基于GPIB总线的虚拟频谱仪设计
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引言
频谱仪是测量电磁干扰频谱的一种设备。在测试项目中，单一的利用频谱仪有很多弊端，如数据无法快速保存，频谱图无法提取,人机界面不够友好等,因此，本文决定用虚拟仪器的概念来进行系统设计。虚拟仪器是指在以计算机为硬件的平台上，利用显示屏上的虚拟面板来模拟传统仪器的控制面板,利用鼠标、键盘来操作仪器，从而完成特定测试的计算机系统。此系统利用GPIB卡实现PC机与频谱仪之间的通信。GPIB卡是一种比较成熟的总线，即IEEE488总线，它是一种并行的外总线。当用GPIB标准建立一个由计算机控制的测试系统时，不需要再加一大堆复杂的控制电路。GPIB系统以机架叠式智能仪器为主要器件，构成开放式的积木测试系统。因此,GPIB总线是当前工业上应用最广泛的通信总线之一。
1 GPIB总线
1.1 GPIB总线的使用约定
GPIB的数据传输速率一般能达到250kB/s〜500kB/s,最高可达8m/s；连接在总线上的设备（包括作为主控器的微型机）W15个;设备间的最大距离<20m；整个系统的电缆总长度<220m,若电缆的长度超过220m,则会因延时而改变定时关系，从而造成工作的不可靠。这种情况应加调制解调器。所有的交换都必须是数字化的。总线规定使用24线的组合插头，并且采用负逻辑，即用小于+0.8V的电平表示逻辑“1”,用大于2V的电平表示逻辑“0”。利用GPIB总线可将微型计算机和其他若干设备连接在一起。连接时，既可以釆用串行连接，也可以釆用星形连接。
1.2 GPIB端口介绍
GPIP总线连接器的端排列见图1,其接口线由16条信号线和8条接地线组成。这16条信号线是各仪器装置信号传送的唯一通路。
GPIB接口总线的16条信号线可分为三类，这16条线由数据线、握手线和接口管理线组成。
GPIB的数据线共8条，为8位DIO1—DI08的双向总线，用于接口上传递器件与器件间的信息。一般情况下使用7位的ASCII码，若有需要，剩下的一位可以当同位码使用。该8条线传递的信息包括插件接口指令、地址及与器件有关的数据等。
GPIB的握手线有3条(DAV,NRFD,NDAC),此3条线用以协调总线上从讲者至听者的数据流动，可以确保数据传输无误。
其余的是接口管理线有5条，专门负责监视与管理总线的运作，使信息能有序的流通，现将这5条线说明如下：
ATN(Attention)是监视线。在总线控制器的驱动下，使用ATN的不同状态能对数据总线上的信息做出解释和响应；
IFCdnterfaceclear)是接口清零线。此线由系统控制者用来对总线上的所有运作(包括所有讲者，接收者)进行査询；
REN(RemoteEnable)为远程遥控使能控线。此线由系统控者控制，可用来使总线上的各装置进入远程使能；
SRQ(ServiceRequest)为服务请求线。用来指出某个器件请求控制器的服务；
EOICEndorIdentify)是结束或识别线。
1.3 Agilent 82350BGPIB卡
Agilent 82350B是适用于Windows的高性能PCIGPIB接口，它可将PCI总线和GPIB总线上的传输相互转换。其缓冲可提供直接存储器访问(DMA)的I/O和系统性能。为实现容易的硬件安装,其硬件可由软件配置，并与即插即用标准兼容。该GPIB接口卡一般可插入PC底板的5VPCI插槽中。
2 系统组成
2.1 硬件结构
本系统主要由天线前端、N16009数据采集卡、外部触发器.HP8951E频谱仪.GPIB卡及PC机组成。
首先,利用数据釆集卡可对频谱仪的功能进行补充，使其满足设计要求，并大幅度提高采样点数量。其次利用GPIB卡可实现频谱仪和PC机之间的数据交换,GPIB卡是Agilent公司生产的一种用于频谱仪和PC机之间数据通信的高性能卡，在Agilent公司提供的VASA与DAQmx中提供有对GPIB设备的控制程序库，直接调用库中的函数，即可以实现对GPIB设备的控制，同时实现底层频谱仪和PC机之间的通信。其硬件结构图如图2所示。
2.2 软件结构
系统软件以LabWindows/CVI为平台编写。LabWindows/CVI是NI公司推出的交互式C语言开发平台。LabWindows/CVI将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数可以大大增强C语言的功能，为熟悉C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。系统软件框架如图3所示。
软件系统由参数设置模块、数据采集模块、底层控制模块、数据处理模块、报表模块和主界面模块组成。其需要实现的功能有项目的管理，项目参数、频谱仪参数的设定与传送，频谱仪、采集卡的控制，釆集数据的处理、显示及保存。图4所示是一个测试项目的程序流程图。
2.3 VISA介绍
VISACVirtualInstrumentationSoftwareArchi-tecture）是虚拟仪器软件结构的缩写，是VPP系统联盟制定的I/O接口软件标准及其相关规范的总称。VISA为虚拟仪器提供了标准化的I/O接口软件规范。它驻留在计算机系统中，可用来处理仪器与控制程序之间的通信，是计算机与仪器之间的软件层连接,VISA库可为用户提供简捷的函数接口，以实现对仪器的控制。VISA控制仪器的一般流程见图5所示。
从图5可以看出，用VISA控制仪器的第一步就是启动VISA。即用VISA的viOpenDefaultRM功能对VISA系统进行初始化和起动。viOpenDefaul-tRM功能必须在调用其他VISA功能之前执行，该功能的参数是起动信息；
第二步为连接，即通过VISA的viOpen功能进行与规定仪器的连接,viOpen功能返回某个值，可使得VISA功能应用于规定仪器，这个功能的参数是起动信息、规定仪器的地址信息；
第三步为通信，VISA的viPrintf以一定的字符串格式转换、格式化、发送命令参数给制定的仪器会话;VISA的viQuery函数则可向仪器发送一定字符串命令,随后从仪器的输出队列读取数据；
第四步是断开，即通过VISA的viClose功能将通信中断并使VISA系统终结。
3 系统测试
通过GPIB卡构建的虚拟频谱仪测试效果如图6所示。
与传统的频谱仪直接扫描相比，虚拟频谱仪具有以下几个优点:
(1) 具有更高的采样率，可使频谱图的数据点大大增加，从而可以绘制出更精确地频谱图；
(2) 具有强大的数据处理能力，可以结合VC++ 对数据进行进一步的处理，从而得到满足用户要求的图形。
(3) 增加了频谱仪测量功能，如图6中，频谱的测量采用最大轨迹保持方式，可以测量出一段时间内干扰的频率及最大值。此外，通过其干扰的空间分布，还可以快速确定干扰的位置及频率。
4 结论
通过GPIB总线构建的虚拟频谱仪可以建立快速、高效的干扰频谱测试系统。且其人机界面更加友好，测试功能更为强大，用户还能根据需求设置虚拟频谱仪操作界面和附加功能，以便快速、方便、准确的完成测试任务。
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