USB总线微波功率计设计

3.1 USB控制器固件设计
　运行在CY7C68013A上的固件程序采用C语言编写并在Keil C开发环境中编译,负责控制CY7C68013A接收并响应应用程序及USB驱动程序的请求、通过端点FIFO收发数据。固件框架如图5所示,主要包含初始化、处理标准USB设备请求以及USB挂起时的电源管理等[3]。框架首先初始化全局变量,然后调用用户初始化函数TD_Init()。从该函数返回后,框架初始化USB接口到未配置状态并使能中断，然后每隔1 s进行一次设备重枚举,直到端点0接收到一个SETUP包,同时系统将开始执行交互的任务调度。

3.2 底层驱动程序
　本文在LabWindows/CVI环境下通过NI-VISA开发能驱动用户USB设备的程序，降低了开发USB驱动程序的复杂性，大大缩短了开发周期。VISA是计算机与仪器之间的软件层连接,利用VISA开发的软件具有较好的可移植性。
　在LabWindows/CVI环境下使用VISA实现USB通信需要先对NI-VISA进行简单的配置，然后使用相关的函数完成相应的操作。NI-VISA的具体配置步骤：(1)使用Driver Development Wizard(驱动程序开发向导)创建INF文档；(2)安装INF文档,并安装使用INF文档的USB设备；(3)使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互动控制工具)对设备进行测试，以证实USB设备已正确安装，并获得USB设备的各属性值。完成NI-VISA的配置后，就可以在LabWindows/CVI中使用VISA提供的函数实现与USB驱动程序的通信，以实现各种功能。
3.3用户应用程序
　USB总线微波功率计软件实现的主要功能包括：对USB外设的控制、数据采集、数据处理、数据的显示和存储、响应用户请求、实现其他功能。为合理利用系统资源，提高系统响应速度，本文采用LabWindows/CVI多线程技术编写了并行执行的多任务程序。在软件的编写过程中，采用VISA技术和多线程的编程思想，以图形用户接口为主线程，以数据采集、数据处理与存储和数据显示为次线程。数据采集线程中使用VISA技术完成对USB设备的数据读取和控制，完成数据的实时采集，并将采集到的数据放入线程安全队列TSQ中，然后数据处理与存储线程从线程安全队列TSQ读取数据，并进行处理和存储，最后再将数据送到数据显示线程，完成数据的显示。线程间的控制调度和数据信息的传输如图6所示。

4 多维数字校准技术
由参考文献[4]可知，由于二极管检波器检波存在平方率—非平方率特性，即使输入纯线性功率变化的微波信号进入功率计探头，检波二极管也不能得到线性的检波直流电压,要想使用检波电压得到准确的输入功率，必须进行线性校准。二极管检波还存在检波频响特性，即检波直流电压的效率随着输入微波信号的频率变化而不同,二极管检波的频响特性主要由检波组件的微带电路、二极管材料及其制作工艺等决定，需要频响校准予以消除。此外，二极管检波还受工作温度的影响，本文的校准工作在常温下完成。
4.1二极管检波的线性校准
　功率线性校准的作用就是使位于不同特性区的检波电压的转换数据，经过线性数据校准之后，能够得到与输入功率对应的准确功率表示值。
　本文采用高精度的ADC对二极管检波电压完成ADC转换。常温下,采用AV1487超宽带合成扫频信号发生器以1 dB为步进在-55 dBm～+20 dBm范围内产生76个信号样本点，为保证其准确性，每个样本点利用安捷伦E4419A微波功率计对其进行测量，然后改用本文试制的功率计测量，记录每个信号样本点对应的ADC值，建立一组ADC基本数据节点。基本功率校准节点建立完毕后，为了减小测试误差，依据三次样条插值算法，增加数据插值节点。本文将全量程ADC分为四段处理，每大段等分为N小段,可以根据测量精度的需要进行设置，相邻量程之间保留1 dBm的过渡带。设定每大段内ADC最小值和最大值分别为ADCmin和ADCmax。大段的划分规则为：

式中，i=1，2，3，4，这样总共产生了(N1+N2+N3+N4)个数据点，将此四个数组称作功率线性校准表格，分别记为CALTab[n](n=1,2,3,4)，每个ADC数据点对应的功率值由三次样条插值算法产生。测量过程中得到的ADC值对应的功率表示值就通过这(N1+N2+N3+N4)个功率线性校准数据表格查表得到。

5 测试与测试结果分析
常温下，在10 MHz～18 GHz频率范围、-55 dBm～+20 dBm功率范围内随机抽取50个待测功率样本点，使用本文设计的USB总线微波功率计与标准功率计先后进行测量，表1给出了其中7个样本点对比试验结果：
由表1可以看出，在输入信号整个动态范围内两端的相对误差较大，分析低端误差产生的原因是微弱信号检测电路稳定性有待提高，高端产生误差原因是二极管受温度影响较强。

本文介绍了一种USB总线微波功率计设计方法