摘? 要: 在進行基于GPIB總線接口的無線電信號監(jiān)測軟件的設(shè)計中,利用C++設(shè)計了GPIB接口卡,以增強系統(tǒng)對硬件接口的適應(yīng)性和擴展性。

　　關(guān)鍵詞: GPIB總線? 短波監(jiān)測? 接收機? 線程

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　　隨著通信技術(shù)的發(fā)展,無線電資源作為公共資源的一種,需要國家有關(guān)部門對其進行有效的分配和監(jiān)控。設(shè)計界面友好、運行穩(wěn)定、實時反應(yīng)迅速的監(jiān)測軟件是對無線電資源進行有效配置的重要環(huán)節(jié),也是國家和公眾信息安全保障的重要環(huán)節(jié)。本文以Rohde-Schwarz公司的ESVN40作為頻譜監(jiān)測接收機來進行無線電監(jiān)測軟件的設(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。

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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作為一種標準總線形式,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。

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　　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)。當監(jiān)測到儀器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)準備好,且狀態(tài)寄存器標識為有效后,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。

　　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GPIB卡出錯!錯誤號:ibsta=

　　　　　　　　　　　　　　　0x%x iberr=%d\n″,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類中向儀器寫字符串的方法主要用于完成從控制計算機向儀器發(fā)送控制字符串的功能,可以用異步或者同步方式進行傳送。在寫之前,要對超時進行合理的設(shè)置。通常,如果字符串較長,可以把超時設(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( ));

　　　　　　　　　　　　　　　//異步寫字符串到儀器

　　ibwait(m_dev,0x4100);　　　//等待寫操作完成

　　ibwait(m_dev,0x0000);　　　//讀出GPIB的狀態(tài)

　　if(ibsta & ERR)

　　{

????????????? return FALSE;

　　}

　　return ibcntl;

　　}

　?、蹚膬x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)中讀入一個字節(jié)。該方法對于讀取儀器的狀態(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量結(jié)果。對于ESVN40而言,預(yù)期返回數(shù)據(jù)的長度與實際返回的數(shù)據(jù)長度是有差別的。在設(shè)定預(yù)期返回數(shù)據(jù)長度時,應(yīng)該盡量設(shè)置得大一些,以保證每次測量數(shù)據(jù)不被認為丟失。對于超時參數(shù)的設(shè)置,與寫操作的原則是相同的。該方法的實現(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;

　　}

　?、蓐P(guān)閉儀器的方法主要用于將儀器置為本地測量方式,同時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? 程序運行界面

　　該系統(tǒng)可以進行無線電信號的監(jiān)測,其中包括某個頻點的電平、調(diào)整深度、頻率補償和頻率偏移等。此外,系統(tǒng)還能對單頻點的頻譜進行分析,對給定的頻段進行信號掃描。在實際應(yīng)用中,采用雙線程的工作機理,可以很大程度地提高數(shù)據(jù)采集的速度。系統(tǒng)對信號進行頻率掃描時的運行界面如圖4所示。在界面中,由于ESVN40只是返回掃描駐點的電平值,因此在軟件中對該掃描功能進行了擴充。在界面上只要設(shè)定一個電平閾值(用戶可以認為超過該閾值的電平,可能存在信道占用)和一個用戶認為每個信道應(yīng)該占用的最大帶寬或法定的最大帶寬,則通過軟件設(shè)計對采樣的樣本進行分析后,可以對占用信道的中心頻點進行初步定位。用戶根據(jù)在測量結(jié)果表中顯示的值,可以進一步分析該中心頻點的頻譜或測量其他的調(diào)制特征值?？梢?通過虛擬儀器的思想,將軟硬件結(jié)合使用,可以極大地擴充硬件的功能。

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4? 結(jié)束語

　　在系統(tǒng)的開發(fā)中,采用了C++中類的思想,使得系統(tǒng)具備了良好的擴展性,對于不同的儀器接口方式,可以最大限度地利用已開發(fā)的代碼段。同時,也增強了系統(tǒng)的可維護性,在實際應(yīng)用中取得了不錯的效果。在采用了雙線程工作機制后,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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參考文獻

1?NI Corp.NI-488.2 User Manual for Windows.1999

2?NI Corp.NI-488.2 Function Reference Manual for?Windows.1999

3?ROHDE&SCHWARZ Corp.ESVN40 Operating Manual. 1999

4?Lippman S B,Lajoie J.C++ Primer,Third Edition.Prentice　Hall Inc,1998

5 國家無線電監(jiān)測中心.頻譜監(jiān)測手冊.1997