基于多線程技術(shù)的天線實(shí)時測量系統(tǒng)研究

系統(tǒng)軟件用戶界面可以完成所有測量參數(shù)的輸入和設(shè)置并及時響應(yīng)用戶操作，除此線程外建立額外的工作者線程實(shí)現(xiàn)其他功能的并行工作，提高系統(tǒng)實(shí)時性，在用戶界面實(shí)時更新顯示儀器的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的測量進(jìn)度以供用戶了解系統(tǒng)狀態(tài)，同時對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時地讀取和保存，便于后期的進(jìn)一步處理和研究。

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代電子測量技術(shù)在儀器領(lǐng)域的應(yīng)用和普及，特別是電子測量儀器計算機(jī)接口及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，使得計算機(jī)與儀器間的通信簡單易得，用戶可以通過計算機(jī)程序進(jìn)行儀器控制和數(shù)據(jù)讀取與存儲，這些技術(shù)的發(fā)展使得天線自動測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

以往基于單線程的簡單測量系統(tǒng)，對用戶操作的響應(yīng)以及多任務(wù)之間的切換需要使用“中斷處理”來完成，極大地影響了系統(tǒng)的實(shí)時性和工作效率，測量過程中軟件進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取與存儲的循環(huán)過程，使得用戶界面進(jìn)入“假死”狀態(tài)，無法對測量進(jìn)行控制和了解系統(tǒng)測量的實(shí)時進(jìn)度。為了彌補(bǔ)這些不足，需要做到多任務(wù)的并行工作，而多線程技術(shù)以其避免阻塞、同時執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)、減小運(yùn)行過程和用戶界面的相互影響，以及最大程度地利用多處理器性能的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)很好地滿足了這一要求。

本文設(shè)計了一套基于多線程技術(shù)的天線實(shí)時測量系統(tǒng)，提供了布局簡潔而功能完善的用戶界面，可以完成所有測量參數(shù)的輸入和設(shè)置并及時響應(yīng)用戶操作，使用不同線程實(shí)現(xiàn)多個任務(wù)的并行工作，提高系統(tǒng)實(shí)時性，在用戶界面實(shí)時更新顯示儀器的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的測量進(jìn)度以供用戶了解系統(tǒng)狀態(tài)，同時實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的實(shí)時讀取和保存，便于后期的進(jìn)一步處理和研究。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)工作原理

本測量系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)天線測量法，輔助天線(源天線)連接到矢網(wǎng)發(fā)射端口，待測天線連接到矢網(wǎng)接收端口，使待測天線的待測平面與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)平面平行，使用矢網(wǎng)測量不同角度的傳輸參數(shù)(S 參數(shù))，利用這些數(shù)據(jù)便可以做出特定頻率下的天線方向圖。此外矢網(wǎng)的掃頻特性為天線測量提供了另外一個優(yōu)勢，即在一次測量中，可以得到在某一頻段內(nèi)多個頻點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，可以通過對比不同頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)和天線方向圖對天線的頻率特性進(jìn)行比較和分析。

1.2 系統(tǒng)組成

該測試系統(tǒng)由五部分組成：微波暗室，計算機(jī)(系統(tǒng)軟件)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，程控轉(zhuǎn)臺和源天線。其布局如圖1所示。

主控計算機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過LAN 線互連，與傳統(tǒng)的GPIB總線模式比較，突破了通信距離限制，具有數(shù)據(jù)流量大、控制靈活、易于設(shè)備共享、數(shù)據(jù)共享等優(yōu)點(diǎn)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于掃頻信號的發(fā)射與接收，源天線通過同軸線與連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率發(fā)射端的功率放大器相連，待測天線通過同軸線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率接收端口相連。

主控計算機(jī)與轉(zhuǎn)臺控制箱通過USB接口相連，不需要考慮轉(zhuǎn)臺控制的機(jī)械流程，只需要編程完成與控制箱的通信，即可控制轉(zhuǎn)臺和獲取轉(zhuǎn)臺狀態(tài)數(shù)據(jù)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與轉(zhuǎn)臺控制箱之間通過BNC接頭同軸電纜連接，轉(zhuǎn)臺控制箱通過此電纜向矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)送測量所需的觸發(fā)脈沖。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

編寫系統(tǒng)軟件使用的編譯環(huán)境是基于VC++的MFC(Microsoft Foundation Classes)，使用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(Object Oriented Programming,OOP)方法，分別使用基于VISA(Virtual Instrument Software Architec-ture)庫的SCPI(Standard Commands for ProgrammableInstruments)指令和Mint運(yùn)動控制語言進(jìn)行編程完成計算機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和轉(zhuǎn)臺的通信，控制儀器并讀取信息和數(shù)據(jù)。

2.1 軟件分層結(jié)構(gòu)與信息交互

系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)的控制核心，它的功能對用戶是透明的，對于用戶而言，只要選擇和輸入了正確的測量參數(shù)，系統(tǒng)就能自動完成相應(yīng)的測量功能。

根據(jù)軟件需求和功能，可將其分為三層結(jié)構(gòu)部分：

用戶界面部分、數(shù)據(jù)處理部分和硬件接口部分。

系統(tǒng)軟件各層之間的信息交互如圖2所示。

用戶界面部分，響應(yīng)用戶操作，將硬件設(shè)置傳輸?shù)接布涌诓糠郑瑢⑤斎霐?shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理部分，同時將數(shù)據(jù)處理部分送來的數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息顯示給用戶，使用戶可以便捷地完成測量控制與監(jiān)控。

數(shù)據(jù)處理部分，一方面將硬件接口傳遞來的數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為用戶需要的格式以供顯示和存儲;另一方面將用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)指令交給硬件接口部分。

硬件接口部分，完成計算機(jī)與儀器之間的通信，一方面將指令和數(shù)據(jù)等程序語言轉(zhuǎn)化為儀器可識別的機(jī)器語言輸送到儀器;另一方面將儀器傳輸回來的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息等轉(zhuǎn)換為可編程處理的數(shù)據(jù)，以供數(shù)據(jù)處理部分使用。

2.2 軟件任務(wù)分析

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，系統(tǒng)軟件需要完成以下任務(wù)：

(1)建立計算機(jī)與轉(zhuǎn)臺控制箱之間的通信：建立通道，使計算機(jī)可以讀取轉(zhuǎn)臺實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，并可以隨時控制轉(zhuǎn)臺以改變其運(yùn)行狀態(tài)。

(2)轉(zhuǎn)臺運(yùn)行狀態(tài)的顯示：將轉(zhuǎn)臺運(yùn)動速度及角度信息顯示到用戶界面并實(shí)時更新。

(3)轉(zhuǎn)臺運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置：按照用戶輸入設(shè)置轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動速度、起止位置以及脈沖輸出方式，并控制其運(yùn)動的起止。

(4)建立計算機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的通信：建立通道，使計算機(jī)可以讀取矢網(wǎng)狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)，并可以隨時控制矢網(wǎng)以改變其運(yùn)行狀態(tài)。

(5)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的初始化以及測量參數(shù)的設(shè)置：使用基于VISA 庫的SCPI指令，對矢網(wǎng)進(jìn)行初始化使其進(jìn)入測量狀態(tài)，按照用戶輸入完成測量參數(shù)的設(shè)置。

(6)測量數(shù)據(jù)存儲文檔的建立與更新：在計算機(jī)中建立文檔用于測量數(shù)據(jù)的存儲，將測量過程從由矢網(wǎng)讀取的測量數(shù)據(jù)按特定格式進(jìn)行實(shí)時記錄。

(7)系統(tǒng)測量進(jìn)度的顯示：在測量過程中的軟件運(yùn)行節(jié)點(diǎn)、測量過程中完成某次測量時以及測量完成后輸出相應(yīng)提示性文字到用戶界面。

在實(shí)時測量系統(tǒng)中，要求計算機(jī)能同時完成多項(xiàng)任務(wù)，且具有很高的實(shí)時性要求，多線程技術(shù)以其避免阻塞、能同時執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)、減小運(yùn)行過程和用戶界面的相互影響，以及最大程度地利用多處理器性能的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)很好地滿足了這一要求。

2.3 軟件多線程的實(shí)現(xiàn)

MFC 中有兩類線程，用戶界面線程和工作者線程。前者有自己的消息隊列和消息循環(huán)，一般用于處理獨(dú)立于其他線程執(zhí)行之外的用戶輸入，響應(yīng)用戶及系統(tǒng)所產(chǎn)生的事件和消息等;后者沒有消息循環(huán)，通常用來執(zhí)行后臺計算和維護(hù)任務(wù)，如冗長的計算過程，數(shù)據(jù)的循環(huán)讀取等。

任意一個MFC 程序至少具有一個線程，也是程序的主線程。通過主線程能夠生成或終止任意多的線程，主線程一直存在直至程序終止。其中用戶界面線程是程序默認(rèn)啟動的主線程，主要實(shí)現(xiàn)軟件的運(yùn)行和響應(yīng)用戶操作及控制。根據(jù)軟件任務(wù)分析部分，在主線程中生成三個工作者線程，通過計算機(jī)與測量儀器的通信，完成儀器參數(shù)的設(shè)置以及數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、處理等后臺工作。

各線程工作順序及生存時間如圖3所示。

三個工作者線程所完成的具體工作如下：

轉(zhuǎn)臺狀態(tài)線程：建立計算機(jī)與轉(zhuǎn)臺控制箱的通信，不斷讀取轉(zhuǎn)臺的位置信息和速度信息并將其更新顯示到用戶界面，對應(yīng)軟件任務(wù)分析部分的任務(wù)(1)和(2)，流程如圖4所示。

轉(zhuǎn)臺啟動線程：首先進(jìn)入等待狀態(tài)，在矢網(wǎng)初始化以及數(shù)據(jù)文檔建立完成后，向轉(zhuǎn)臺控制箱發(fā)送指令設(shè)置轉(zhuǎn)臺的運(yùn)行參數(shù)使其開始運(yùn)動，對應(yīng)軟件任務(wù)分析部分的任務(wù)(3)，流程如圖5所示。

矢網(wǎng)工作線程：其功能為向矢網(wǎng)發(fā)送指令進(jìn)行初始化設(shè)置，使矢網(wǎng)進(jìn)入觸發(fā)等待狀態(tài)，并建立數(shù)據(jù)存儲文檔，在測量過程中不斷讀取矢網(wǎng)的測量狀態(tài)，每完成一次測量，將測量數(shù)據(jù)讀取并保存到文檔中，同時將測量進(jìn)度顯示到用戶界面，對應(yīng)軟件任務(wù)分析部分的任務(wù)(4)~(7)，流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)性能

3.1 系統(tǒng)軟件用戶界面

系統(tǒng)軟件用戶界面根據(jù)功能進(jìn)行區(qū)域劃分和布局，保證視圖清晰和操作方便，如圖7所示，其中序號標(biāo)注的區(qū)域功能如下：

(1)系統(tǒng)菜單：可以完成一些系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置，如儀器切換，數(shù)據(jù)輸出格式以及儀器運(yùn)行方式的選擇等。這些設(shè)置不需要經(jīng)常改動，對于一般測試使用默認(rèn)設(shè)置即可。

(2)常用設(shè)置：用于輸入矢網(wǎng)測量參數(shù)和轉(zhuǎn)臺運(yùn)行參數(shù)，以及文件輸出位置的選擇和自定義文件名的輸入。此部分為系統(tǒng)運(yùn)行時經(jīng)常需要改動的設(shè)置，與用戶交互頻繁。

(3)測量控制：控制測量的啟動與停止，也可以在非測量狀態(tài)下控制轉(zhuǎn)臺的運(yùn)行。用戶對此部分進(jìn)行操作便可完成對系統(tǒng)運(yùn)行的控制，以及對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行位置調(diào)整等。

(4)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示：實(shí)時顯示轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動速度和當(dāng)前位置，在測量過程中不斷更新顯示系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)度。通過這些信息用戶可以對系統(tǒng)狀態(tài)了如指掌，以便做出適當(dāng)操作。

3.2 測量實(shí)例選擇實(shí)驗(yàn)室內(nèi)BJ-32標(biāo)準(zhǔn)矩形角錐喇叭天線，使用Agilent 和Anritsu 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別進(jìn)行測量，相關(guān)參數(shù)見表1.

選取兩次測量所得數(shù)據(jù)文檔中3.26 GHz頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)做出天線歸一化方向圖，如圖8和圖9所示。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以計算機(jī)為核心，充分利用了實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)儀器的計算機(jī)通信接口，系統(tǒng)軟件的用戶界面布局清晰、功能全面，減少了對儀器的直接操作，對貴重儀器起到了保護(hù)作用從而降低了維護(hù)費(fèi)用。系統(tǒng)中使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使得系統(tǒng)具有一次性掃描測量便可獲得多頻點(diǎn)天線數(shù)據(jù)的能力。編程中采用通用標(biāo)準(zhǔn)指令，增強(qiáng)了軟件的可移植性和可擴(kuò)展性。多線程技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行工作，滿足了系統(tǒng)實(shí)時性要求，使用戶可以通過用戶界面直觀了解到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及測量進(jìn)度，同時還可將天線測量數(shù)據(jù)即時讀取并保存，以便進(jìn)一步處理和研究。