電子測(cè)量?jī)x器IO模擬器設(shè)計(jì)

摘要： 本文介紹一種電子測(cè)量儀器IO模擬器實(shí)現(xiàn)方法。以網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8753E為例討論了模擬器的部分實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)及模擬結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 儀器；IO模擬器；狀態(tài)機(jī)；網(wǎng)絡(luò)分析儀

模擬器工作原理

　　如圖1所示，應(yīng)用程序的IO操作由虛擬IO驅(qū)動(dòng)程序傳遞入模擬設(shè)備。IO模擬器通過加載描述設(shè)備工作模式的數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)設(shè)備IO行為仿真。當(dāng)物理IO驅(qū)動(dòng)與虛擬IO驅(qū)動(dòng)程序繼承于同一個(gè)父類時(shí)，應(yīng)用程序可以通過配置驅(qū)動(dòng)程序在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行物理設(shè)備IO與模擬設(shè)備IO的動(dòng)態(tài)切換。對(duì)實(shí)際設(shè)備的寫入操作就自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給模擬設(shè)備，并由模擬設(shè)備對(duì)讀出等操作進(jìn)行響應(yīng)，返回相應(yīng)數(shù)據(jù)流到應(yīng)用程序。

圖1  模擬器工作原理示意圖

　　IO模擬器根據(jù)數(shù)據(jù)文件實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶定義的有限狀態(tài)機(jī)。如圖2所示：繼承自抽象基類(IOManager)的VISimulator類用于實(shí)現(xiàn)IO模擬器。將模擬器替代實(shí)際IO管理器對(duì)象(VisaIOManger)進(jìn)行配置后，模擬器將截獲上層應(yīng)用程序發(fā)出的IO指令，并模擬實(shí)際設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)。

圖2  模擬器類結(jié)構(gòu)示意圖

　　VISimulator的成員states為模擬器可用狀態(tài)表，variables為變量表，current為當(dāng)前狀態(tài)。狀態(tài)表是狀態(tài)類(VIState類)對(duì)象的集合，變量表為變量類(VIVariable類)對(duì)象的集合，變量值可用于狀態(tài)和變量值的入口檢查及計(jì)算。

　　當(dāng)寫入操作(Write)發(fā)生時(shí)，模擬器遍歷所有的變量及狀態(tài)，檢查其入口條件(entrance)，對(duì)符合入口條件的變量，更新(Update)變量值(value)。如符合狀態(tài)入口條件，則將該狀態(tài)設(shè)置為當(dāng)前狀態(tài)。對(duì)于當(dāng)前狀態(tài)，還需檢查其出口條件(exitus)，如符合則設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)為空。

　　當(dāng)讀出操作(Read)發(fā)生時(shí)，模擬器由當(dāng)前狀態(tài)的模擬方法(Simulate)計(jì)算并返回模擬實(shí)際測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)。如當(dāng)前狀態(tài)設(shè)置讀操作為出口條件，則模擬器在讀出完成后返回空閑狀態(tài)。如當(dāng)前狀態(tài)為空或非可讀狀態(tài)，模擬器將按照變超時(shí)設(shè)置延遲后返回?zé)o效數(shù)據(jù)，真實(shí)地模擬IO指令序列錯(cuò)誤造成的測(cè)試過程現(xiàn)象。

　　ViSimulator的Load方法用于數(shù)據(jù)文件裝入，由數(shù)據(jù)文件的描述建立狀態(tài)表和變量表。由狀態(tài)和變量的靜態(tài)方法Parse完成解析并返回實(shí)例對(duì)象。

實(shí)現(xiàn)及模擬結(jié)果

　　筆者在實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)過程中設(shè)計(jì)了前述模擬器，并根據(jù)儀器程控手冊(cè)編寫Agilent公司的HP8753E和E5071C等矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些實(shí)際儀器IO功能的模擬。下面以HP8753E電壓駐波比測(cè)量為例詳細(xì)介紹IO模擬器實(shí)現(xiàn)方法。

　　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測(cè)量射頻元件的端口特性，常用于測(cè)量端口電壓駐波比、衰減、阻抗等參數(shù)。因此其測(cè)量結(jié)果就包括多種格式不同的數(shù)據(jù)組合。當(dāng)用HP8753E進(jìn)行電壓駐波比測(cè)試時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)返回一個(gè)坐標(biāo)數(shù)組，坐標(biāo)的兩維分別是駐波測(cè)量值和測(cè)量頻率。

　　根據(jù)HP8753E程控手冊(cè)定義狀態(tài)SWRWaveform用于模擬電壓駐波比測(cè)量狀態(tài)：

<SWRWaveform:state>//狀態(tài)名
length:101  //模擬波形長(zhǎng)度　　format:value(1.00，1.1)|linear (StartFreq:10，EndFreq:100)
　 //模擬波形坐標(biāo)點(diǎn)格式
entrance:outpform(Format=swr) //狀態(tài)
            入口點(diǎn)及輔助條件
exituse:[Read] //狀態(tài)出口
　　… …
<SWRWaveform> //狀態(tài)結(jié)束標(biāo)志

　　以上文本描述了狀態(tài)的工作模式，當(dāng)在寫入數(shù)據(jù)流中檢測(cè)到字符串outpform時(shí)，如模擬器變量表中變量Format=swr時(shí)模擬器進(jìn)入狀態(tài)SWRWaveform。此時(shí)如收到讀出指令，模擬器將由SWRWaveform狀態(tài)模擬輸出電壓駐波比波形，返回一個(gè)101點(diǎn)的兩維坐標(biāo)數(shù)組，其中X為1到1.1之間的隨機(jī)數(shù)，Y為從模擬器變量表中變量StartFreq到EndFreq的線性遞增數(shù)值。

　　圖3為測(cè)試系統(tǒng)由模擬器實(shí)際得到的測(cè)量波形，模擬器根據(jù)IO數(shù)據(jù)流正確地進(jìn)入了SWRWaveform狀態(tài)，并以正確的頻率范圍返回了仿真數(shù)據(jù)。

圖3  模擬器輸出數(shù)據(jù)的結(jié)果波形

結(jié)語

　　本文介紹的模擬器適用于文本格式的控制指令集，在電子測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)過程中已得到了驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用。
　　
參考文獻(xiàn)：

1.  Meilir Page-Jones,UML面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)基礎(chǔ)，人民郵電出版社,2001.4
2.  87XXET/ES Network Analyzer Programmer’s Guide, Agilent Technologies Inc. 08753-90475, February 2001