便攜式功率分析儀設計----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將數據送到LCD顯示。通道進來的模擬信號經由A/D轉換成數字量，將這些數字量存入緩存器FIFO后，再由ARM讀入進行計算處理，我們所選用的ARM LPC2138擁有強大的數據處理能力能完成數據的采集、處理、顯示以及鍵盤操作功能。經過ARM處理的數據，系統參數等信息都將保存在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，實現與上位機通訊，達到利用電腦輔助系統調試的目的。

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據處理和測量(包含對采樣數據處理、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的重要組成部分。

4.1.2開發平臺

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環境，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。可以用ADS來開發、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行代碼，便于移植。

表達能力強。C語言具有豐富的數據結構類型和多種運算符，可以根據需要采用整型、浮點型、字符型、數組類型、指針類型、結構類型、聯合類型等各種數據類型來實現各種其它高級語言難以實現的復雜數據的結構運算。

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：本機程序和聯機調試程序。本機程序是基于ARM Developer Suite v1.2軟件編寫的，聯機調試程序是基于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)數據采集、處理：通道每個采樣循環采集1K數據，ARM讀取通道數據，在顯示數據之前對采集數據進行相應處理、計算。

一個正常采樣處理循環的主要流程如下圖4-4所示：

b)數據顯示：將數據處理后的數據和采集到溫度值顯示在液晶顯示屏中(如果為調試方式，應同時將顯示的數據傳送給上位機)。

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。上層發送的校準表數據、參數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。

4.2軟件算法

4.2.1功率測量算法

根據AD8318器件的原理，其采用了對數放大器電路技術，經過平方單元輸出的電壓值和輸入信號的功率實現一一對應，從而實現峰值測量，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，脈沖信號的觸發電平的選擇直接影響的峰值測量的精度。在該設計中，觸發電平的選擇采用了預采樣的原理。其思想為，在固定的小觸發電平環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電平的大小。在粗采樣獲得觸發電平后，進行接下來的精采樣。精采樣以粗樣采得到的觸發電平作為觸發值，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，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，我們經常用dBm來表示功率，由于我們使用的是50歐姆的匹配網絡，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

頻率計數器程序包括兩部分，一部分是頻率計算。從計數器得到的頻率為二進制表示的25位數。由于計數的門長是一秒。頻率記數模塊提供一個計數結束標志信號，ARM程序不斷取檢查該標志信號，當標志信號有效(為高)證明記數完成，再進行實際頻率值的計算，避免出現記數過程與頻率計算過程時序錯誤，造成測量值錯誤的情況。但由于計數門長(1s)相對于FPGA其他部分動作速度，顯得過長，為使系統工作效率提高，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，所造成的整個系統暫停1s，等待標志信號出現。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。通過頻率計數器得到的數據通過四次讀操作將頻率值讀入存儲器中，通過公式

得到計數值。其中，fdata_1是計數器中的低8位字節，fdata_2是計數器中的中間8位字節，fdata_3為計數器的高8位字節，fdata_4為計數器的最高1位字節。計算得到的freq僅僅是計數器計數的結果值。由于信號在計數前經過了預分頻，故，需要將freq乘以分頻比N得到的是最終的頻率值。

4.2.3參數測量

本系統中設計在精確測量計算射頻脈沖峰值功率的同時，要將經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。將波形特征參數計算并且按需要把參數的值顯示于屏幕菜單顯示區，這些參數有峰峰值、平均值、有效值、周期，載波頻率以及溫度等。計算幅度類參數的基本依據是通道量程，計算時間類參數的基本依據是時基。每