第四章功率分析儀軟件設(shè)計

4.1軟件設(shè)計框架

如下圖4-1所示，其中SED1335是圖形液晶顯示控制器，它集成在液晶顯示屏幕電路中，提供獨立的顯示控制字，可用單片機對其進行控制，單片機通過SED1335將數(shù)據(jù)送到LCD顯示。通道進來的模擬信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，將這些數(shù)字量存入緩存器FIFO后，再由ARM讀入進行計算處理，我們所選用的ARM LPC2138擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力能完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示以及鍵盤操作功能。經(jīng)過ARM處理的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)參數(shù)等信息都將保存在FLASH中，便于調(diào)用。FLASH是非易失性存儲器，可以重復(fù)進行讀/寫，讀寫時應(yīng)按其時序進行。它用于存儲字庫和程序，本設(shè)計中使用的FLASH是ARM單片機LPC2138內(nèi)部FLASH.在這里鍵盤按鍵操作和控制是直接由ARM來完成的，利用鍵盤掃描方式，通過定時器不斷對鍵盤動作進行掃描，從而達到鍵盤控制操作的功能。本系統(tǒng)在調(diào)試過程中還提供了串口對外通訊，利用68013將串口轉(zhuǎn)換為適合與上位機通訊的USB接口，實現(xiàn)與上位機通訊，達到利用電腦輔助系統(tǒng)調(diào)試的目的。

4.1.1軟件功能設(shè)計

如上圖4-2所示，功率分析儀的軟件部分主要分作數(shù)據(jù)處理和測量(包含對采樣數(shù)據(jù)處理、整合、計算以及對信號常用屬性的測量)、液晶屏控制、鍵盤控制以及校準這幾大部分，聯(lián)機調(diào)試部分僅在本設(shè)計的試驗、調(diào)試階段使用。其中液晶屏控制和鍵盤控制是軟件部分程序循環(huán)的重要組成部分。

4.1.2開發(fā)平臺

本課題設(shè)計中采用的是32位ARM7TDMI-S CPU——LPC2138微控制器，程序開發(fā)平臺選用了對該系列單片機支持較好的ADS1.2.

ADS1.2是一個使用方便的集成開發(fā)環(huán)境，全稱是ARM Developer Suite v1.2。它是由ARM公司提供的專門用于ARM相關(guān)應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試的綜合性軟件。在功能和易用性上比較SDT都有提高，是一款功能強大又易于使用的開發(fā)工具。ADS囊括了一系列的應(yīng)用，并有相關(guān)的文檔和實例的支持。使用者可以用它來編寫和調(diào)試各種基于ARM家族RISC處理器的應(yīng)用?？梢杂肁DS來開發(fā)、編譯、調(diào)試采用包括C、C++和ARM匯編語言編寫的程序。AXD提供給基于Windows和UNIX使用的ARM調(diào)試器。它提供了一個完全的Windows和UNIX環(huán)境來調(diào)試C，C++，和匯編語言級的代碼。CodeWarriorIDE提供基于Windows使用的工程管理工具。它的使用使源碼文件的管理和編譯工程變得非常方便。但CodeWarriorIDE在UNIX下不能使用。

采用C語言編程具有以下一些特點：、

語言簡潔，使用方便靈活。C語言的關(guān)鍵字很少，ANSI C標準一共只有32的關(guān)鍵字，9種控制語句，壓縮一切不必要的成分。C語言的書寫形式比較自由，表示方法簡潔。

可移植性好。C語言是通過編譯來得到可執(zhí)行代碼，便于移植。

表達能力強。C語言具有豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型和多種運算符，可以根據(jù)需要采用整型、浮點型、字符型、數(shù)組類型、指針類型、結(jié)構(gòu)類型、聯(lián)合類型等各種數(shù)據(jù)類型來實現(xiàn)各種其它高級語言難以實現(xiàn)的復(fù)雜數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)運算。

表達方式靈活。利用C語言提供的多種運算符，可以組成各種表達式，還可以采用各種方法來獲得表達式的值，從而使用戶在程序設(shè)計中具有更大的靈活性。C語言的語法規(guī)則不太嚴格，程序設(shè)計的自由度比較大，程序的書寫格式自由靈活。

本設(shè)計軟件方案包括兩個部分：本機程序和聯(lián)機調(diào)試程序。本機程序是基于ARM Developer Suite v1.2軟件編寫的，聯(lián)機調(diào)試程序是基于C++ Builder 6.0編寫的。ARM主程序運行流程如下圖4-3：

ARM主程序主要分為以下幾個模塊：

a)數(shù)據(jù)采集、處理：通道每個采樣循環(huán)采集1K數(shù)據(jù)，ARM讀取通道數(shù)據(jù)，在顯示數(shù)據(jù)之前對采集數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理、計算。

一個正常采樣處理循環(huán)的主要流程如下圖4-4所示：

b)數(shù)據(jù)顯示：將數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)和采集到溫度值顯示在液晶顯示屏中(如果為調(diào)試方式，應(yīng)同時將顯示的數(shù)據(jù)傳送給上位機)。

c)鍵盤掃描處理：采用陣列掃描。定時掃描方式，有按鍵輸入則進行相應(yīng)處理。

d)校準處理：主要包括通道校準、功率測量校準、頻率測量校準、功率頻響校準。

e)通訊模塊：與上位機調(diào)試程序的接口。上層發(fā)送的校準表數(shù)據(jù)、參數(shù)等都是通過這個模塊進行相應(yīng)處理。該模塊主要在調(diào)試階段使用。[!--empirenews.page--]

4.2軟件算法

4.2.1功率測量算法

根據(jù)AD8318器件的原理，其采用了對數(shù)放大器電路技術(shù)，經(jīng)過平方單元輸出的電壓值和輸入信號的功率實現(xiàn)一一對應(yīng)，從而實現(xiàn)峰值測量，使測量結(jié)果基本上與波形無關(guān)。在功率計算中，關(guān)鍵部分是測量脈沖調(diào)制信號的峰值功率值。為了得到準確的峰值，脈沖信號的觸發(fā)電平的選擇直接影響的峰值測量的精度。在該設(shè)計中，觸發(fā)電平的選擇采用了預(yù)采樣的原理。其思想為，在固定的小觸發(fā)電平環(huán)境下獲得粗略的峰值500個。對粗采到的峰值功率進行排序，選擇其中的最大的前20個值進行平均。以平均值的1/2作為實際采樣的觸發(fā)電平的大小。在粗采樣獲得觸發(fā)電平后，進行接下來的精采樣。精采樣以粗樣采得到的觸發(fā)電平作為觸發(fā)值，同樣采到500個功率值，并以粗采得到的功率值的4/5作為門限值，去掉低的上升沿和下降沿中的信號。將得到的信號再選取其中的3/5作為最后的峰值，進行平均為最終獲得的功率值。

此時捕捉到的峰值僅僅是A/D采樣得到的十六進制表示的電壓值。通過此時電壓和功率的對應(yīng)關(guān)系擬合出電壓值和功率值的曲線。擬合曲線根據(jù)不同衰減擋位進行擬合。同時為了方便用戶能夠自主調(diào)整示波顯示，如前文所述，我們在通道中利用TLC5620向通道送入直流偏置調(diào)節(jié)，使用戶可以通過鍵盤調(diào)整顯示波形在顯示屏的位置。所以為了不影響我們對AD8318輸出電壓的測量，所以根據(jù)TLC5620電壓輸出：

其中VREF是參考電平，按前文圖解所示，VREF =2.5V;RNG為D/A輸出范圍選擇，恒為0.按照以上公式在計算功率之前先將A/D采樣得到的電壓值減掉其中直流偏置調(diào)節(jié)部分，才得到真實的信號輸入電壓值并進入功率計算部分。

在功率測量中，我們經(jīng)常用dBm來表示功率，由于我們使用的是50歐姆的匹配網(wǎng)絡(luò)，所以，由峰值檢波出來的電壓值和dBm的轉(zhuǎn)換關(guān)系滿足下面的等式：

所以，通過等式可以以dBm的形式表示信號的功率值。

4.2.2頻率測量算法

頻率計數(shù)器程序包括兩部分，一部分是頻率計算。從計數(shù)器得到的頻率為二進制表示的25位數(shù)。由于計數(shù)的門長是一秒。頻率記數(shù)模塊提供一個計數(shù)結(jié)束標志信號，ARM程序不斷取檢查該標志信號，當標志信號有效(為高)證明記數(shù)完成，再進行實際頻率值的計算，避免出現(xiàn)記數(shù)過程與頻率計算過程時序錯誤，造成測量值錯誤的情況。但由于計數(shù)門長(1s)相對于FPGA其他部分動作速度，顯得過長，為使系統(tǒng)工作效率提高，故在軟件設(shè)計中加入一個1s定時器，在測頻開始后啟動定時器，當定時結(jié)束時再搜索計數(shù)結(jié)束標志信號。如果使用直接搜索標志方式，所造成的整個系統(tǒng)暫停1s，等待標志信號出現(xiàn)。這勢必造成功率分析儀對信號響應(yīng)緩慢，不能滿足即時響應(yīng)的要求。通過頻率計數(shù)器得到的數(shù)據(jù)通過四次讀操作將頻率值讀入存儲器中，通過公式

得到計數(shù)值。其中，fdata_1是計數(shù)器中的低8位字節(jié)，fdata_2是計數(shù)器中的中間8位字節(jié)，fdata_3為計數(shù)器的高8位字節(jié)，fdata_4為計數(shù)器的最高1位字節(jié)。計算得到的freq僅僅是計數(shù)器計數(shù)的結(jié)果值。由于信號在計數(shù)前經(jīng)過了預(yù)分頻，故，需要將freq乘以分頻比N得到的是最終的頻率值。

4.2.3參數(shù)測量

本系統(tǒng)中設(shè)計在精確測量計算射頻脈沖峰值功率的同時，要將經(jīng)檢波輸出的電壓變化曲線想示波器一樣，顯示在液晶顯示屏幕上供用戶觀測和分析。所以在參數(shù)測量部分我們很大程度上借鑒了示波器設(shè)計原理。將波形特征參數(shù)計算并且按需要把參數(shù)的值顯示于屏幕菜單顯示區(qū)，這些參數(shù)有峰峰值、平均值、有效值、周期，載波頻率以及溫度等。計算幅度類參數(shù)的基本依據(jù)是通道量程，計算時間類參數(shù)的基本依據(jù)是時基。每一個時基對應(yīng)一個控制字，例如：100ns=4，250ns=5，500ns=6就是說100ns的時基對應(yīng)的控制字是4，250ns的時基對應(yīng)的控制字是5，500ns的時基對應(yīng)的控制字是6.利用控制字的大小不同，來對端口進行操作。

參數(shù)測量都是通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析來進行的，所以，參數(shù)測量的結(jié)果都源于在FIFO中存貯的采集到的波形數(shù)據(jù)，這就意味著，功率分析儀的設(shè)置情況對參數(shù)測量和結(jié)果會有影響，例如，如果時基速度設(shè)置得比較慢，比如說設(shè)置為1ms/格，而要對一個估計為50ns至100ns的上升沿進行上升時間測量，那么由于采集過程中時間分辨率的限制，我們就無法測出正確的結(jié)果，為了進行這項參數(shù)測量，我們應(yīng)當把時基設(shè)置得足夠快，例如設(shè)置為50ns/格以便以足夠細的時間分辨率顯示出被測波形的上升沿。菜單參數(shù)是在250個點的波形數(shù)據(jù)中計算的。

峰峰值計算方法：由于檢波器是將射頻信號功率值轉(zhuǎn)換為電壓幅值，所以我們對顯示在液晶屏幕上的波形峰峰值的計算，實際是在計算輸入信號在一定時間內(nèi)的功率波動范圍。Vtop(幅度頂值)和Vbase(幅度底值)就是脈沖波形的100%和0%電平值，是脈沖參數(shù)自動測量的核心。確定了Vtop和Vbase值，才能計算脈沖其它參數(shù)值。當脈沖頂部和底部有嚴重失真時，頂值和底值往往很難確定。有關(guān)脈沖參數(shù)標準文件推薦可用頻數(shù)密度分布統(tǒng)計平均法或密度分布眾數(shù)法確定Vtop和Vbase值。

Vtop和Vbase的頻數(shù)直方圖眾數(shù)算法。算法的基本出發(fā)點是做波形樣點幅度頻數(shù)直方圖。如圖4-5所示，直方圖縱坐標是數(shù)字化電平，橫坐標是數(shù)字化電平出現(xiàn)的樣點次數(shù)。在波形中間電平上方和下方，樣點出現(xiàn)次數(shù)最多的量化電平值就分別是Vtop和Vbase。

在記錄樣點數(shù)據(jù)里搜索圖3-2表示的Vmax，Vmin，等參量值。在此基礎(chǔ)上計算脈沖幅度Vpp參數(shù)，算法是套用脈沖標準參數(shù)定義。但對于正弦波，波形的Vtop =Vmax，Vbase =Vmin，在實際測量過程中，不能發(fā)現(xiàn)密度分布眾數(shù)點，自然取Vtop =Vmax，Vbase =Vmin。這樣有，Vpp = Vmax -Vmin。

我們具體做法就是以點為單位計算，先比較求出點中的最大值和最小值，最大值和最小值之差為采樣點的峰峰值，這個峰峰值的數(shù)值范圍為0-255，沒有單位，這種峰峰值體現(xiàn)不出量程的信息，只有把這個有采樣點得到的峰峰值與當前的量程檔位結(jié)合起來才可以表達出準確的波形信息。先初始化最大值為imax=0，最小值為imin=255.然后將數(shù)據(jù)依次讀入，若讀入的數(shù)據(jù)小于初始化的最小值255，則將讀入的數(shù)據(jù)賦給最小值imin，依次用imin和讀入的新數(shù)據(jù)比較，找出最小值。最大值的尋找方法是初始化最大值為0，然后將讀入的數(shù)據(jù)賦給最大值imax，依次拿imax和讀入的新數(shù)據(jù)比較，找出最大值。最大最小值之差即為所要的峰峰值最后將V pp×幅度÷25即為所要求的峰峰值。

平均值的計算方法：在這里，我們采取誤差相對較小的計算方法即：平均值的計算是在判斷波形數(shù)據(jù)中有沒有半個以上的周期，若有，則用在半周期整數(shù)倍內(nèi)的波形數(shù)據(jù)來計算參數(shù)，否則，就用屏幕顯示的所有點的數(shù)據(jù)來計算。平均值的計算公式：

然后與采樣值作為零點的零電平進行比較，若大于零電平認為平均值為正，若小于零電平認為平均值為負，最后與當前的量程結(jié)合起來得到波形的平均值信息。即將平均值×幅度÷25即為所要求的平均值。平均值對于我們功率測量的意義是代表在顯示時間范圍內(nèi)功率變化的平均量。

有效值測量：在這里，我們有效值按下面的公式計算

x1直到xn為n個采樣點與零電平之間的差值，當然也需要在判斷奇異點并剔除奇異點后，再判斷波形數(shù)據(jù)中有沒有半個以上的周期，若有，則用在半周期整數(shù)倍內(nèi)的波形數(shù)據(jù)來計算參數(shù)，否則，就用屏幕顯示的所有點的數(shù)據(jù)來計算。有這個公式得到的RMS與量程結(jié)合起來可以得到波形的有效值信息。最后將rms×幅度÷25即為所要求的有效值。

4.2.4超差現(xiàn)象及原因

一般來說，被測信號的峰峰值在屏幕上的偏轉(zhuǎn)格數(shù)應(yīng)大于5div、小于8div.當信號偏轉(zhuǎn)高度小于1格時，測量結(jié)果數(shù)據(jù)變化大，出現(xiàn)嚴重超差現(xiàn)象。當被測信號相對于功率分析儀測量范圍很小時，在屏幕上的偏轉(zhuǎn)高度就很小，極大的損失了儀器測量的動態(tài)范圍，當然也損失了測量準確定。8位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，在進行A/D轉(zhuǎn)換時共執(zhí)行8次比較，使用基準電壓一次一次的逼近被測電壓，最后給出測量結(jié)果。在第一次比較時，判斷被測量處于哪一個1/2區(qū)間;第二次比較時，判斷被測量處于哪一個1/4區(qū)間……，最后一次比較時，判斷被測量處于哪一個1/256區(qū)間。因此，假設(shè)滿量程為10.24div，那么基準電壓的最小可分辨電壓為40mV，滿量程的1/256.以偏轉(zhuǎn)1div為例，取樣點為1div的信號，進行數(shù)字化，要逐次逼近8次。在第一次比較時，5.12div與1div比較，相差太大，減碼，第二次比較時，2.56div與1div比較，仍相差太大，減碼，第三次比較時，1.28div與1div比較，還是減碼，只有第四次比較時才出現(xiàn)加碼，相當于儀器的分辨力只有5bit.幅度域測量結(jié)果的相對誤差的經(jīng)驗公式，折算成相對誤差，大于3%，保證不了測試準確度要求。因此，不允許被測信號的峰峰值在屏偏轉(zhuǎn)格數(shù)小于1.28div，這是為了保證測量結(jié)果的相對誤差不大于 3.2%而提出的。