基于VC++和SQL Server的频谱分析仪检定/校准系统设计及实现

摘 要： 为满足频谱分析仪计量需求，研制了一套频谱仪全自动检定系统。在此简述系统组成、原理和软件总体设计架构，重点阐述基于VISA和数据库技术设计的频谱分析仪检定/校准系统“程控指令模板”和TPS测量模块遇到关键问题及解决方案。系统采取测量控制过程和程控指令分离的方法，实现了同类标准设备无须编程可替换、被检设备型号无须编程可扩充，使频谱仪检定系统具有较长生命周期。系统应用结果表明，系统设计科学、高效，测量结果准确可靠。

关键词： vc++ 6.0； 频谱分析仪； 检定； 校准

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）19?0120?04

0 引 言

目前国内外生产在用的频谱分析仪型号有几十种之多，致使频谱分析仪技术特性差异很大，因而对频谱分析仪检定效率低、工作量大的情况比较普遍。国内计量技术机构为提高本单位频谱分析仪检定效率，开发了相应的频谱分析仪检定软件[1]，但由于多种原因，多数软件为半自动模式、人机交互性差，软件交付后升级困难、新型号频谱仪无法检定等各类问题较多，软件通用性和健壮性欠佳。

开展频谱分析仪检定的主要技术依据是国家频谱分析仪检定规程（JJG 501?2000）[2]和国家军用标准 （GJB/J5859?2006）[3]。在检定规程中，以经典的超外差扫频式频谱分析仪为被检对象规定了：频率读数准确度、 校准信号准确度、扫频宽度准确度、参考电平准确度、分辨力带宽准确度、输入衰减、谐波失真、三阶交调失真等19个检定项目，这些检定项目基本涵盖了评定频谱分析仪的主要技术指标。国家军用标准对检定项目的规定与国家检定规程相似，二者对检定项目的检定方法基本相同。

开发基于测量仪器的自动测试系统，就大多数情况看从接口标准VISA和IVI中选取。虚拟仪器软件结构 VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是由VXI plug&play系统联盟定义的软件接口标准，实质就是一个标准的I/O函数库及其相关规范的总称[4]。它允许来自不同厂家的软件运行在相同的系统之下。VISA 库函数主要用于编写仪器的驱动程序，实现仪器控制完成计算机与仪器间的命令和数据传输。VISA 技术的优点是程控与硬件接口无关，缺点是测试命令与仪器相关[5]。IVI（Interchangeable Virtual Instruments，可互换性虚拟仪器）规范是在 VXI plug&play 技术上发展而来的技术。采用 IVI 驱动器的测试程序具有与仪器无关性的特点。IVI的优点是主程序简单且便于管理 ，缺点是测量仪器生产厂家不保证提供完全IVI驱动，可能需要自己编写仪器IVI驱动。

从提高软件生命力出发，如何实现硬件平台（标准设备）的可互换性和提高开发的应用软件兼容性，成为保证整个检定（校准）系统生命力和健壮性的关键。

在研发频谱分析仪全自动检定系统过程中，基于 VC++ 6.0和sql server数据库，充分利用VISA技术的优点，很好地解决了自动测试系统应用软件与仪器无关和同类仪器互换问题。

1 系统总体设计

1.1 硬件组成

系统硬件主要由矢量信号源Agilent8267D、Agilent4438C和任意波发生器Agilent33250A，矢量网络分析仪Agilent5242A、功率计Agilent1912A，程控衰减器Agilent84907K和Agilent84904K、计数器Agilent53152A、衰减器和开关驱动器Agilent11713C、微波程控开关组合（含Agilent87104D两个、Agilent87106D两个、Agilent8769K两个）、一组低通滤波器组等组成，示意图如图1所示。

1.2 工作原理

系统各设备分别加电预热后启动应用程序，操作员输入被检设备勤务信息（所属单位、联系人、电话等），自动或手动完成计量项目规划和测量参数配置，应用程序首先对系统的标准设备功率计、计数器、信号源等分别进行收—发组合自检，并将自检结果存入数据库，完成系统自检。进入检定工作程序，自动依次加载检定项目、配置测量参数和评判标准，控制系统标准和被检设备按检定规程要求依次完成测量项目检定，实时显示检定过程并存储测量结果，参照评判标准自动评判所检设备合格与否并出具相应的检定（校准）证书。

1.3 系统主要功能

进行功能设计时，参照有关计量和校准的规程和标准，硬件构建兼顾现在和未来需求，软件按照标准化、模块化的原则，优化应用软件设计，使系统具备良好的开放性、扩展性。系统具备以下主要功能：

检定项目规划功能；测量参数配置功能；标准设备和被检设备配置功能；系统标校和测量结果校正功能；数据综合处理功能；文档管理和自动生成功能；数据库及管理功能；测量过程回放功能；系统自检和报警功能。

2 软件设计

基于 VC++ 6.0软件开发平台和SQL Server 2005数据库，以虚拟仪器架构VISA作为应用软件与硬件设备之间的软件接口标准[4，6]，采用面向对象技术、多码驱动管理技术和面向信号测试模块设计方法完成应用软件设计。应用软件由应用软件平台、TPS（Test Program Set）模块和数据库及管理系统三部分组成[7]，系统兼容GPIB、LAN、RS 232等多种仪器接口总线。应用软件平台主要提供人机交互集中控制界面，负责系统勤务信息管理、计量任务（项目）规划、测量参数配置管理、TPS与软件平台接口配置管理、证书管理（生成、查询、打印）、检定信息显示回放、系统状态监视等。TPS主要负责检定过程控制、数据采集和处理、合格性判决、应用软件平台和数据库数据交换。数据库及管理系统主要负责勤务信息、计量项目规划、测量参数配置、“程控指令模板”、检定数据、判决标准等信息保存与管理。系统在计量项目规划、 参数配置、射频连接切换、 测量仪器加载、测量结果读取和保存、合格性评判、测量过程回放、证书生成等诸多功能方面均自动完成。应用程序软件具有良好的通用性和可扩充性，软件总体架构如图2所示。

2.1 勤务信息管理

此模块包括两方面的内容：用户密码管理、权限配置和被检频谱分析仪勤务信息录入，提供联系人、联系电话、地址等勤务信息输入界面，并将信息存入数据库中，为系统应用软件检索和控制被检仪器、生成检定（校准）证书等提供数据支持。

2.2 任务规划

2.2.1 项目规划和测量参数配置

将计量规程或军用标准中规定的频谱分析仪19个计量特性项目，以可编辑表格样式，将规程中“随后检定”必检项目作为默认值，供用户添加、删除项目等操作使用。每个计量项目的测量参数配置，包括标准设备和被检设备均提供了配置“模板”，供用户快速导入和修改使用。

2.2.2 程控指令、测量参数和评判标准导入

在完成计量项目规划和测量参数配置后，应用软件平台访问数据库，依据频谱仪生产厂家和型号从数据库检索并读取标准设备和被检设备相应数据表，形成可供频谱分析仪检定程控指令“模板”、测量参数“模板”和评判标准“模板”并导入TPS模块。

2.3 系统自检

信号产生和接收形成完整的检查链路，检查信号通道工作状态是否良好并评估标准设备技术状态。

2.4 TPS程序模块

2.4.1 测量过程控制

应用软件平台程序自动检索被检频谱仪及标准设备的“程控指令模板”并传递给TPS程序模块后，TPS根据检定进程，设置仪器参数和状态，完成测量过程控制、数据交换等功能。

2.4.2 数据处理和显示

对原始测量数据进行必要的甄别和数据格式变换，按照计量项目参数定义（纯数据和频谱数据）计算测量结果，由数据处理模块对检定结果数据进行处理，将测量结果送数据显示区中分别以表格、频谱图等形式显示。

2.4.3 自动结果评判

考虑到各型频谱分析仪皆有自己的评判标准，根据被检频谱分析仪的计量项目，分别建立各型频谱仪的数据库表，检定过程中自动读取相关字段值并与测量结果比较，评判结果在进程显示窗口实时显示。系统工作截图如图3所示。

2.5 数据库结构

频谱分析仪检定系统数据按管理的复杂程度分为两类：一类是相对固定的基础数据，如被检频谱仪数据和检定系统数据；另一类是持续增量的检定过程数据和检定证书数据。频谱分析仪检定系统数据库设计为两个数据库：频谱分析仪检定系统_基础库和频谱分析仪检定系统_任务库。其中频谱分析仪检定系统_基础库存储用于支持检定系统工作的基础数据，如被检频谱仪数据、检定系统标准设备数据等。频谱分析仪检定系统_任务库存储特定检定任务中产生和存储的数据，如检定任务的勤务信息、检定过程数据和证书等。频谱分析仪检定系统数据库存储在Microsoft SQL Server数据库服务器上，并以两个不同的架构存储基础数据和检定任务数据。数据库系统存储数据如图4所示。

3 关键技术问题及解决

3.1 “程控指令模板”建立

频谱分析仪生产厂家众多，不同仪器生产厂家又会给出自己定义的性能指标体系，同一生产厂家不同系列、技术上非同代频谱分析仪又有不同的技术特性，导致检测项目繁杂，方法又不尽相同，又增加了检定频谱分析仪的复杂程度[1，5]。针对现存的各型频谱仪各编制相应的检定程序，技术上不存在任何障碍，但软件效率极为低下且编程工作量大，应用软件的可移植性差、升级和生命力受到制约，为解决问题采取以下技术措施：

3.1.1 建立检定工作流程“功能性控制模板”

依据检定规程和国军标要求，针对每个计量项目整理出其计量流程，梳理出标准和被检设备分别涉及的控制，通过优化（采用自动耦合、关联、默认等手段）尽可能减少“功能性控制模板”中必须的控制节点数量，并将控制进行优先级排队。用不同厂家和不同型号的标准设备（信号源、计数器、衰减器）和被检设备进行重复验证、优化，最终建立了以功能性控制节点为主线的“功能性控制模板”。

3.1.2 建立基于VISA的频谱分析仪检定“程控指令模板”[8]

依据“功能性控制模板”所列的检定过程功能性控制节点清单，分析系统硬件基于VISA标准的软件指令集，对完成既定功能的指令进行合理地组合（指令顺序调整、指令数量加减、指令之间逻辑“与”“或”等处理），使应用软件适应不同的标准设备和被检设备且尽可能减少指令数量。对同一计量项目，更换不同厂家和不同型号标准设备和被检设备，经验证、修改建立了基于VISA可满足频谱分析仪检定系统使用的 “程控指令模板”。

3.2 基于多驱动码库管理技术和VISA的数据库及管理系统[4，9]

多驱动码库管理技术，指应用软件使用的控制设备程控指令按一定的规则分类存放在相应的数据库中，由应用程序访问数据库取得。基于Microsoft SQL Server数据库技术和VISA技术规范，本系统硬件驱动控制指令并不直接在过程控制程序（TPS模块）中出现，而是分型号存放在标准设备和被检频谱仪指令表中，指令数据表如表1所示。

应用软件平台访问数据库调用“程控指令模板”相关数据表得到本次检定需要的程控指令集，将本次计量检定用到的设备程控指令一次性导入TPS程序模块配置文件，由TPS程序模块适时动态加载程控指令，利用 VISA技术硬件接口无关的特性向仪器写入VISA测试命令，然后向仪器读取数据，完成测试。由于基于VISA的测试命令与仪器有关，仪器程控指令因仪器的不同而不同，仪器读取的测量数据数量等也有不同，需要查阅相关仪器手册以确定测试命令的格式和参数。应用软件设计的“程控指令模板”已解决了系统硬件仪器必需控制功能选择、指令格式等问题，软件系统设计上实现简单方便和统一，频谱仪应用软件可完成对各型频谱仪的测试以及测试结果存储处理等系统功能，不存在自己编写IVI驱动程序问题，从某种程度上体现IVI技术的特性，且保证被检设备能够完全兼容驱动。

在替换或升级标准设备、被检设备时，将标准设备或新型号频谱仪的相应程控指令，依据应用软件“程控指令模板”规则和说明填入设备程控指令（系统提供新建、编辑、修改、导入和导出工具），再导入数据库，检定应用软件即具备一定的“学习”能力，系统实现标准设备替换或新型号频谱仪扩充，即便将来替换标准设备或增加新型号频谱仪，检定系统无须编程实现升级扩充，其工作界面如图5所示。

4 结 语

本文介绍了基于VC++ 6.0和SQL Sever数据库软件开发平台，设计了由应用软件测试平台、TPS和数据库构成的软件体系架构，融合了VISA技术仪器驱动简单IVI技术仪器驱动易使用的特点，将VISA和数据库技术用于频谱分析仪检定系统的“程控指令模板”，结合多驱动码库管理技术，实现测量过程和程控指令相分离、应用软件与测试仪器无关可互换，解决了无须编程标准设备可替换、被检设备型号可扩充难题，提高了应用软件的可移植性和健壮性，技术上保证应用软件具有较长的生命周期。该装置已成功应用于实际检定工作，极大地提高了检定工作效率，准确性和可靠性得到了保证。应用软件设计思想和实现方法可供开发ATS等自动测试系统人员借鉴参考，对自动测试系统设计研究开发，具有一定的推动作用和推广价值。

参考文献

[1] 赵科佳，张爱敏，宁大愚.频谱分析仪自动检定/校准系统的研究[J].仪器仪表学报，2007，28（4）：85?88.

[2] 国家质量技术监督局.JJG 501?2000 频谱分析仪检定规程[S].北京：中国计量出版社，2000.

[3] 中国航天科工集团第二研究院203所.GJB/J5859?2006 宽频带频谱分析仪检定规程[S].北京：中国航天科工集团第二研究院203所，2006.

[4] Hewlett?Packard HP. Hewlett Packard HP VISA user′s guide [M]. USA： Hewlett?Packard Company， 1996.

[5] 刘严严，徐世伟，郭海帆，等.频谱分析仪自动测试技术的研究[J].国外电子测量技术，2006，25（7）：62?64.

[6] 孙鑫.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2008.

[7] 宋同根，牛岩.基于VC的无线电信号测量系统设计与实现[C]//2010国防计量与测试学术交流会论文集.北京：中国宇航学会计量与测试专业委员会，2010：82?85.

[8] Agilent Technologies. Agilent PSA series spectrum analyzers user′s and programmer′s reference [M]. Malaysia： Agilent Corporation， 2005.

[9] 姚国英，任伟，高翔.基于LabVIEW平台和GPIB总线的数字多用表及多功能源自动检定系统[J].计量技术，2003（12）：53?55.