基于多語言混合編程的任意波形發(fā)生器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

*本論文受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017YFF0106600）以及裝備預(yù)研領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：61400030201）的資助。

作者簡介：滕友偉（1987—），男，碩士，工程師，研究方向：信號(hào)處理。

0   引言

電子信息技術(shù)的高速發(fā)展帶來了被測試對象種類的不斷豐富和測試需求的不斷提高。具體表現(xiàn)在：海、陸、空、天多層次；部署的高密度、多頻譜、大帶寬；多種參數(shù)組合變化、多種工作體制；系統(tǒng)集成化與專用芯片協(xié)同發(fā)展；空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜；以及對抗手段的不斷加強(qiáng)。任意波形發(fā)生器^[1-2]不僅可以產(chǎn)生常規(guī)激勵(lì)信號(hào)，還可以通過擴(kuò)展功能插件實(shí)現(xiàn)外部計(jì)算單元和任意波形發(fā)生器硬件平臺(tái)的無縫對接，真正實(shí)現(xiàn)從信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)處理到信號(hào)輸出的全過程。

其中，波形計(jì)算單元即多種信號(hào)模擬插件，實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)產(chǎn)生功能。波形文件具有統(tǒng)一的文件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。

1   軟件系統(tǒng)組成

本任意波形發(fā)生器軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括應(yīng)用層、功能模塊層、驅(qū)動(dòng)層和板級(jí)電路控制層。其中應(yīng)用層為本軟件提供的用戶操作界面；功能模塊層為依據(jù)任意波形發(fā)生器功能劃分和硬件模塊，抽象出的采用模塊化設(shè)計(jì)的類封裝；驅(qū)動(dòng)層是承上啟下的一層，實(shí)現(xiàn)PCIE、ISA等多種總線驅(qū)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)傳輸；板級(jí)控制層為各功能板卡的控制接口，接受來自驅(qū)動(dòng)層的控制命令、波形數(shù)據(jù)，并反饋各電路的工作狀態(tài)。

采用上述4層軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅在物理結(jié)構(gòu)將任意波形發(fā)生器邏輯做了清楚劃分，也為各功能模塊提供了自我保護(hù)和異常處理的有效途徑。

2   開發(fā)語言及工具

應(yīng)用層采用Visual Studio 2013平臺(tái)中基于C#語言的WPF用戶界面框架設(shè)計(jì)^[3]。WPF作為微軟推出的新一代用戶界面框架，提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)，便于協(xié)同開發(fā)。功能模塊層中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生、任意波形生成及文件管理采用MATLAB R2014a開發(fā)平臺(tái)，MATLAB軟件開發(fā)平臺(tái)以其豐富的函數(shù)庫、矩陣計(jì)算、數(shù)值分析，為信號(hào)、數(shù)據(jù)產(chǎn)生開發(fā)提供極大便利^[4]。用戶層和功能模塊層采用XAML文件作為接口，這樣既實(shí)現(xiàn)分層隔離，也為方便錯(cuò)誤的查找和定位。

XAML接口文件提供了1 個(gè)信號(hào)產(chǎn)生所需的MATLAB模塊傳入?yún)?shù)，如圖3所示的是一款噪聲信號(hào)接口文件，其中waveflag表示信號(hào)類型，sampleRate表示該信號(hào)的采樣速率等等。利用MLAPP.dll程序集實(shí)現(xiàn)，軟件啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行Matlab引擎初始化并封裝為類，并提供執(zhí)行接口。

引擎初始化方法如下：

private MLApp.MLApp _matlab;

private void Init()

{

Type ma t l abAppType = S y s t em.Type.

GetTypeFromProgID(“Matlab.Application”);

_ m a t l a b = S y s t e m . A c t i v a t o r .

CreateInstance(matlabAppType) as MLApp.MLApp;

Debug.Assert(_matlab != null);

_matlab.Visible = 0;

}

接口設(shè)計(jì)如下：

public void Execute(string matlabFolder, string

command)

{

matlabFolder = “ cd( ‘ ” + matlabFolder

+ “’)”;

_matlab.Execute(matlabFolder);

Thread.Sleep(200);

_matlab.Execute(“clear all”);

_matlab.Execute(“close all”);

_matlab.Execute(“clc”);

Thread.Sleep(1000);

_matlab.Execute(command);

}

驅(qū)動(dòng)層采用Visual Studio 6.0和WinDriver10.0聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)^[5-6]，其中WinDriver為美國風(fēng)河公司提供的專業(yè)驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具，具有豐富的底層驅(qū)動(dòng)庫和設(shè)計(jì)樣例。Visual Studio 6.0開發(fā)工具采用高效的C/C++語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)算法，并將驅(qū)動(dòng)層封裝為標(biāo)準(zhǔn)DLL庫以供調(diào)用。板級(jí)控制層設(shè)計(jì)采用C/C++程序設(shè)計(jì)語言，實(shí)現(xiàn)對實(shí)際電路及板卡的控制，響應(yīng)驅(qū)動(dòng)層下發(fā)的控制命令，將存儲(chǔ)功能層產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)存入DDR高速存儲(chǔ)陣列等。

3   信號(hào)生成流程

信號(hào)生成流程如圖4所示，第1步：用戶在操作軟件界面配置信號(hào)參數(shù)；第2步：MATLAB讀取接口文件并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)指令執(zhí)行，生成波形數(shù)據(jù)；第3步：軟件將生成的波形數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)到硬盤；第4步：顯示控件讀取波形文件并顯示數(shù)據(jù)；第5步：輸出開關(guān)打開，儀器輸出信號(hào)。

圖5所示的是任意波形發(fā)生器生成數(shù)字調(diào)制ASK型信號(hào)并輸出測試的實(shí)際場景。對比顯示控件波形和示波器實(shí)測結(jié)果即可驗(yàn)證正確性。

4   結(jié)語

目前任意波形發(fā)生器的發(fā)展方向有：①硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)化，其主要性能依托于高速DAC芯片性能和寬帶放大芯片發(fā)展；②軟件設(shè)計(jì)采用模塊化插件設(shè)計(jì)，要求兼容多種開發(fā)語言和工具，方便升級(jí)、擴(kuò)展和用戶二次開發(fā)。因此多采用多層次軟件設(shè)計(jì)，并減少互關(guān)聯(lián)。

圖5 ASK調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生及輸出

參考文獻(xiàn)：

[1] 張學(xué)峰,胡長江.功能各異的各種任意波形發(fā)生器[J].國外電子測量技術(shù),2000(4):17-18.

[2] 劉豪.基于DDS的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州:華南師范大學(xué),2010.

[3] 王鵬,崔靜.新一代界面技術(shù)WPF的架構(gòu)及應(yīng)用[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2011(1):18-20.

[4] 李志明.VC++與Matlab的混合編程[J].遙測遙控,1999(11):71-74.

[5] WinDriver PCI/ISA/CardBus V9.01 User’s Manual[Z]. Jungo Ltd.,2008.

[6] 武安河.Windows 2000/XP WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）