便携式功率分析仪设计--键盘设计与校准、调试与测量
来源：电源网
键盘操作
一般的测量仪器都可通过按键输入命令对仪器进行测量，按键的种类很多，从机械结构来分有机械接触式的，导电橡胶的等，但无论何种按键都具有一个最基本的特性，那就是能实现触点的通和断，然后通过电路实现电气上的逻辑通和断，从而实现功能的控制，在现代电子测量仪器中一个按键能表示一个使仪器完成某种操作的命令，也可用几个按键组合完成一个特定的命令，还能用一个按键在不同的状态下表示不同的命令，但一般每个按键都有其唯一的代码。cpu通过读代码来识别按键进行处理，按键的排列一般都是矩阵形式，每一个按键都有唯一的行、列位置，所以cpu通过确定按键的行列来确定按键的位置，键盘与cpu的连接方式有两种，一种是利用中断，当有键按下时，按键闭合，键盘板产生一个中断信号，cpu转入键盘处理程序，另一种就是利用查询法，定时读回键盘列信号，判断是否有键按下，如果有，则转入键盘处理程序，如果没有，则执行其他命令。
键盘扫描控制
当键盘数目较多时，为了节省单片机的接口资源，应该采用矩阵式键盘，其行线上的电平由键盘接口的扫描输出控制，行线上按一定的顺序依次出现低电平，在没有键按下时，各列线均被上拉电阻拉为高电平，并且在任意时刻只有一跟行线出现低电平。若有某键按下，它所在的列将会被拉成低电平。在键盘扫描和键盘读入高速同步进行的情况下，相对速度较慢的按键动作总是可以被捕捉到的。键盘接口可采用普通的带选通的逻辑电路芯片，键盘的扫描操作不应该安排在非中断的常规程序中，因为那样将影响主程序的运行速度，解决的方法之一就是将键盘扫描程序作为独立的一块，仅在主程序产生中断时调用，二是选用在键盘按下时会产生中断的芯片。
在实际设计中我们采用了非编码键盘，使用逐行扫描方式进行键盘扫描。逐行扫描法的实现方法是：通过执行键盘扫描程序对键盘矩阵进行扫描，以识别按键的行、列位置。程序查询的步骤如下：
1)查询是否有键按下。
首先由cpu对行线的各位置“0”，然后cpu再从列线读入数据。若读入的数据为全“1”，表示无键按下;只要读入的数据中有一位不为“1”，表示有键按下，接着查按键的位置。
2)查询已按下键的位置。
a.查询已按下的键在哪一列。哪一位列线为“0”，表示被按下的键就肯定在这一列中。
b.查询已按下的键在哪一行。需要逐行进行扫描。cpu首先使x0=0，x1～x7为全“1”，读入y0～y7，若为全“1”，表示按键不在这一行;接着使x1=0，其余各位为全“1”，读入y0～y7，……，直至y0～y7不为全“1”为止。
3)按行号和列号求键的位置码。
得到的行号和列号表示按下键的位置码。若该键是字符键，则根据这个键码到专用的rom中取出此键的ascii码;若该键是功能键，则转入相应的服务子程序，完成其功能操作。
任何机械式按键，在断开和闭合时均会因碰撞的弹跳而造成机械抖动，这种抖动在电气上产生时断时续的信号，使得高速的电子逻辑电路出现错误的结果，针对这种抖动现象，可以采用两种消除方法，一种是在软件中安排消抖算法，软件方法就是在判断有键按下后，软件延迟一段时间再判断键盘状态，否则认为是按键抖动，重新进行扫描。二是采用硬件消抖电路，硬件方法就是给列信号线上加一个低通滤波器，消除按键过程中的尖峰抖动。在本系统设计过程中的消除抖动采用软件延迟法，利用定时器delayns()完成延迟判断，从而达到消抖的目的。
除了按键以外，一般的测量仪器键盘上还有旋钮。旋钮与按键不同，对旋钮而言是要能表示两种动作：左旋、右旋。而在旋钮静止状态，旋钮所占用的信号线既可能导通又可能截止。所以在矩阵式键盘上对旋钮动作的识别不同：首先行线上按一定的顺序依次出现低电平，若旋钮无动作时，旋钮所占用的两条列线的状态不变，若旋钮有动作时，旋钮所占用的两条列线的状态会连续变化，且变化规律类似于：00->01->11->10->00或00->10->11->01->00.由此可判断出是哪个旋钮动作和旋钮的旋转方向。对旋钮，机械抖动问题很小。
键盘接口
在本系统设计中，由于串口通讯中要求发送和接受双方必须遵守数据格式和时间限制等方面的统一规定，这样才能保证正常进行。这使得串口通讯方式控制起来略显烦琐，为使键盘扫描控制更加简单，键盘的硬件接口没有使用arm的串口，其键盘通讯以外接4×4键盘为例，我们是直接利用arm的p1.16～p1.23口的第一功能标准i/o口，分为行变量line[]、列变量column[]来实现键盘操作控制的，这样进行如前文所述的逐行扫描法时，将十分直观和简便。
第五章校准、调试与测量
任何计量器具由于种种原因都具有不同程度的误差计量器具的误差，只在允许的范围内才能应用，否则将带来错误的计量结果。对于新制的或修理后的计量器具必须用适当等级的计量标准来确定其计量特性是否合格，对于使用中的计量器具必须用适当等级的计量标准对其进行周期检定，另外有些计量器具必须借助适当等级的计量标准来确定其示值和其它计量性能，因此量值传递的必要性是显而易见的。
常用仪器校准方法
微波功率量值传递的关键是减小失配误差。功率的量值传递方法大致可分为四类：
①交替连接比较法：把标准功率计和被校功率计交替接到稳定的信号源上进行校准。这种方法的误差较大，但简单易行，在准确度要求不高的情况下广泛使用。
②单定向耦合器直接比较法：利用定向耦合器-功率检波器组合，提供一个稳幅的低反射系数的等效信号源。当采用调配措施后，可使等效信号源的反射系数小于0.005，减小失配误差，然后用功率标准对其校准，确定校准系数后可作为传递标准，用来单独校准其他功率计。
③调配反射计法：为了有效地消除失配误差、提高功率测量和量值传递的准确度，1960年开始采用反射计法进行功率量值传递，利用调配反射计技术，有效地将入射波与反射波分开以消除失配误差。但这种方法复杂，技术要求很高。
④功率方程法：1969年g.f.恩金提出一种描述和计算微波系统的“功率方程概念”，用传输的净功率这一基本实数参量替代电路理论中的复数行波波幅来分析和计算微波系统，放宽了对均匀波导，特别是对精密同轴接头的要求，对失配误差的修正提出了一个确定解，克服了电路理论只能估计失配误差极限的缺点。功率方程法采用广义反射计技术的校准系统。它测量两个实数的失配因子，对失配误差进行精确修正，测量准确度可达到±0.2%。在实际校准测试过程中，我们选用的设计方法较为简单的单定向耦合器直接比较法进行仪器校准，从而生成校准参数。
校准调试功率校准
主要针对a/d采样值与实际功率值间的转换关系和功率的频响误差进行。通过功率测量过程，我们将校准主要分为以下4个部分：通道校准、功率测量校准、频率测量校准、功率频响校准。
通道校准
我们在计算功率值时，是利用的a/d采样得到的十六进制表示的电压值，为了获得实际射频信号经过检波模块输出电压值，就必须通过此时a/d采样得到的电压和实际电压的对应关系拟合出实际电压值和a/d前端电压值的曲线。由于在通道设计上我们在a/d之前加入ad8369(可变增益放大器)实现3db步长的数字增益调节，所以拟合曲线根据不同衰减挡位进行拟合。
设该功率计的测量范围是-57dbm到+23dbm(频率在10mhz～6ghz)的射频信号。根据检波模块的特性可知，其向后端输出电压范围是0.5v到2.5v，故先固定ad8369的衰减挡位，以4dbm为步进(以得到较为明显的电压变化)从-57dbm到+23dbm分别测出其a/d采样值v a/d与检波器实际输出值v t，然后用最小二乘法进行直线拟合得到一条va/d和vt之间关系直线。再调整ad8369的信号衰减参数，最后计算得到十六条va/d和vt之间关系的拟合直线，这样a/d采样值才能较为真实的反应输入采样通道的实际值，这为后面的功率测量值校准提供先决条件。
功率测量值校准
在功率计算中，关键部分是测量脉冲调制信号的峰值功率值。此时捕捉到的峰值仅仅是a/d采样得到的十六进制表示的电压值。通过此时电压和功率的对应关系拟合出电压值和功率值的曲线。
由前面的分析可知，经峰值检波后所得包络的峰值与其相应的峰值功率值成线性关系，所以以1dbm为步进从-57dbm到+23dbm分别测出其a/d采样值pa/d与实际功率值pw，然后用最小二乘法进行直线拟合得到一条p a/d和p w之间关系直线：
频率校准部分
频率校准部分主要是校准温度对频率的影响。在前面硬件部分讲述过，温度对频率的影响主要是因为晶振的频率受到温度的影响，从而导致1秒门与实际有偏差。温度的校准也就是对门控的校准。校准程序主要通过查表的方式对门控的温度误差进行补偿。通过试验测得一组温度点和门控误差对应的数据。读取温度传感器读取当前温度的环境温度，查表获得对应点的门控误差。在温度点之间的温度值通过曲线拟合的直线获得此刻温度的门控的误差。
将门控误差补偿后，其中，freu为温度补偿前的频率值，t d为温度补偿后的门控信号。则fre为补偿后的实际频率。
功率频响校准
功率的频响进行校准是功率校准主要部分。在设计中，以脉冲作为门控，对载波进行计数，实现了在脉冲方式下对频率的粗略测量。在得到信号的频率后，功率的频响校准就可以根据测得的频率值采用查表的方式进行功率频响校准。功率受到的频响并不恒定，在不同功率段的频响并不完全一致。所以功率的频响校准表采用二维表格。根据功率段和频率段共同因素决定功率补偿的系数。所以在设计中对频响误差的补偿采用插值法，先将功率计测量的功率范围(-60dbm到20dbm)每隔4dbm取一个功率点di(i=0，1，2，……，10)，功率达到0dbm以上时，加入功率衰减。再对每个功率点d i从500mhz起到2.4ghz，每隔100khz取一个点dij(i=0，1，2，……，10，j=0，1，2，……，13)，分别测出dij点的峰值功率值p w [i][j].同一功率点dij在不同频率处测得的pw[i][j]相对于1ghz处的pw存在着误差e[i][j]：
e[i][j]= pw [i][j]- pw [i][5]。
这样便可得到一个关于频率j，功率pw [i][j]和误差e[i][j]间的关系表。将以上所得的所有校准数据存入一个数据文件保存，供测量之用。测量时，首先根据式(5-1)将a/d采样的数据换算成相应的功率值pw。由频率测量得到的信号频率，由p w和查表得到相应的频响误差e.由式(5-4)可知最终测得的峰值功率值pwr为：通过上述4部分的校准所得校准参数，制作校准表，通过上位机调试软件(或是功率分析仪自身键盘)输入并保存在arm的flash中。根据前文所述控制程序工作流程，每次测量结束后，功率计算。
调试结果
载波频率输入范围选用ad8318对数检波器，其最大输入范围1mhz～8ghz，在系统设计要求的10mhz～6ghz载波频率输入范围内，拥有良好的检波精度和大动态范围，满足系统要求;测量功率范围-60dbm～0dbm，功率测量精度±1db，在0dbm～+20dbm范围误差相对较大，这是加入功率衰减部分，其引入的误差使测量精度下降。由于开关固定衰减器在温度稳定性很好，但其插入器件较多，损耗较大，仍然需要改进，该指标基本满足设计需求;频率测量范围10mhz～3ghz(由于原有固定分频器损坏)，频率测量精度≤±1khz，未达到要求仍需修改。
要求能捕获的最小窄脉冲信号宽度为0.4us，功率探头设计采用ad8318拥有高达8ns的响应速度，能够准确检测输入窄脉冲功率变化;后端主机设计选用ad9480高速adc，保证对检波输出电压信号做准确捕获，经测试达到设计要求。
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一般的测量仪器都可通过按键输入命令对仪器进行测量，按键的种类很多，从机械结构来分有机械接触式的，导电橡胶的等，但无论何种按键都具有一个最基本的特性，那就是能实现触点的通和断，然后通过电路实现电气上的逻辑通和断，从而实现功能的控制，在现代电子测量仪器中一个按键能表示一个使仪器完成某种操作的命令，也可用几个按键组合完成一个特定的命令，还能用一个按键在不同的状态下表示不同的命令，但一般每个按键都有其唯一的代码。cpu通过读代码来识别按键进行处理，按键的排列一般都是矩阵形式，每一个按键都有唯一的行、列位置，所以cpu通过确定按键的行列来确定按键的位置，键盘与cpu的连接方式有两种，一种是利用中断，当有键按下时，按键闭合，键盘板产生一个中断信号，cpu转入键盘处理程序，另一种就是利用查询法，定时读回键盘列信号，判断是否有键按下，如果有，则转入键盘处理程序，如果没有，则执行其他命令。
键盘扫描控制
当键盘数目较多时，为了节省单片机的接口资源，应该采用矩阵式键盘，其行线上的电平由键盘接口的扫描输出控制，行线上按一定的顺序依次出现低电平，在没有键按下时，各列线均被上拉电阻拉为高电平，并且在任意时刻只有一跟行线出现低电平。若有某键按下，它所在的列将会被拉成低电平。在键盘扫描和键盘读入高速同步进行的情况下，相对速度较慢的按键动作总是可以被捕捉到的。键盘接口可采用普通的带选通的逻辑电路芯片，键盘的扫描操作不应该安排在非中断的常规程序中，因为那样将影响主程序的运行速度，解决的方法之一就是将键盘扫描程序作为独立的一块，仅在主程序产生中断时调用，二是选用在键盘按下时会产生中断的芯片。
在实际设计中我们采用了非编码键盘，使用逐行扫描方式进行键盘扫描。逐行扫描法的实现方法是：通过执行键盘扫描程序对键盘矩阵进行扫描，以识别按键的行、列位置。程序查询的步骤如下：
1)查询是否有键按下。
首先由cpu对行线的各位置“0”，然后cpu再从列线读入数据。若读入的数据为全“1”，表示无键按下;只要读入的数据中有一位不为“1”，表示有键按下，接着查按键的位置。
2)查询已按下键的位置。
a.查询已按下的键在哪一列。哪一位列线为“0”，表示被按下的键就肯定在这一列中。
b.查询已按下的键在哪一行。需要逐行进行扫描。cpu首先使x0=0，x1～x7为全“1”，读入y0～y7，若为全“1”，表示按键不在这一行;接着使x1=0，其余各位为全“1”，读入y0～y7，……，直至y0～y7不为全“1”为止。
3)按行号和列号求键的位置码。
得到的行号和列号表示按下键的位置码。若该键是字符键，则根据这个键码到专用的rom中取出此键的ascii码;若该键是功能键，则转入相应的服务子程序，完成其功能操作。
任何机械式按键，在断开和闭合时均会因碰撞的弹跳而造成机械抖动，这种抖动在电气上产生时断时续的信号，使得高速的电子逻辑电路出现错误的结果，针对这种抖动现象，可以采用两种消除方法，一种是在软件中安排消抖算法，软件方法就是在判断有键按下后，软件延迟一段时间再判断键盘状态，否则认为是按键抖动，重新进行扫描。二是采用硬件消抖电路，硬件方法就是给列信号线上加一个低通滤波器，消除按键过程中的尖峰抖动。在本系统设计过程中的消除抖动采用软件延迟法，利用定时器delayns()完成延迟判断，从而达到消抖的目的。
除了按键以外，一般的测量仪器键盘上还有旋钮。旋钮与按键不同，对旋钮而言是要能表示两种动作：左旋、右旋。而在旋钮静止状态，旋钮所占用的信号线既可能导通又可能截止。所以在矩阵式键盘上对旋钮动作的识别不同：首先行线上按一定的顺序依次出现低电平，若旋钮无动作时，旋钮所占用的两条列线的状态不变，若旋钮有动作时，旋钮所占用的两条列线的状态会连续变化，且变化规律类似于：00->01->11->10->00或00->10->11->01->00.由此可判断出是哪个旋钮动作和旋钮的旋转方向。对旋钮，机械抖动问题很小。
键盘接口
在本系统设计中，由于串口通讯中要求发送和接受双方必须遵守数据格式和时间限制等方面的统一规定，这样才能保证正常进行。这使得串口通讯方式控制起来略显烦琐，为使键盘扫描控制更加简单，键盘的硬件接口没有使用arm的串口，其键盘通讯以外接4×4键盘为例，我们是直接利用arm的p1.16～p1.23口的第一功能标准i/o口，分为行变量line[]、列变量column[]来实现键盘操作控制的，这样进行如前文所述的逐行扫描法时，将十分直观和简便。
第五章校准、调试与测量
任何计量器具由于种种原因都具有不同程度的误差计量器具的误差，只在允许的范围内才能应用，否则将带来错误的计量结果。对于新制的或修理后的计量器具必须用适当等级的计量标准来确定其计量特性是否合格，对于使用中的计量器具必须用适当等级的计量标准对其进行周期检定，另外有些计量器具必须借助适当等级的计量标准来确定其示值和其它计量性能，因此量值传递的必要性是显而易见的。
常用仪器校准方法
微波功率量值传递的关键是减小失配误差。功率的量值传递方法大致可分为四类：
①交替连接比较法：把标准功率计和被校功率计交替接到稳定的信号源上进行校准。这种方法的误差较大，但简单易行，在准确度要求不高的情况下广泛使用。
②单定向耦合器直接比较法：利用定向耦合器-功率检波器组合，提供一个稳幅的低反射系数的等效信号源。当采用调配措施后，可使等效信号源的反射系数小于0.005，减小失配误差，然后用功率标准对其校准，确定校准系数后可作为传递标准，用来单独校准其他功率计。
③调配反射计法：为了有效地消除失配误差、提高功率测量和量值传递的准确度，1960年开始采用反射计法进行功率量值传递，利用调配反射计技术，有效地将入射波与反射波分开以消除失配误差。但这种方法复杂，技术要求很高。
④功率方程法：1969年g.f.恩金提出一种描述和计算微波系统的“功率方程概念”，用传输的净功率这一基本实数参量替代电路理论中的复数行波波幅来分析和计算微波系统，放宽了对均匀波导，特别是对精密同轴接头的要求，对失配误差的修正提出了一个确定解，克服了电路理论只能估计失配误差极限的缺点。功率方程法采用广义反射计技术的校准系统。它测量两个实数的失配因子，对失配误差进行精确修正，测量准确度可达到±0.2%。在实际校准测试过程中，我们选用的设计方法较为简单的单定向耦合器直接比较法进行仪器校准，从而生成校准参数。
校准调试功率校准
主要针对a/d采样值与实际功率值间的转换关系和功率的频响误差进行。通过功率测量过程，我们将校准主要分为以下4个部分：通道校准、功率测量校准、频率测量校准、功率频响校准。
通道校准
我们在计算功率值时，是利用的a/d采样得到的十六进制表示的电压值，为了获得实际射频信号经过检波模块输出电压值，就必须通过此时a/d采样得到的电压和实际电压的对应关系拟合出实际电压值和a/d前端电压值的曲线。由于在通道设计上我们在a/d之前加入ad8369(可变增益放大器)实现3db步长的数字增益调节，所以拟合曲线根据不同衰减挡位进行拟合。
设该功率计的测量范围是-57dbm到+23dbm(频率在10mhz～6ghz)的射频信号。根据检波模块的特性可知，其向后端输出电压范围是0.5v到2.5v，故先固定ad8369的衰减挡位，以4dbm为步进(以得到较为明显的电压变化)从-57dbm到+23dbm分别测出其a/d采样值v a/d与检波器实际输出值v t，然后用最小二乘法进行直线拟合得到一条va/d和vt之间关系直线。再调整ad8369的信号衰减参数，最后计算得到十六条va/d和vt之间关系的拟合直线，这样a/d采样值才能较为真实的反应输入采样通道的实际值，这为后面的功率测量值校准提供先决条件。
功率测量值校准
在功率计算中，关键部分是测量脉冲调制信号的峰值功率值。此时捕捉到的峰值仅仅是a/d采样得到的十六进制表示的电压值。通过此时电压和功率的对应关系拟合出电压值和功率值的曲线。
由前面的分析可知，经峰值检波后所得包络的峰值与其相应的峰值功率值成线性关系，所以以1dbm为步进从-57dbm到+23dbm分别测出其a/d采样值pa/d与实际功率值pw，然后用最小二乘法进行直线拟合得到一条p a/d和p w之间关系直线：
频率校准部分
频率校准部分主要是校准温度对频率的影响。在前面硬件部分讲述过，温度对频率的影响主要是因为晶振的频率受到温度的影响，从而导致1秒门与实际有偏差。温度的校准也就是对门控的校准。校准程序主要通过查表的方式对门控的温度误差进行补偿。通过试验测得一组温度点和门控误差对应的数据。读取温度传感器读取当前温度的环境温度，查表获得对应点的门控误差。在温度点之间的温度值通过曲线拟合的直线获得此刻温度的门控的误差。
将门控误差补偿后，其中，freu为温度补偿前的频率值，t d为温度补偿后的门控信号。则fre为补偿后的实际频率。
功率频响校准
功率的频响进行校准是功率校准主要部分。在设计中，以脉冲作为门控，对载波进行计数，实现了在脉冲方式下对频率的粗略测量。在得到信号的频率后，功率的频响校准就可以根据测得的频率值采用查表的方式进行功率频响校准。功率受到的频响并不恒定，在不同功率段的频响并不完全一致。所以功率的频响校准表采用二维表格。根据功率段和频率段共同因素决定功率补偿的系数。所以在设计中对频响误差的补偿采用插值法，先将功率计测量的功率范围(-60dbm到20dbm)每隔4dbm取一个功率点di(i=0，1，2，……，10)，功率达到0dbm以上时，加入功率衰减。再对每个功率点d i从500mhz起到2.4ghz，每隔100khz取一个点dij(i=0，1，2，……，10，j=0，1，2，……，13)，分别测出dij点的峰值功率值p w [i][j].同一功率点dij在不同频率处测得的pw[i][j]相对于1ghz处的pw存在着误差e[i][j]：
e[i][j]= pw [i][j]- pw [i][5]。
这样便可得到一个关于频率j，功率pw [i][j]和误差e[i][j]间的关系表。将以上所得的所有校准数据存入一个数据文件保存，供测量之用。测量时，首先根据式(5-1)将a/d采样的数据换算成相应的功率值pw。由频率测量得到的信号频率，由p w和查表得到相应的频响误差e.由式(5-4)可知最终测得的峰值功率值pwr为：通过上述4部分的校准所得校准参数，制作校准表，通过上位机调试软件(或是功率分析仪自身键盘)输入并保存在arm的flash中。根据前文所述控制程序工作流程，每次测量结束后，功率计算。
调试结果
载波频率输入范围选用ad8318对数检波器，其最大输入范围1mhz～8ghz，在系统设计要求的10mhz～6ghz载波频率输入范围内，拥有良好的检波精度和大动态范围，满足系统要求;测量功率范围-60dbm～0dbm，功率测量精度±1db，在0dbm～+20dbm范围误差相对较大，这是加入功率衰减部分，其引入的误差使测量精度下降。由于开关固定衰减器在温度稳定性很好，但其插入器件较多，损耗较大，仍然需要改进，该指标基本满足设计需求;频率测量范围10mhz～3ghz(由于原有固定分频器损坏)，频率测量精度≤±1khz，未达到要求仍需修改。
要求能捕获的最小窄脉冲信号宽度为0.4us，功率探头设计采用ad8318拥有高达8ns的响应速度，能够准确检测输入窄脉冲功率变化;后端主机设计选用ad9480高速adc，保证对检波输出电压信号做准确捕获，经测试达到设计要求。
适用于指导能源创新公共举措的六个原则
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