基于LabVIEW的便携式馈线测试仪设计研究∗

林洪文 王 硕

1 引言

无线通信技术出现以来倍受青睐，经过百年发展，无线通信已经成为了生产生活的重要媒介，小到智能手环等穿戴设备，大到载人航天等重大国防项目都随处可见无线通信的影子。随着研究的深入和各种应用的开展，其在军事国防领域扮演的角色也愈加重要。在以高新技术为主的新形势战争背景下，通信系统已成为军队的中枢系统，维系军队重要环节正常运行，一旦通信系统出现故障，造成的损失无法估量。本文以某型舰船通信发射机馈线测试系统为研究对象，首先描述便携式馈线测试仪硬件总体结构，在其基础上提出了基于Lab-VIEW的软件系统设计方案，描述整体软件结构，对子系统的划分和各个模块功能设计进行了扼要介绍，并对其中一项功能进行了试验。

2 测试需求分析

馈线又称电缆线，天馈线系统（antenna feeder system）是无线通信设备中必不可少的组成部分，分为天线与馈线系统。在无线通信中，要传送的信号是调制在载波上的基带信号的无线电波，通过自由空间传播来实现，天线与馈线系统在完成这一任务中起着重要的作用，是无线通信设备中必不可少的组成部分。天线是接力通信设备的出入口，馈线则是连接天线和收发信设备的纽带，它的作用是完成微波信号在微波机与天线之间的传输。

馈线是连接电台与天线的重要设备。不同粗细、不同质量的馈线对通信距离会产生很大的影响。无线通信系统中的馈线有同轴电缆型和波导型两种形式，本测试仪的测试对象是同轴电缆型馈线。在无线通信系统中，对馈线系统最基本的要求有：系统损耗低，电压驻波比小，极化去耦度高，机械强度大［1］。在天馈线系统的无线通信电路中，馈线系统的技术性能，质量指标直接影响到系统的通信质量，对综合馈线测试仪提出了迫切需求，某型装备多在野外展开这一实际情况又对馈线测试仪的低功耗性和便携性作出了要求，因此，基于Lab-VIEW的便携式馈线测试仪应运而生。

3 某型发射机馈线测试仪的设计

根据上文的测试需求分析，确定了便携式天馈线测试仪包括了驻波比测试，回波损耗测试和故障定位功能，为便于直观分析馈线的阻抗、导纳等参数，同时引入史密斯圆图到程序中。馈线测试仪的整体设计坚持以应用目标为导向，运用系统分析方法，采用集成平台和模块化、功能化开发模式，完成核心软硬件模块的设计开发和集成。硬件系统设计方面遵循标准化、通用化的原则，有良好的维护性，做到与现有的硬件环境相结合；软件设计遵循软件工程规范［2］。

系统组成框图如图1所示。测试仪是一台将接口技术和窗口操作系统融合在一起的便携设备，在操作系统上运行的基于LabVIEW的馈线测试程序通过内部接口和硬件进行数据交互和参数设置［3］。整个仪器通过外设转接头连接馈线，向馈线发送特定信号之后检测接收返回信号，然后通过硬件接收处理返回信号，利用软件分析处理数据，将测试结果直观呈现在显示界面上。

3.1 硬件平台的设计

便携式馈线测试仪硬件平台主要包括馈线测量模块、控制模块、显示模块、电源模块和校准件等部分。硬件为一体式架构方式，内部采用分层模式来实现可扩展式的系统架构，采用平台加模块的方式实现预想测试功能，有效减少体积和重量，缩短研发调试周期，大大降低整体功耗，得以实现在无外接电源情况下使用内部电池供电。测试功能采用模块化划分方法，基于仪器软硬件平台，自动完成发射机馈线系统的关键性能指标测试。

3.2 软件平台的设计

便携式馈线测试仪软件平台主要包括驻波比测试子程序、回波损耗测试子程序和故障定位子程序，以及实现辅助功能的插件子程序如光标功能，波形标定、存储与导入功能等子程序。如图3所示，软件平台整体采用分层模式实现开放式的系统架构，系统初始界面是馈线测试总页面，当选择某测试项后，软件调用该测试子程序，对设备的操作通过该子程序转换成硬件指令，通过总线发送至相应仪器；当设备处于读取状态时，子程序循环读取测量模块返回到总线上的信息，通过相应转换显示到软件界面以及存储到历史数据库文件中。

3.3 测试程序的设计

便携式馈线测试程序主要采用NI公司的Lab-VIEW软件进行开发。LabVIEW是美国国家仪器公司推出的一种业界领先的工业标准图形化编程工具，主要用于开发测试、测量与控制系统。利用NI的虚拟仪器技术，可以使复杂的数据采集工作变得简单，让工程师和科研人员得以把更多的精力放于实验过程，数据分析和结论总结上［4］。馈线测试程序采用了层次化的体系结构，每个子程序也同样按照层次化结构进行设计。调用的硬件模块的驱动引擎使用C++编写，在Windows平台下进行编译连接后生成留有接口的动态链接库文件，上层程序收到操作后发送信息给引擎，引擎再通过总线协议驱动设备运行［5］。测试程序界面和部分程序框图如图4所示。

3.4 接口适配器和控制模块的设计

整个仪器硬件划分为天馈线测试模块、频谱分析模块、控制模块、显示模块、电源模块。各模块之间功能相对独立，分别由控制模块控制。各模块之间通讯和控制如图5所示。控制模块功能主要分为三部分：1）控制馈线测试模块和频谱分析模块的测量功能操作，传输和分析测量数据，通过测量数据给出测量结果；2）对测量结果进行运算、判断、存储和显示；3）控制电源模块的工作，自动给电池充放电或采用其它电源供电控制。控制模块硬件由两部分组成：1）控制核心板；2）控制底板。控制核心板和控制底板通过专用接口对接，并用螺丝固定为一体。核心底板主要负责引出核心板相应接口，并给核心板提供电源。馈线测试模块通过转接头等外设器件与馈线连接实现测量。

4 关键技术

4.1 线缆故障定位及技术实现

当前馈线故障定位技术一般采用TDR技术和FDR技术两种。根据技术指标需求和经费限制等现实情况，本设备采取FDR技术实现馈线故障点定位［6］。FDR技术基本原理：通过信号源产生正弦波扫频信号作为测量信号，测量信号输入被测线缆，信号将在故障点处将产生反射信号，反射信号与入射信号产生矢量叠加，产生周期数为n的波纹频宽为 f（单位为MHz）的波纹图案，则有

式中L为故障点与测试点距离（单位为m），c为光速，k为电磁波在电缆中传播速度与光速的比值。令F为波纹的频率周期，则有F=fn（MHz），由上述关系可得L=150×k F（m）［7］。本测试仪采用扫频方式发射一定宽度的信号，接收到的频域测量数据采用FFT变换将频谱数据转换为时域下的定位函数距离谱，并采用Chirp-Z变换提高了定位精度［8］。

4.2 仪器的整机功耗控制

目前测试系统功耗普遍偏大，难以使用电池供野外使用。针对这一问题，如图6所示，本仪器立足于低功耗设计思想，采用高级配置和电源接口（Advance Configuration and Power Interface，ACPI）技术，综合考虑各个测量模块和控制模块供电要求，对馈线测量各模块不同功能根据需要进行开电和断电操作，即根据用户的操作需求，对必须运行的电路进行上电，而对不需运行的电路进行断电处理，尽最大能力减少不必要的功耗损失［9］。采用该多级节电控制技术后，使原测量模块整体平均功率大幅下降，使电池供电运行并手持操作成为可能。

4.3 一体化测量模块综合设计实现

目前国内设备实现馈线测试一般需要多台设备联合测试，综合测试能力差，体积大，不利于室外操作，对执行测试任务造成很多不便。本仪器抛弃传统分离式馈线测试电路设计，采用电路融合技术结合高密度多层PCB设计，把馈线测量诸多电路融合在一起设计［10］，并采用通道切换方法公用部分电路，从而减少功能重复电路，大幅减少元器件数量，充分利用PCB板空间，减少体积［11］。本便携式馈线测试仪使用电路融合技术，使具有综合测试能力的手持式仪器成为可能。

5 试验结果与讨论

因整个测试仪程序较庞大，以“故障定位”功能为例对测试仪测试结果进行分析。图7所示为便携式馈线测试仪对2.73m处及6.34m处有故障点的总长为8.22m的馈线以2MHz为起始频率，30MHz为终止频率扫描后得到频域图像经过傅里叶变换处理得到的结果，测试仪程序自动寻峰读取峰值位置的横坐标得到了测试结果：在距离测试点2.724m和6.352m处各有一个故障点，误差符合预期要求。

6 结语

本文对基于LabVIEW的便携式馈线测试仪的设计与实现进行了研究，从硬件和软件角度阐述了馈线测试仪的设计总体方案框架，解决了馈线测试中仪器复杂，操作繁琐和测试结果不直观等问题［12］。并进行了馈线故障定位功能的试验，试验结果表明，该测试仪显示结果直观简洁，测试精度符合要求。该设计实现了低功耗控制，一体化硬件模块融合等目标，软件使用模块化结构组合，便于移植到相关系统和扩展为功能更加全面的系统，在基于LabVIEW的便携式测试仪器设计方面有一定借鉴意义。

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