上位机软件的设计方案

摘 要

　　便携式目标模拟器，即为大众所知的信号源。因其主要面向对象为雷达，目的是为其产生目标模拟信号，即为目标模拟器。该仪器是雷达、通信、导航和制导等系统中必不可少的一部分。

　　目标模拟器的上位机软件具有承上启下的作用，是用户控制其工作的桥梁，具有绝对的重要性。本篇论文阐述了上位机软件的设计、开发与实现。结合用户的需求，提出了软件的设计方案。并将其分为两大部分，一是本地控制，即通过鼠标，键盘，以及仪器上的按键，产生串口消息向下位机进行发送。二是远程控制，使用 UDP 协议或者串口接收控制命令，并将其解析为与本地控制相同的串口消息，再向下位机进行发送。作为一款既能够独立运行的仪器，同时又能够进入导弹测试系统成为大系统的一部分，目标模拟器的两种控制方式的实现都具有相当的重要性。作为军用测试仪器，对其技术指标都有较高的要求，因此还需要设计自动校准平台，保证信号质量。其次针对自动测试流程，还需要提供专用的软件测试包，可根据用户的具体需求，选择性的生成专用测试流程，并将测试进行保存。本次论文的主要任务有：

　　1、本地控制方式的实现，通过鼠标、键盘、仪器上的按钮产生消息并向下位机进行发送，下位机接收后按照硬件提供的地址，再向其发送数据，达到控制仪器的任务。

　　2、远程控制方式的实现，通过网口或者串口接收控制命令，将其解析为与本地控制方式相同的串口消息，再向下进行发送，减少对仪器的手动控制，提升测试效率。

　　3、基于远程控制方式，对仪器的重要指标，功率进行自动化的校正，对温度进行补偿，减少维修成本，并提高仪器质量。

　　4、软件测试包，用户可根据测试流程，灵活的使用目标模拟器的各个功能，产生模块化的测试任务。

　　关键词：目标模拟器，信号源，控制命令，自动校正，软件测试包

ABSTRACT

　　Portable target simulator is known as signal source. Because the main objectoriented is radar, the purpose is to generate simulation signal. The instrument is an indispensable part of radar, communication, navigation and guidance systems.

　　The software of the target simulator has the function of connecting the preceding and the following. It is the bridge for users to control the instrument, and it is absolutely important. This paper describes the design, development and implementation of the target simulator software. According to the needs of users, the design scheme of the software is put forward. It can be pided into two parts, one is local control, that is, through the mouse, keyboard, and the keys on the instrument, the serial port message is generated and sent to the lower computer. The second is remote control, which uses UDP protocol or serial port to receive control commands and parse them into the same serial port messages as the local control, and then send them to lower computer. As an instrument it can run independently and can enter the missile test system at the same time, the realization of the two control modes has absolutely importance of the target simulator. As a military test instrument, its technical specifications need higher requirements, so it is also necessary to design an automatic calibration platform to ensure the signal quality. Secondly, for the test process, we need to provide a special software test package, which can selectively generate the special test process according to the specific needs of users, and save the test data. The main tasks of this paper are as follows:

　　1. The local control mode, through the mouse, keyboard, buttons on the instrument to generate messages and send them to the lower computer, the lower computer receives them according to the address provided by the hardware, and then sends data to them to achieve the task of controlling the instrument.

　　2. The remote control mode, through the network port or serial port to receive the control command, parse it into the same serial port message as the local control mode, and then send it down, reduce the manual control of the instrument, and improve the test efficiency.

　　3. Based on the remote control mode, the important indexes, output power of the instrument are automatically corrected, and the temperature is compensated, the maintenance cost is reduced, and the quality of the instrument is improved.

　　4. According to the test process, users can use the functions of the target simulator flexibly, generate modular test tasks.

　　Keywords: target simulator, microwave signal source,control commands, automatic calibration, software test package

目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 研究工作的背景与意义

　　雷达目标模拟器，从功能与传统的仪器测量角度来说，即为大家所知的信号源。而本次课题最终面向的对象为雷达的目标或者干扰信号，所以即为雷达目标模拟器。该仪器具备两大最基本的功能：主动模式，即可主动发射点频信号。被动模式，也即为储频转发，从外部输入信号至目标模拟器，并在内部对信号进行处理，再从目标模拟器进行输出。信号源属于激励设备，在主动模式或者被动模式下输出信号作用于待测设备。在实际生活中难以对较低功率以及较高频率的信号进行提取，尤其是针对包含特定信息的雷达信号[1].所以该仪器不论在雷达、通信、导航和制导等各类系统中都具有不可替代的作用。

　　随着我国军事力量的发展，需要一款完全由中国自主研发，并且在各项技术指标，成本，体积都达到顶尖的仪器。并且针对不同的待测设备需要提供不同技术指标的目标模拟器，需要做到整体框架一致，功能大体一致，尤其在软件层次中要做到大同与小异。

　　仪器的研制主要分为硬件的研制与软件的研制，硬件研制与技术指标息息相关，但软件是最接近用户，是用户控制仪器的桥梁，用于信息的传递。上位机软件的设计，直接影响到用户对仪器的使用，甚至会对导弹测试系统造成影响，增加调试难度。因此，软件需要设计的简单且友好，目的是为了使得用户能够快速上手，简化对目标模拟器的控制，使得该软件具有足够的亲和力。因此仪器中上位机软件的设计必须给予相当的重视。

　　目标模拟器的上位机软件从使用的角度又可以分为本地控制与远程控制。本地控制即为传统的操作仪器的方法，通过鼠标，键盘，以及仪器上的按键进行操作。远程控制则为通过网口或者串口等输入输出设备，向目标模拟器发送 SCPI指令（Standard Commands for Programmable Instruments[2]可编程仪器标准命令）或用户自定义指令，进行对仪器的控制，查询仪器的工作状态。相比而言远程控制方式在使用方面较为复杂，需要操作者具备一定的基础知识。但是在自动化测试流程的大势下，不管从时间，效率，以及操作准确度来说都是必不可少的操作方式。因此目标模拟器作为一款既能够独立运行的仪器，同时又能进入导弹测试大系统作为其子系统，本地控制方式和远程控制方式都具有重要的意义。

　　在上位机软件编写完成后，还需要保证仪器的输出到达指标要求，因此采用自动校准策略，使得目标模拟器的输出保持稳定。在满足指标的同时，又能减少校准所需要花费的时间。因此自动校准平台的设计是为了使得目标模拟器具有更好的稳定性，并且减少了维护其稳定性所需要花费的时间。为目标模拟器作为一款产品，提供了高性能的售后服务方式。

　　最后针对不同导弹的测试流程，且不同型号之间又有不同的测试方法，还需提供一个软件测试包，能够根据用户的需求自动生成测试流程所需要的 SCPI 控制命令，用于对目标模拟器的控制，避免了用户对控制命令不熟悉所带来的问题，并将测试流程保存至数据库中，具有一定的安全性。因此开发先进的自动测试系统能够充分调度有限测试资源，降低人力成本，提高生产率[3].

　　1.2 国内外研究现状与趋势

　　目前国外最具有代表性的公司为德国的罗德与施瓦茨公司，美国的安捷伦公 司[4].这两家公司在全世界的仪器行业都处于绝对的领先状态，无论从仪器的质量，仪器的种类，仪器的灵活性等都达到了全世界一流的水平。

　　罗德与施瓦茨公司的基带、射频和微波信号源具有超高的信号质量、灵活性及可用性。罗德与施瓦茨公司的信号发生器的频率可高达 67 GHz（使用倍频器时最高可达 170 GHz）。该产品组合范围广泛，包括快速、超紧凑型模拟及数字信号源，以及适用于大多数严苛应用的先进矢量信号发生器。

　　例如罗德与施瓦茨公司的 R&S?SMA100B 射频和微波信号发生器具有多种不同频率范围，从 8kHz 到 3GHz、6 GHz、12.75 GHz、20 GHz、31.8 GHz、40GHz、50 GHz 和 67 GHz.并且都保证提供最顶尖的性能，在维持最高输出功率的同时提供最纯净的输出信号，远超其竞争对手[5].如图 1-1 所示：

　　安捷伦公司拥有多种信号发生器的型号并可供选择，并且保证每个型号的性能都领先于同类产品，因此无论是需要可追溯的计量级解决方案，还是需要经济高效的基础型信号发生器，安捷伦公司都可以满足各种需求。

　　安捷伦公司的 N5193A UXG X 系列捷变信号发生器能够仿真日益复杂的信号环境，以满足雷达、电子战和天线测试需要[6].如图 1-2 所示：

　　总而言之，国外公司在信号源这款仪器的技术水平做到了世界一流，并在全球已经有成千上万台信号发生器部署在全球几百个项目中，基本做到了垄断。

　　而国内最为突出的代表，中国电子科技集团第四十一研究所则走在了全国的前列。四十一所的 1442 系列射频信号发生器是一款针对通信、电子等射频应用而设计开发的产品。覆盖了常用射频频段。它采用模块化结构设计，全中文界面、大屏幕菜单控制，其输出信号相位噪声低，频率分辨率和准确度高，输出动态范围大，具有丰富的模拟调制、数字调制和程控功能。如图 1-3 所示：

　　但无论国内还是国外在信号源上都有四处缺点，一是成本过于的昂贵，一款高频率，高指标的信号源，动则既需要上百万的开销。二是目前大部分的信号源体积过于庞大，不方便运输，更不方便在军事快速且自动的背景下进行使用。三是，不能灵活的为我国某类型导弹进行一对一的测试。四是，市面上普遍的信号源只能够主动输出仪器内部预置的信号，不能够对外部信号进行存储与转发，也即为目标模拟器的被动输出功能。所以一款完全由中国自主研发，具有便携式体积，能够实现储频转发，并且针对导弹测试流程并具有附带软件测试包，提供灵活的测试流程编辑与部署。故本次选择便携式目标模拟器上位机软件这一课题作为研究对象，开发具有一定通用性的信号源软件，具有重要的工程实践价值和巨大的科研经济及国防效益[7].

　　1.3 本文主要任务

　　本论文以便携式目标模拟器上位机软件为研究对象，其主要工作是在工控机中，使用 Windows10 系统设计一款上位机软件，和一款对仪器进行自动校准的平台，以及提供一款能够针对不同型号导弹的软件测试包。上位机软件的主要目的，是在用户界面中对目标模拟器进行控制，使其实现仪器的基本功能，如在本地控制或者远程控制模式下产生满足频率动态范围和功率动态范围的点频信号，并在该信号的基础下进行不同类型的调制、延时、扫频等功能。除开应当满足功能性外，还要做到简单大方的人机交互。自动校正平台则需要自动的完成对仪器的校准，使其具有良好的稳定性与可靠性。软件测试包则是在目标模拟器已经完成各项功能并稳定的条件下，针对不同类型的导弹的需求，以及实际使用时的具体测试步骤，能够提供简单，灵活的测试方法，生成对目标模拟器的控制命令，最终存储在数据库中方便用户进行调用。主要内容包括以下几点：

　　1、根据用户提出的技术指标，介绍硬件平台，并确定软件的开发环境与开发工具。

　　2、目标模拟器上位机的本地控制实现方案，采用界面层，数据层，控制层进行设计。

　　3、目标模拟器的远程控制实现方案，在目标模拟器的软件中有一个简单的本地服务器，从而对 SCPI 命令或者用户自定义的命令进行解析，达到对目标模拟器的自动控制。

　　4、目标模拟器的自动校正平台，为目标模拟器功率技术指标实现自动的校正。

　　5、软件测试包的设计与实现，提供一款软件测试包使其能够针对不同型号导弹的测试任务而自动生成对目标模拟器的控制流程。

　　6、上位机软件、自动校正平台、软件测试包的功能验证。使用目标模拟器的不同控制方法对其进行控制，验证目标模拟器能否达到技术指标，并且在长时间的使用中记录软件出现的问题，并进行优化。验证使用自动校正平台后仪器的输出信号是否能满足指标要求。使用软件测试包是否能够灵活的生成自动测试流程，从而对其进行控制。

　　1.4 论文结构安排

　　综上所述，本次论文的各个章节安排如下：

　　第一章：介绍了目标模拟器的背景与意义，以及发展现状，并讲述了目标模拟器的主要任务 ,最后对论文的各个章节进行安排。

　　第二章：讲诉目标模拟器上位机软件本地与远程模块、自动校准平台、软件测试包的功能和需求。讲解目标模拟器的硬件构成，系统软件的开发环境与工具。并重点讲述了本次软件的结构与框架。

　　第三章：详细介绍了目标模拟器的本地控制模块的设计与实现。包括如何使用 CVI 开发平台对界面进行布局与规划、人机交互事件的处理和实现、目标模拟器各功能参数的构成与处理、目标模拟器下位机解析执行控制命令的流程与思路。

　　第四章：介绍目标模拟器的服务器模块的设计过程，主要包括程控指令的接收、处理和响应。并对远程控制方式进行压力测试，了解服务器的性能。

　　第五章：讲述自动校准平台的搭建，与自动校准流程的实现，以及验证使用自动校正后，输出指标的实际情况。并通过数据分析拟合出温度对信号的影响。

　　第六章：讲述软件测试包的设计与实现过程。主要讲述如何基于 MySQL 数据库进行数据的存储与调用。以及软件测试包的软面板设计。和如何使用 Navicat工具直接对数据库进行访问。

　　第七章：介绍目标模拟器软件功能的验证。介绍目标模拟器的测试平台的搭建，并使用不同的控制方式对目标模拟器的各个功能进行验证。根据甲方需求对远程控制模块的性能做出分析。对校准平台的校准效果以及软件测试包的存储数据进行展示。

　　第八章：对本次论文以及软件设计和开发流程做出总结，提出不足之处和日后的改进方向与策略。

　　第二章 目标模拟器系统软件整体设计
　　2.1 软件功能需求分析
　　2.1.1 基于串口的本地控制模块需求分析
　　2.1.2 基于串口或者网口的远程控制模块需求分析
　　2.1.3 基于远程控制的自动校准功能需求分析
　　2.1.4 基于远程控制的软件测试包需求分析

　　2.2 系统开发平台介绍
　　2.2.1 系统硬件平台
　　2.2.2 系统软件平台
　　2.3 软件方案设计
　　2.3.1 基于串口的本地控制模块
　　2.3.2 基于网口串口的远程控制模块
　　2.3.3 自动校准平台设计
　　2.3.4 软件测试包设计
　　2.4 本章小结

　　第三章 基于串口的本地控制模块设计
　　3.1 界面的设计
　　3.2 人机交互的处理
　　3.2.1 目标模拟器前面板按键消息的处理
　　3.2.2 目标模拟器标准输入输出设备的事件处理

　　3.3 目标模拟器功能的参数设计与处理
　　3.3.1 点频功能
　　3.3.2 扫频功能
　　3.3.3 调制功能
　　3.3.4 延时功能
　　3.3.5 多普勒功能
　　3.4 下位机解析控制命令
　　3.5 本章小结

　　第四章 基于网口串口的远程控制模块设计
　　4.1 远程控制模块服务器设计
　　4.2 远程控制模块线程的设计
　　4.2.1 CVI 线程的创建与互斥处理
　　4.2.2 指令接收线程的设计
　　4.2.3 指令处理线程的设计
　　4.2.4 消息响应线程的设计
　　4.3 本章小结

　　第五章 自动校准上位机软件的设计
　　5.1 校准平台的搭建
　　5.2 校准平台软件设计与实现
　　5.2.1 自动校准平台用户界面设计
　　5.2.2 校准算法设计
　　5.2.3 功率的自动校准算法实现
　　5.2.4 温度对功率的补偿设计
　　5.2.5 影响校准精度的其他方面
　　5.3 本章小结

　　第六章 软件测试包的设计
　　6.1 CVI 与数据库的连接与操作方法
　　6.2 软件测试包上位机设计
　　6.2.1 软件测试包用户界面设计
　　6.2.2 SCPI 控制命令的生成与存入
　　6.3 使用 Navicat 生成测试流程
　　6.4 本章小结

　　第七章 软件功能测试
　　7.1 目标模拟器本地与远程控制软件测试
　　7.2 目标模拟器远程控制软件的压力测试
　　7.3 目标模拟器自动校准平台测试
　　7.4 目标模拟器软件测试包测试
　　7.5 本章小结

第八章 全文总结与展望

　　8.1 全文总结

　　本论文的研究内容来源于海军某测试系统研制项目，文中研究的目标模拟器作为现代测量仪器中必不可少的一部分。经过近两年的理论学习、方案论证、软件设计与实现，最终完成系统的联调。本论文针对国内外信号源发展现状。以研发出一款性能好，功能多，使用方便的仪器为目的。为我国导弹测试做出力所能及的贡献。本次毕业设计完成的主要工作有以下几点：

　　1、基于工控机与 NI 公司提供的 CVI 开发软件。完成目标模拟器的上位机软件设计。包含目标模拟器的本地控制方式与远程控制方式的实现。使得用户能根据自己的需求使用仪器。

　　2、基于远程控制方式的自动校准平台的设计与实现。使用第三方用户平台对校准仪器与待校准仪器进行控制。对待校准仪器的主要参数进行自动校准。使其满足技术指标要求的同时，又大大减少了人力物力成本。

　　3、软件测试包的设计与实现。为用户提供一个既能自定义导弹测试流程，又能自动生成对目标模拟器控制的 SCPI 命令，并使用数据库对数据进行保存。

　　在方便用户的同时，又大大提高了导弹测试流程的安全性。

　　最后，在整个项目的研发期间，从最开始的需求分析到软件文档的撰写，再到具体软件的实现以及与硬件的协同调试，再到最后的交付用户进行使用。对软件开发的流程有了比较清楚的认知，对以后工作也有了铺垫。

　　除开对仪器仪表的使用与设计之外，在软件的各个基础知识上也有大大的收获。对数据结构进行了学习，对常见的结构如队列、栈、堆、二叉树、链表等都有了一定的认知。对计算机网络模型也有了一定的了解，主要还是体现在传输层也即为 TCP/IP 的相关知识。对数据库也进行了一定学习，对 SQL 语言，事务，视图等概念也有了明确的认知。上述知识都在本次毕业设计中有所体现与拓展。

　　8.2 后续工作展望

　　本次毕设已经投入使用中，在各个方面都达到对本次上位机软件的要求与期望。但作为软件的开发者与使用者，对本次设计还是有些许期望与改进之处。

　　1、目标模拟器上位机软件的通用性目标模拟器的功能大多相同，都是信号源所需要实现的功能。不因以硬件的不同，软件就需要完全重做。因尽量保证对外或对内的接口一致，使其具有良好的移植性和可扩展性。 2、软件的开发流程软件版本的控制一直是软件上线前重要的一部分，经常在调试出错时不能回到上一次状态而又重新改写代码。尽管可使用备份的方法，但考虑到多人合作时每个人所需实现的功能不同，导致合码时还需要大量的调试。因此希望以后开发程序时，使用 GIT 作为版本的控制，并解决多人同时参与某一项目时所出现的问题。

　　3、软件使用平台本次软件使用的平台为 Windows.相比于 Windows,Linux 具有更好的稳定性与安全性。因此后期的完善中，还需要考虑如何将软件移植 Linux.使其在不同操作系统下都可正常使用。 4、自动校准平台的复用性本次自动校准平台的设计具有一定的专用性，对其他同类型的仪器，该平台将不能正确使用，之后还需要考虑该平台的通用性，不应该同类型的产品就需要一款单独的校准平台。或者应该减少对平台本身的更改。使其具有良好的扩展性。

致 谢

　　硕士三年的时间即将过去，无论是在研一的上课期间，研二到研三做项目期间都有颇多感慨。认识到了军工项目的严谨与仔细，也到第一现场看到了我国军事力量的强大，也与项目组的同学们彻夜奋斗过。了解到科研过程中的艰难，与收获的喜悦。

　　首先要感谢田书林、田雨、曾浩老师为我提供一个在整个自动化学院中最有凝聚力的，最有科研精神，最有学术氛围的团队之中。这个环境深深的影响到了我，对我以后的职业发展将起到至关重要作用。感谢各位老师在项目的设计与实现过程中，时刻给我的帮助与指导和信任，使得项目能顺利完成。同样，还要感谢教研室的袁渊老师、兰京川老师、郭连平等各位老师。

　　其次还要感谢吴政庭师兄，邓博文师兄，丁博辰师兄。师兄们给了我极大的帮助，无论是在项目的研发以及职业的规划中，师兄们都是我领路人。

　　当然我还要感谢我的女朋友柳依辰，感谢她默默的支持，以及对我思想的鞭策。

　　最后，还要感谢审稿老师以及答辩老师

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