第四章功率分析儀軟件設計

4.1軟件設計框架

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，便于調用。FLASH是非易失性存儲器，可以重復進行讀/寫，讀寫時應按其時序進行。它用于存儲字庫和程序，本設計中使用的FLASH是ARM單片機LPC2138內部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)在調試過程中還提供了串口對外通訊，利用68013將串口轉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)調試的目的。

4.1.1軟件功能設計

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)機調試部分僅在本設計的試驗、調試階段使用。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相關應用開發(fā)和調試的綜合性軟件。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囊括了一系列的應用，并有相關的文檔和實例的支持。使用者可以用它來編寫和調試各種基于ARM家族RISC處理器的應用?？梢杂肁DS來開發(fā)、編譯、調試采用包括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調試器。它提供了一個完全的Windows和UNIX環(huán)境來調試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語言的關鍵字很少，ANSI C標準一共只有32的關鍵字，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)結構類型和多種運算符，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、結構類型、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)的復雜數(shù)據(jù)的結構運算。

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，程序設計的自由度比較大，程序的書寫格式自由靈活。

本設計軟件方案包括兩個部分：本機程序和聯(lián)機調試程序。本機程序是基于ARM Developer Suite v1.2軟件編寫的，聯(lián)機調試程序是基于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(如果為調試方式，應同時將顯示的數(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處理。該模塊主要在調試階段使用。[!--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，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，從而實現(xiàn)峰值測量，使測量結果基本上與波形無關。在功率計算中，關鍵部分是測量脈沖調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。在該設計中，觸發(fā)電平的選擇采用了預采樣的原理。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關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節(jié)，使用戶可以通過鍵盤調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，所以，由峰值檢波出來的電壓值和dBm的轉換關系滿足下面的等式：

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，當定時結束時再搜索計數(shù)結束標志信號。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緩慢，不能滿足即時響應的要求。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)的結果值。由于信號在計數(shù)前經(jīng)過了預分頻，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。每一個時基對應一個控制字，例如：100ns=4，250ns=5，500ns=6就是說100ns的時基對應的控制字是4，250ns的時基對應的控制字是5，500ns的時基對應的控制字是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，功率分析儀的設置情況對參數(shù)測量和結果會有影響，例如，如果時基速度設置得比較慢，比如說設置為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果，為了進行這項參數(shù)測量，我們應當把時基設置得足夠快，例如設置為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格數(shù)應大于5div、小于8div.當信號偏轉高度小于1格時，測量結果數(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轉換器，在進行A/D轉換時共執(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格數(shù)小于1.28div，這是為了保證測量結果的相對誤差不大于 3.2%而提出的。