作者：楊建軍，龔曉峰，劉佳嘉，張繼宏

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線電資源作為公共資源的一種，需要國家有關(guān)部門對其進行有效的分配和監(jiān)控。設(shè)計界面友好、運行穩(wěn)定、實時反應(yīng)迅速的監(jiān)測軟件是對無線電資源進行有效配置的重要環(huán)節(jié)，也是國家和公眾信息安全保障的重要環(huán)節(jié)。本文以Rohde-Schwarz公司的ESVN40作為頻譜監(jiān)測接收機來進行無線電監(jiān)測軟件的設(shè)計。

1 系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1 工作原理

系統(tǒng)以工控機、監(jiān)測接收機及天線系統(tǒng)為主組建無線電監(jiān)測軟件系統(tǒng)。監(jiān)測接收機通過其上的天線接口來采集無線電信號，然后通過監(jiān)測機自帶的通用接口總線（General-Purpose Interface Bus，GPIB），由安裝在工控機上的PCI插槽中的PCI-GPIB卡傳輸?shù)焦た貦C，最后由工控機實現(xiàn)對采集到的信號樣本的顯示、分析和保存等操作功能。

1.2 系統(tǒng)的硬件組成

無線電信號監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由工控機、PCI-GPIB卡、GPIB接口電纜、ESVN40測試接收機和帶有天線選擇轉(zhuǎn)換器的9k～3 000MHz的多模天線系統(tǒng)組成。

1.3 ESVN40測試接收機的特點

ESVN40作為功能較為強大的場強監(jiān)測及掃描接收機，覆蓋了9k～2.75GHz的頻率范圍，可以完成以下的無線電監(jiān)測任務(wù)：（1）單頻點的ITU（International Telecommunication Union）測量，包括電平、調(diào)制深度、頻率偏移、相位偏移及頻率補償量的測量。（2）單頻點的頻譜分析。（3）頻段的掃描。該方式支持多種掃描方式，以滿足用戶對掃描速度和返回數(shù)據(jù)的要求。在與主控機的通信方式上ESVN40采用GPIB總線方式與主控機進行控制信息和數(shù)據(jù)信息的交換，其控制較靈活。同時GPIB卡的接口方式使得主控機對遠程設(shè)備的控制變得較為容易。

1.4 GPIB接口方式的優(yōu)越性

GPIB工業(yè)總線是NI公司的產(chǎn)品。它在軟件方面提供了完全的兼容性，為用戶軟件的升級節(jié)約了成本，提高了開發(fā)效率。GPIB系統(tǒng)的特點如下。

（1）GPIB板卡軟件的成熟性。NI公司提供了具有良好兼容性能的API函數(shù)。NI提供的每一代驅(qū)動軟件都保持與現(xiàn)有的NI-488應(yīng)用底層的兼容性。無論開發(fā)者是使用NI-488.2的函數(shù)，還是使用LabVIEW或LabWindows/CVI（C for Virtual Instruments）等應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，NI-488.2軟件結(jié)構(gòu)都能提供一種穩(wěn)定的GPIB控制。同時NI-488.2軟件也在不斷地更新，以取得最優(yōu)的性能。

（2）系統(tǒng)的可擴充性。如果要在該軟件的基礎(chǔ)上增加測向的功能，利用GPIB作為一種標(biāo)準(zhǔn)總線形式，則只要加入帶有GPIB接口的儀器，便可以將該系統(tǒng)擴展為一個功能較完備的監(jiān)測系統(tǒng)。

1.5 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上采用了模塊化的設(shè)計思想。同時為了提高系統(tǒng)的實時速度，充分利用了Windows軟件設(shè)計的多線程技術(shù)，采用Windows的消息環(huán)來完成多個線程之間的信息交流。系統(tǒng)應(yīng)用了2個線程：（1）底層取數(shù)據(jù)線程，其流程如圖2所示。它用于實時地通過GPIB卡與ESVN40進行控制與數(shù)據(jù)的采集。（2）上層用戶界面線程，其流程如圖3所示。它用于用戶界面的顯示，響應(yīng)用戶的測量任務(wù)，對實時數(shù)據(jù)進行顯示、分析和保存等操作。這樣，可以使2個線程并行，從而提高整個軟件系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度。取數(shù)據(jù)線程，采用VC++開發(fā)，這主要是考慮到C++語言易于實現(xiàn)對硬件的控制;而用戶界面處理的線程主要用Delphi來完成，主要是考慮到Delphi語言對界面的設(shè)計非常便利和靈活，可以大大提高開發(fā)效率。

二個線程的工作機理：在用戶程序初始化的過程中，創(chuàng)建以上的2個線程，同時它們都處于等待的狀態(tài)。當(dāng)用戶在程序界面開始各種測量任務(wù)時，由界面線程以消息的形式發(fā)給下層取數(shù)線程，各種任務(wù)號在消息參數(shù)中進行傳遞。下層取數(shù)線程在接到任務(wù)消息后，根據(jù)具體的任務(wù)，通過GPIB卡把任務(wù)翻譯為ESVN40的命令字符串傳送給接收機，同時對測量參數(shù)進行有針對性的設(shè)置，然后通過具體的命令啟動儀器來完成測量任務(wù)。當(dāng)監(jiān)測到儀器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，且狀態(tài)寄存器標(biāo)識為有效后，通過GPIB卡讀入測量數(shù)據(jù)。讀數(shù)線程將讀到的數(shù)據(jù)進行解析，然后放入某個內(nèi)存區(qū)中并以消息的形式通知用戶界面線程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，而數(shù)據(jù)塊的地址包含在消息參數(shù)中。用這種方式發(fā)送儀器控制命令和讀取儀器的測量結(jié)果，用戶界面線程負責(zé)完成相應(yīng)的測量結(jié)果的顯示、分析及保存。2條線程的處理在時間上完全分開，從而儀器在實時信號分析的時候，幾乎是在連續(xù)地進行采樣，這樣大大提高了整個系統(tǒng)的實時響應(yīng)性能。

2 軟件設(shè)計中擴展性問題的解決方案

在該系統(tǒng)中，為了加強系統(tǒng)的功能，就要對系統(tǒng)進行擴展，但是儀器與控制計算機不一定都采用GPIB接口。為了提高底層取數(shù)線程的可擴展性，底層充分利用C++中類的思想進行設(shè)計，為此可以創(chuàng)建一個通信接口類ICommDevice作為通信接口。接口方法如下：

（1）打開一個通信接口。

（2）向該通信接口寫一個字符串。

（3）從該通信接口讀一個字節(jié)。

（4）從該通信接口讀一個字符串。

（5）關(guān)閉已打開的通信接口。

在系統(tǒng)中，GPIB卡作為該通信接口類的子類，其實現(xiàn)以上方法的關(guān)鍵代碼和具體方法的功能如下：

①在打開GPIB卡的方法中，主要完成對GPIB卡的初始化，同時獲得ESVN40和GPIB卡的控制句柄。

BOOL CGPIB∷Open（int BdIndx，int pad，int sad，int tmo，int eot，int eos）

{ if （m_bOpened==TRUE）

return TRUE;

m_ctrl=ibfind（″GPIB0″）;//獲得GPIB卡的控制句柄

if （m_ctrlreturn FALSE;

ibconfig（m_ctrl，IbcAUTOPOLL，0）;//禁止AutoPoll

eot=1;

eos=0x0C0A;

m_dev=ibdev（BdIndx，pad，sad，tmo，1，eos）;

//獲得ESVN40的控制句柄

if （ibsta & ERR）

{ sprintf（ErrString，″打開GPIB卡出錯！錯誤號：ibsta=

0x%x iberr=%dn″，ibsta，iberr）;

this-》SetError（ErrString）;

return FALSE;

}

ibbna（m_dev，″GPIB0″）;//將ESVN40分配給GPIB卡

setGPIBEos（0x0C0A）;

m_bOpened=TRUE;

return m_bOpened;

}

②GPIB類中向儀器寫字符串的方法主要用于完成從控制計算機向儀器發(fā)送控制字符串的功能，可以用異步或者同步方式進行傳送。在寫之前，要對超時進行合理的設(shè)置。通常，如果字符串較長，可以把超時設(shè)定得大一些。其關(guān)鍵代碼如下：

int CGPIB∷SendData（const char*buf，int DataLength）

{ string tmpbuf;

tmpbuf=buf;

tmpbuf +=10;

ibeot（m_dev，1）;

ibwrta（m_dev，（void*）tmpbuf.c_str（ ），tmpbuf.size（ ））;

//異步寫字符串到儀器

ibwait（m_dev，0x4100）;//等待寫操作完成

ibwait（m_dev，0x0000）;//讀出GPIB的狀態(tài)

if（ibsta & ERR）

{

return FALSE;

}

return ibcntl;

}

③從儀器接收字節(jié)的方法主要用于完成從ESVN40的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀入一個字節(jié)。該方法對于讀取儀器的狀態(tài)寄存器非常有用。

int CGPIB∷ReadChar（char*ch）

{

if（！（m_bOpened）||（m_dev==NULL））

return FALSE;

int i=1;

RecvData（（void*）ch，i）;

return TRUE;

}

④從儀器讀入數(shù)據(jù)的方法主要用于完成讀入儀器的測量結(jié)果。對于ESVN40而言，預(yù)期返回數(shù)據(jù)的長度與實際返回的數(shù)據(jù)長度是有差別的。在設(shè)定預(yù)期返回數(shù)據(jù)長度時，應(yīng)該盡量設(shè)置得大一些，以保證每次測量數(shù)據(jù)不被認為丟失。對于超時參數(shù)的設(shè)置，與寫操作的原則是相同的。該方法的實現(xiàn)代碼如下：

int CGPIB∷RecvData（void*Buffer，int& limitLength）

{ if（！（m_bOpened）||（m_dev==NULL））

return FALSE;

ibeot（m_dev，1）;

i^mo（m_ctrl，T3s）;

i^mo（m_dev，T3s）;

ibrda（m_dev，Buffer，limitLength）;

//從儀器異步讀數(shù)據(jù)到Buffer

ibwait（m_dev，0x4100）;//等待異步讀完成

int nLocCount=ibcntl;

if（ibsta & ERR）

return FALSE;

ibwait（m_ctrl，0x0000）;

if（ibsta & ERR）

return -1;

return nLocCount;

}

⑤關(guān)閉儀器的方法主要用于將儀器置為本地測量方式，同時使儀器處于離線狀態(tài)。其關(guān)鍵代碼如下：

BOOL CGPIB∷Close（ ）

{ if（！（m_bOpened）||（m_dev==NULL））

return TRUE;

ibloc（m_dev）;//置ESVN40為本地測量方式

ibonl（m_dev，0）;//置ESVN40為離線方式

if（ibsta & ERR）

return FALSE;

m_bOpened=FALSE;

ibonl（m_ctrl，0）;//設(shè)置GPIB卡為OFF-Line狀態(tài)

return 1;

}

3 程序運行界面

該系統(tǒng)可以進行無線電信號的監(jiān)測，其中包括某個頻點的電平、調(diào)整深度、頻率補償和頻率偏移等。此外，系統(tǒng)還能對單頻點的頻譜進行分析，對給定的頻段進行信號掃描。在實際應(yīng)用中，采用雙線程的工作機理，可以很大程度地提高數(shù)據(jù)采集的速度。系統(tǒng)對信號進行頻率掃描時的運行界面如圖4所示。在界面中，由于ESVN40只是返回掃描駐點的電平值，因此在軟件中對該掃描功能進行了擴充。在界面上只要設(shè)定一個電平閾值（用戶可以認為超過該閾值的電平，可能存在信道占用）和一個用戶認為每個信道應(yīng)該占用的最大帶寬或法定的最大帶寬，則通過軟件設(shè)計對采樣的樣本進行分析后，可以對占用信道的中心頻點進行初步定位。用戶根據(jù)在測量結(jié)果表中顯示的值，可以進一步分析該中心頻點的頻譜或測量其他的調(diào)制特征值。可見，通過虛擬儀器的思想，將軟硬件結(jié)合使用，可以極大地擴充硬件的功能。

4 結(jié)束語

在系統(tǒng)的開發(fā)中，采用了C++中類的思想，使得系統(tǒng)具備了良好的擴展性，對于不同的儀器接口方式，可以最大限度地利用已開發(fā)的代碼段。同時，也增強了系統(tǒng)的可維護性，在實際應(yīng)用中取得了不錯的效果。在采用了雙線程工作機制后，充分發(fā)揮了儀器的性能，比單線程的速度提高了50%。

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