基于VISA-COM的網絡分析儀遠程測試平臺設計

文常保， 姜燕妮， 楊 窕， 李演明， 巨永鋒

(長安大學 電子與控制工程學院 微納電子研究所， 陜西 西安 710064)

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基于VISA-COM的網絡分析儀遠程測試平臺設計

文常保， 姜燕妮， 楊 窕， 李演明， 巨永鋒

(長安大學 電子與控制工程學院 微納電子研究所， 陜西 西安 710064)

針對網絡分析儀遠程測試的局限及實驗教學遠程測試的需求問題，提出了一種基于VISA-COM的網絡分析儀遠程測試平臺，包括預處理模塊、實驗測試模塊以及生成文件模塊。通過LAN通信接口設備，搭建VISA-COM函數庫的PC機發送SCPI遠程程序控制指令，從而控制網絡分析儀完成儀器測量過程。以中心頻率為101.764 MHz的聲表面波器件的遠程測試為例，對網絡分析儀遠程測試平臺的可行性進行了驗證。結果表明,該網絡分析儀遠程測試平臺可實現網絡分析儀的遠程連接、校準、測量分析與數據和圖像的遠程保存。此外，該遠程測試平臺還實現了對測試對象的標記分析、極限分析和比較分析。

VISA-COM； LAN通信接口； 遠程測試平臺； 聲表面波器件

0 引 言

網絡分析儀能夠在寬頻帶范圍內對反射系數、電壓駐波比、衰減、相移和群延時等傳輸參數以及隔離度和定向度等參數進行測量[1-2]，因此，在射頻、微波等測試領域得到了廣泛應用。

然而，由于網絡分析儀功能強大且精度高所以價格相對昂貴，測試環境要求也比較苛刻，使其應用范圍和場合受到了很大的局限[3-5]。同時，隨著信息技術的飛速發展，以及實驗、研究人員對于遠程測試需求的不斷增加，實現網絡分析儀的遠程測試對于實踐教學和科學研究來說都具有十分重要的意義[6-11]。

結合組件對象模型的虛擬儀器軟件體系結構(Virtual Instrument Software Architecture-Component Object Model,VISA-COM)是一種利用所包含的豐富接口協議來解決多種儀器間通信的新興技術[12-13]。這種技術將可編程儀器的(Standard Commands for Programmable Instruments,SCPI)標準命令與儀器通信總線連接，實現對儀器的程序控制。同時，VISA-COM可以同時支持C++、VB、Java、Delphi等多種高級語言開發，具有較強的移植性、可擴性和兼容性。因此，被包括HP、Tektronix、Fluke、NI、Philips、Agilent和Wavetek等多家世界著名儀器廠家應用到儀器總線的程序控制方面[14-15]。

正是基于網絡分析儀遠程測試的需要，以及VISA-COM可以通過LAN接口通信設備進行遠程程控的特點，將VISA-COM技術應用于網絡分析儀的遠程測試成為可能。本文結合SCPI程序控制命令，在Agilent E5062A網絡分析儀上設計并實現了一種基于VISA-COM的網絡分析儀遠程測試平臺。

1 網絡分析儀遠程測試平臺結構

網絡分析儀遠程測試平臺主要包括預處理模塊、測試模塊和生成文件模塊。測試平臺上的遠程用戶端通過LAN接口設備與實驗室儀器端進行數據通信。測試人員通過調用包含三大模塊的主程序控制網絡分析儀完成對待測器件DUT(Device Under Test)的相關實驗過程。其遠程測試平臺結構圖如圖1所示。

圖1 遠程測試平臺結構圖

預處理模塊用來實現測試平臺與網絡分析儀的連接，是開始測試實驗前必要進行的初始化工作。其主要功能包括：遠程用戶端PC機登錄填寫個人信息、登錄界面；完成與實驗室儀器端網絡分析儀的設備連接；對所連接的儀器進行測量校準。其中，PC機與網絡分析儀設備連接成功是遠程測試平臺建立并實現測試的前提，并且，對網絡分析儀進行測量校準是保準測試結果準確的必要步驟。

測試模塊是遠程測試平臺的核心部分。主要功能包括測量設置及測試實驗兩大部分。測量設置包括系統重置按鍵及對測量中需要設定的S參數、測量項目類型、中心頻率、帶寬、掃描功率范圍和中頻帶寬共7個參數進行設置，系統重置將測量儀器參數初始化，恢復到儀器默認值，參數設置是根據不同測試要求完成對測量儀器的參數設定。測試實驗設計完成不同的實驗項目，如對DUT進行的頻率響應特性實驗和史密斯阻抗特性測量實驗等。

測量參數中，S參數是用于評估遠程測試平臺上的雙端口器件發射信號和傳送信號的性能參數，包括S11、S21、S12、S22共4個散射參量。S11為網絡分析儀端口2匹配時，端口1的反射系數；S21為端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數；S12為端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數；S22為端口1匹配時，端口2的反射系數。4個S參數對雙端口器件的傳輸和反射特性給出清晰的物理解釋，對應的散射矩陣為:

式中:a1、a2分別為網絡分析儀端口1、端口2的出射波信號;b1、b2是經過雙端口器件傳輸和反射后端口1、端口2的入射波信號。

生成文件模塊的主要功能是完成對測試結果圖像的顯示、測試數據的存儲以及測量文件的保存和導出。測試人員可從文件中選擇所需要的數據完成對實驗報告的撰寫或對實驗結果進行進一步處理和分析。

2 基于VISA-COM的遠程測試平臺設計

遠程用戶端上搭建的網絡分析儀遠程測試平臺可以自助運行，測試人員在友好的平臺界面下通過點擊鼠標完成網絡分析儀的連接、測試，及對實驗數據及圖像文件進行保存及導出。

2.1 預處理模塊設計

預處理模塊完成平臺初始登錄界面顯示及與程控儀器的設備連接功能，包括客戶端登錄(CL)、設備連接(IC)及測量校準(MC)三部分，如圖2所示。

測試人員登錄遠程測試平臺，首先需進行設備連接，建立網絡分析儀與PC機的通信通道。對設備連接部分的設計流程為首先定義設備類型，建立資源管理器以及初始化。其次發送相應的SCPI命令，建立通信通道，連接成功，退出，否則提示連接出錯。設備連接部分的關鍵代碼實例如下：

W = Combo1.ListIndex

If W = 0 Then

Set Age506x.IO = ioMgr.Open("TCPIP::192.168.1.66::inst0::INSTR")

ElseIf Len(Combo1.Text) Then

hosthome = Combo1.Text

Set Age506x.IO = ioMgr.Open("hosthome")

End If

圖2 預處理模塊結構圖

測試校準部分的設計包括校準類型、校準套件及保存狀態，如圖2所示。校準類型囊括了網絡分析儀所有的校準方式。校準套件設置采用組合控件，包括了85032F及85033E兩種常用的校準套件。保存狀態保存校準后的狀態，設置了保存類型及保存路徑，測試人員可直接調用已保存的狀態，免除重復校準的繁瑣過程。測量校準部分設計程序采用調用子函數的方式進行，子函數包括了開路校準、短路校準、傳輸校準等多個校準類型。開路校準子函數關鍵部分程序設計如下：

Sub Cal_Open(Port As String)

Dim Dummy As Variant

Age506x.WriteString":SENS1:CORR:COLL:METH:OPEN " & Port & vbLf, True

MsgBox "Set OPEN to Port " & Port & ". Then click [OK] button"

Age506x.WriteString":SENS1:CORR:COLL:OPEN " & Port & vbLf, True

Age506x.WriteString "*OPC?" & vbLf, True

Dummy = Age506x.ReadString

Call ErrorCheck

End Sub

2.2 測試模塊及生成文件模塊設計

測試模塊是網絡分析儀遠程測試平臺的重要組成部分，對測量參數設置的設計采用組合框設計方法，不僅可以選定預先設定的數據，而且可以自主輸入數值。

測試實驗的類型包括幅頻、相頻和阻抗三大類型實驗，幅頻實驗選擇控件為“Log Mag”，相頻實驗選擇控件包括“Phase”和“Group Delay”，阻抗實驗選擇控件有“mith-Lin/Phase”“Smith-Log/Phase”“Smith-Real/Imag”“Smith-R+jX”及“Smith-G+jB”5個實驗類型。測試模塊及生成文件模塊的設計流程如圖3所示。

圖3 測試及生成文件模塊設計流程圖

對測量設置部分的設計是首先定義所需變量，然后用條件語句來判斷用戶設置和輸入的數據，將輸入的數據保存復制于一個已定義的變量，如StartVal，將其與SCPI控制命令結合控制網絡分析儀進行參數設置。默認參數的設置編程主要代碼如下：

Age506x.WriteString"SENS1:BAND 30000", True

Age506x.WriteString":SENS1:SWE:POIN 400", True

Age506x.WriteString":CALC1:FORM MLOG", True

Age506x.WriteString":SENS1:FREQ:CENT " + StartVal, True

Age506x.WriteString":CALC1:PAR1:DEF S21", True

Age506x.WriteString":SOUR1:POW:ATT 0", True

Age506x.WriteString":SENS1:FREQ:SPAN " + StartVal, True

測試實驗及生成文件設計部分主要通過計算機向網絡分析儀發送SCPI命令，遠程控制網絡分析儀完成相應的幅頻、相頻及阻抗實驗，并且對測量結果進行標記、極限分析及比較分析，最后將測量數據和圖片等進行顯示和保存。關鍵代碼如下：

Age506x.WriteString":SENS1:FREQ:DATA?"，True

FreqData=Age506x.ReadIEEEBlock(BinaryType_R8，False，True)

Age506x.WriteString":CALC1:DATA:FDAT?", True

ReadData=Age506x.ReadIEEEBlock(BinaryType_R8 False, True)

3 平臺測試及結果分析

為了驗證網絡分析儀遠程測試平臺的可行性，以一種中心頻率為101.764 MHz的聲表面波器件的遠程測試實驗為例進行說明。

遠程用戶端登錄該測試平臺后，首先進行設備連接，即將網絡分析儀的IP地址與PC機進行連接，完成設備連接運行界面及連接成功提示界面如圖4所示。

對實驗室儀器端網絡分析儀的遠程校準主要完成校準類型、校準套件、校準端口的選擇及校準狀態的保存。測試中選擇85032F校準套件進行雙端口校準。雙端口校準對測量儀器端口1和端口2分別進行開路校準、短路校準、負載校準以及傳輸校準，減少儀器測量誤差。依據遠程測試平臺提示，測試人員逐步完成對儀器的校準過程。遠程測試平臺完成校準過程的測試圖如圖5所示。

圖4 設備連接運行及連接成功提示界面

圖5 校準運行界面圖

對聲表面波器件的幅頻、相頻及阻抗三大測量類型中，選擇完成對聲表面波器件的幅頻傳輸特性S21進行測試。將聲表面波器件接入網絡分析儀測試端口，首先完成測量參數的設置，運行界面如圖6所示。

圖6 測量參數設置運行界面圖

點擊OK，遠程測試平臺進行實驗，同時測量結果圖形及數據會實時動態顯示在PC機屏幕上，如圖7所示。

圖7 遠程測試平臺測試圖

聲表面波器件的傳輸特性在中心頻率101.764 MHz時損耗最小，測試人員可以設置保存類型及保存路徑，點擊Save按鍵，從而對測量結果進行保存，方便進一步實驗分析，如圖8所示。數據處理是對在不同頻率下掃描點的聲表面波器件各項參數的響應值進行輸出顯示、保存、傳輸。如圖9所示，測量數據以Excel列表形式顯示，輸入保存文件名及保存路徑，測量數據保存。

圖8 幅頻傳輸特性測量界面

圖9 測試數據顯示保存運行界面

利用該遠程測試平臺，可以對測量的結果進行分析，包括標記分析、極限分析及比較分析。通過點擊遠程測試平臺相應菜單及按鍵，完成對聲表面波器件的測量結果分析。

測試人員可以通過標記分析對聲表面波器件測量功率范圍內的任意一點進行標記計算，在Frequency處輸入頻率，點擊Maker按鍵，就會顯示相應頻率處的響應值，多次輸入會累積頻率和響應值，如圖10所示。添加導出路徑，可通過Export按鍵將多次標記結果導出保存。

圖10 標記分析運行界面

在極限分析運行框內輸入對應值，完成對聲表面波器件傳輸特性的鑒定，對損耗過大的聲表面波器件進行篩選，并對沒通過極限測試的掃描點進行導出保存，如圖11所示。對聲表面波器件的比較分析是對不同測量類型的實驗進行結果比較，單窗口分析更易觀察每一頻率點處傳輸損耗與對應S11反射損耗值。由圖12可以看出，聲表面器件中心頻率點處反射損耗最大，值為-72.36 dB，此時傳輸損耗最小，值為-27.532 dB。

圖11 極限分析運行界面

圖12 比較分析單窗口運行界面

4 結 語

本文開發了一種應用于Agilent E5062A網絡分析儀的遠程測試平臺。通過網絡分析儀遠程測試平臺將網絡分析儀硬件資源與PC機軟件資源進行有效結合，實現了網絡信息時代遠程仿真、測試以及實驗數據保存一體化過程，減少了測試工作量，降低了實驗成本。遠程測試平臺可進一步完善應用于其他實驗項目，為教學及研究提供更加高效、便利的信息化平臺。

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Remote Measurement Platform of Network Analyzer Based on VISA-COM

WENChang-bao,JIANGYan-ni,YANGTiao,LIYan-ming,JUYong-feng

(Institute of Micro-nanoelectronics, School of Electronics and Control Engineering, Chang’an University，Xi’an 710064， China)

In order to solve the limitation of remote measurement on network analyzer and the demand of remote measurement problems in experimental teaching, a remote measurement platform of network analyzer based on VISA-COM is proposed. There are three functional modules in the remote measurement platform which are the pretreatment module, the testing module and the file generated module. The PC with VISA-COM library sends SCPI remote program control order to control the experiments of network analyzer via to the LAN communication interface equipment. A remote measurement of SAW device with the center frequency of 101.764 MHz is experimented to verify the feasibility of platform. The experimental results confirm that the remote network platform can realize the remote connection of network analyzer, the calibration, the measurement analysis and the remote storage of data and images. Furthermore, the remote measurement platform completes the marker analysis of the measuring object, the limit analysis and the comparative analysis.

VISA-COM; LAN communication interface; remote measurement platform; surface acoustic wave (SAW) device

2016-01-20

國家自然科學基金資助項目(60806043)；陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2015JM6271)；陜西高等教育教學改革研究項目(15BY23)。

文常保(1976-)，男，山西運城人，博士/博士后，教授，主要從事真空微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究。

Tel.：15902962067； E-mail：estlab@chd.edu.cn

TP 391; G 311; TN 65

A

1006-7167(2016)09-0054-05