì)。這樣所用硬件設(shè)備的測試流程均進(jìn)行了歸一化處理，整個(gè)校準(zhǔn)軟件只需根據(jù)儀器型號(hào)，在儀器校準(zhǔn)信息設(shè)置面板中選擇相應(yīng)程序命令庫，即可使用一套測試程序完成所有型號(hào)信號(hào)發(fā)生器的校準(zhǔn)測試。歸一化測試流程具有很好的兼容性，對(duì)于目前計(jì)量中所有主要型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器均可進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，其中包括Agilent公司、R/S公司等國外公司的型號(hào)，也包括前鋒等國產(chǎn)信號(hào)發(fā)生器的型號(hào)。

1.5數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)集DataSet是數(shù)據(jù)的集合，包括表格、約束條件和表關(guān)系，是保存在內(nèi)存的虛擬數(shù)據(jù)庫［3］。數(shù)據(jù)集DataSet由若干數(shù)據(jù)表DataTable組成，每一個(gè)數(shù)據(jù)表DataTable由數(shù)據(jù)列DataColumn組成，DataColumn可以指定標(biāo)題和數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)行DataRow表示DataTable中的一行數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)行DataRow獲取指定記錄。我們在軟件中創(chuàng)建數(shù)據(jù)集DataSet存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過調(diào)用校準(zhǔn)參數(shù)模板，根據(jù)模板中的校準(zhǔn)參數(shù)在DataSet添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)表DataTable，每一個(gè)DataTable保存一個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)的記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)列DataColumn的標(biāo)題為校準(zhǔn)參數(shù)的分標(biāo)題，數(shù)據(jù)行DataRow為校準(zhǔn)參數(shù)的記錄。圖9為信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件的數(shù)據(jù)集DataSet層次結(jié)構(gòu)圖，其中數(shù)據(jù)列DataColumns以相對(duì)電平準(zhǔn)確度為例。DataGrid控件是一種類似電子數(shù)據(jù)表的綁定控件，表格以表的形式顯示數(shù)據(jù)，并具有選擇、編輯、刪除和排序等功能。我們將數(shù)據(jù)集DataSet作為數(shù)據(jù)源與DataGrid控件進(jìn)行連接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)DataSet數(shù)據(jù)的顯示、編輯、刪除、排序等操作。在信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)過程中，測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在測試界面中，并自動(dòng)判斷數(shù)據(jù)是否合格。測試界面如圖10所示。

2軟件驗(yàn)證

我們通過比對(duì)手動(dòng)測量結(jié)果與自動(dòng)測量結(jié)果來驗(yàn)證軟件的正確性。式中:x1和u1分別為自動(dòng)校準(zhǔn)軟件測量數(shù)據(jù)和不確定度;x2和u2分別為手動(dòng)測量數(shù)據(jù)和不確定度;其中u1=u2=u。用自動(dòng)校準(zhǔn)軟件對(duì)頻率準(zhǔn)確度、相對(duì)電平準(zhǔn)確度、絕對(duì)電平準(zhǔn)確度、諧波、分諧波、頻率調(diào)制和幅度調(diào)制參數(shù)進(jìn)行測量，與手動(dòng)測量結(jié)果對(duì)比，各參數(shù)均滿足要求，驗(yàn)證結(jié)果滿意。

3結(jié)論

信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件已應(yīng)用于實(shí)際的計(jì)量工作，實(shí)踐證明，該軟件結(jié)構(gòu)清晰，設(shè)計(jì)合理，具有很好的兼容性和可擴(kuò)展性，涵蓋了目前計(jì)量中所有主要型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，很好地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器的自動(dòng)計(jì)量。

作者：孫靜劉晨林升韓利華梁法國邵強(qiáng)單位：河北半導(dǎo)體研究所