基于C#的瞬時(shí)測頻一鍵式多套并行編碼平臺(tái)設(shè)計(jì)

李 洋，王兆麒，譚 杰

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

瞬時(shí)測頻技術(shù)可用于偵察敵方雷達(dá)載波頻率或測量頻率，在電子戰(zhàn)中具有重要意義。根據(jù)機(jī)理的不同，可將其分為模擬測頻和數(shù)字測頻兩種[1]。模擬測頻將信號(hào)的頻率信息轉(zhuǎn)換成幅度信息，然后通過對(duì)幅度信息的測量獲得頻率信息，其關(guān)鍵在于編碼電路；數(shù)字測頻將信號(hào)通過采樣變成數(shù)字信息，然后通過數(shù)字的運(yùn)算獲得頻率信息，其關(guān)鍵在于采樣量化電路及測頻算法[2,3]。傳統(tǒng)瞬時(shí)測頻系統(tǒng)由放大器、鑒相器、編碼器組成，多采用自相關(guān)技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是瞬時(shí)性能好，缺點(diǎn)是測頻精度不夠高。數(shù)字瞬時(shí)測頻系統(tǒng)利用高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）以及數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力和分析能力，再輔以適當(dāng)算法，可實(shí)現(xiàn)更高的測頻精度[4]。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，某類瞬時(shí)測頻產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)是利用不同長度的電纜對(duì)射頻輸入信號(hào)進(jìn)行延遲處理，產(chǎn)生多對(duì)正余弦信號(hào)，然后通過電阻環(huán)、比較器或ADC芯片采樣量化配合FPGA芯片進(jìn)行編碼。編碼數(shù)據(jù)作為頻率表的尋址地址，將對(duì)應(yīng)頻率碼存放于頻率表，然后將頻率表固化至產(chǎn)品中，測頻時(shí)以查表方式獲取頻率值，通過此方法可實(shí)現(xiàn)快速測頻[5,6]。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用需求，為減小環(huán)境溫度對(duì)部分產(chǎn)品測頻精度的影響，還需在不同溫度下通過編碼獲得不同頻率表，按照溫度分區(qū)查表測頻。傳統(tǒng)的編碼平臺(tái)每次只能對(duì)單套產(chǎn)品進(jìn)行編碼，需手動(dòng)對(duì)軟件和儀器進(jìn)行反復(fù)操作，生產(chǎn)效率低、周期長且大量耗費(fèi)人力，無法滿足批量的科研生產(chǎn)需要[7]。因此，在保障產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多套并行自動(dòng)編碼平臺(tái)和軟件是非常必要的。

1 方案設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)通過通用并行接口總線（General-Purpose Interface Bus，GPIB）與電源、信號(hào)源、頻譜儀進(jìn)行連接，采用I/O96卡與產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[8]。在編碼過程中，先使用GPIB控制信號(hào)源和頻譜儀完成輸入端插損測試，然后控制電源完成產(chǎn)品上電，同時(shí)控制信號(hào)源輸出所需信號(hào)并通過信號(hào)功分器到達(dá)產(chǎn)品射頻接收端口，再通過I/O96接口將多套產(chǎn)品輸出數(shù)據(jù)幀報(bào)送至上位機(jī)軟件中。完成全部指定工作頻點(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)后，上位機(jī)軟件控制電源自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品斷電，從而完成編碼過程，整個(gè)編碼過程為一鍵式自動(dòng)運(yùn)行。上位機(jī)軟件保存接收數(shù)據(jù)并校驗(yàn)、處理，生成與產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的頻率表，將此頻率表固化至瞬時(shí)測頻產(chǎn)品即可實(shí)現(xiàn)快速測頻。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

一鍵式多套并行編碼平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)主要由計(jì)算機(jī)（含上位機(jī)軟件）、程控直流電源、信號(hào)源、頻譜儀、GPIB總線、I/O96卡、加電通信電纜以及信號(hào)功分器等組成。其中直流電源根據(jù)瞬時(shí)測頻產(chǎn)品工作電壓、功耗，可使用Itech、Keysight等常見品牌；信號(hào)源根據(jù)編碼平臺(tái)信號(hào)工作頻率、調(diào)制參數(shù)需求，可使用Agilent、Anritsu以及Rohde&Schwarz等常見品牌；頻譜儀根據(jù)產(chǎn)品工作頻段，可使用Agilent、Anritsu等常見品牌；加電通信電纜需根據(jù)產(chǎn)品接口關(guān)系特性進(jìn)行定制；信號(hào)功分組件根據(jù)瞬時(shí)測頻產(chǎn)品工作頻段及并行數(shù)量，可選擇2功分、4功分、8功分等[9]。

瞬時(shí)測頻編碼過程中，使用上位機(jī)軟件對(duì)儀器進(jìn)行初始化，然后通過GPIB總線控制信號(hào)源和頻譜儀根據(jù)編碼工作頻點(diǎn)等參數(shù)對(duì)輸入的射頻電纜及信號(hào)功分器的插損進(jìn)行測試并保存為插損文件。按照實(shí)際并行編碼產(chǎn)品套數(shù)設(shè)置電源的輸出電壓及限流值后，使用上位機(jī)軟件通過GPIB總線控制開啟電源為產(chǎn)品供電，然后根據(jù)指標(biāo)需求及測得插損信息控制信號(hào)源輸出既定參數(shù)、頻率的射頻信號(hào)，通過信號(hào)功分器將信號(hào)同時(shí)輸入至各套產(chǎn)品射頻接收端口。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理、編碼生成對(duì)應(yīng)工作頻率的編碼數(shù)據(jù)，通過定制通信電纜傳輸，經(jīng)由軟件控制I/O96卡采集多套產(chǎn)品所輸出的數(shù)據(jù)幀，并實(shí)時(shí)并行上報(bào)至上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在整個(gè)工作頻段編碼完成后，上位機(jī)軟件通過GPIB總線控制直流電源斷電，然后對(duì)采集的多套編碼數(shù)據(jù)表進(jìn)行單調(diào)性校驗(yàn)后生成相應(yīng)頻率表。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一鍵式多套并行編碼平臺(tái)的核心部分是上位機(jī)軟件，軟件開發(fā)環(huán)境選擇的是Microsoft Visual Studio 2010，控件庫較完善且與微軟系統(tǒng)有較好的兼容性。開發(fā)語言選擇C#，靈活高效[10]。在上位機(jī)軟件進(jìn)行自動(dòng)測試前，需要對(duì)I/O96卡、信號(hào)源、電源以及頻譜儀等儀器進(jìn)行初始化。按照實(shí)際需求對(duì)需要編碼的瞬時(shí)測頻產(chǎn)品數(shù)量及產(chǎn)品編號(hào)信息進(jìn)行配置，并選擇數(shù)據(jù)表保存路徑。編碼過程中，軟件自動(dòng)讀取設(shè)置的產(chǎn)品信息，采集的編碼數(shù)據(jù)和生成的頻率表會(huì)自動(dòng)按照設(shè)定的編號(hào)命名并按照指定路徑保存。為了靈活應(yīng)對(duì)不同參數(shù)的瞬時(shí)測頻產(chǎn)品，上位機(jī)軟件界面上有信號(hào)參數(shù)配置模塊，可以根據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)要求對(duì)射頻信號(hào)的工作頻段、頻率步進(jìn)、信號(hào)幅度、調(diào)制參數(shù)等進(jìn)行配置，控制信號(hào)源自動(dòng)輸出信號(hào)。

為保證射頻接收端口的輸入信號(hào)能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，需考慮輸入的射頻電纜及信號(hào)功分器的插損，因此設(shè)計(jì)插損測試模塊，包括配置界面和數(shù)據(jù)顯示界面。在配置界面，可配置信號(hào)源工作頻段、頻率步進(jìn)、信號(hào)幅度、頻譜儀參考電平等參數(shù)，根據(jù)使用需求進(jìn)行插損測試；在數(shù)據(jù)顯示界面，同步測試結(jié)果并實(shí)時(shí)顯示測試頻點(diǎn)與測得插損值。輸入插損測試完成后，測得數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存在上位機(jī)軟件工程配置文件夾中，在瞬時(shí)測頻產(chǎn)品編碼過程中自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)插損文件。

編碼模塊主要是控制儀器和產(chǎn)品的狀態(tài)，通過I/O96卡讀取產(chǎn)品回傳的編碼數(shù)據(jù)并保存。點(diǎn)擊開始后，軟件自動(dòng)加載產(chǎn)品信息參數(shù)、編碼信號(hào)參數(shù)及插損參數(shù)，按照加載信息設(shè)置信號(hào)源依次輸出既定幅度、調(diào)制參數(shù)的頻點(diǎn)，同時(shí)讀取I/O96卡采集的多套產(chǎn)品并行上報(bào)的編碼數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并記錄。上位機(jī)軟件編碼流程如圖1所示。整個(gè)編碼過程為全自動(dòng)運(yùn)行，邏輯層次分明，能夠確保每套產(chǎn)品每個(gè)頻點(diǎn)編碼、數(shù)據(jù)保存的完整性，高效可靠地完成瞬時(shí)測頻產(chǎn)品多套并行編碼。

圖1 編碼流程

此外，設(shè)計(jì)頻率表生成模塊。上位機(jī)軟件在自動(dòng)編碼過程完成后，通過頻率表生成模塊對(duì)每套產(chǎn)品采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并按照瞬時(shí)測頻產(chǎn)品延遲線特性依次對(duì)每套產(chǎn)品進(jìn)行單調(diào)性檢查，檢查完成后再對(duì)采集的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換生成地址碼，最后將頻率值寫入相應(yīng)地址形成頻率表[11]。

4 結(jié)果分析

為驗(yàn)證編碼平臺(tái)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，隨機(jī)抽取10件某類瞬時(shí)測頻產(chǎn)品作為驗(yàn)證對(duì)象。在相同的儀器環(huán)境下，分別按照2件、3件、5件為一組使用平臺(tái)進(jìn)行一鍵式并行多套編碼。與手動(dòng)單套編碼生成的頻率表進(jìn)行對(duì)比，其碼表一致率為98.3%以上。將使用兩種方式編碼所得頻率表固化至產(chǎn)品進(jìn)行頻率測試，測得頻率準(zhǔn)確度皆滿足要求。經(jīng)驗(yàn)證，使用一鍵式并行多套編碼平臺(tái)可滿足某類瞬時(shí)測頻產(chǎn)品生成質(zhì)量要求，同時(shí)大大縮短生產(chǎn)周期，顯著提高生產(chǎn)效率，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié) 論

基于C#高級(jí)編程語言與Visual Studio 2010編譯環(huán)境開發(fā)一鍵式并行多套編碼平臺(tái)，采用積木式架構(gòu)并依托GPIB及I/O96卡搭建硬件平臺(tái)，結(jié)合上位機(jī)編碼軟件實(shí)現(xiàn)了多套類瞬時(shí)測頻產(chǎn)品并行全自動(dòng)編碼，用戶界面簡潔、友好，降低了操作難度，有效縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，滿足瞬時(shí)測頻產(chǎn)品批量生產(chǎn)需求。本平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留了部分功能開發(fā)接口，具備良好的可配置性和可拓展性，可為其他類似產(chǎn)品的軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)提供一定的參考。