IVI技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的自動檢定方案

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器憑借數(shù)字技術(shù)和軟件大大擴(kuò)展了工作能力，早期產(chǎn)品的取樣率低、存在較大死區(qū)時間、屏幕刷新率低等不足得到較大改善，以前難以觀察的調(diào)制信號、通訊眼圖、視頻信號等復(fù)合信號越來越容易觀察。

數(shù)字示波器可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析，特別適合于捕獲復(fù)雜動態(tài)信號中產(chǎn)生的全部細(xì)節(jié)和異?，F(xiàn)象，因而在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

為了讓示波器工作在合格的狀態(tài)，對示波器定期、快速、全面的檢定，保證其量值溯源，是擺在測試工程師面前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

手工檢定效率低，容易出錯，對每一種示波器的檢定需要測試工程師翻閱大量的資料；自動測試系統(tǒng)具有準(zhǔn)確快速地測量參數(shù)、直觀地顯示測試結(jié)果、自動存儲測試數(shù)據(jù)等特性，是傳統(tǒng)的手工測試無法達(dá)到的。用自動測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對示波器的程控檢定將會是儀器檢定的趨勢。

GPIB、VXI、PXI是自動測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線，GPIB以性能穩(wěn)定、操作方便、價格低廉贏得用戶的認(rèn)可。這里選用了GPIB作為測試系統(tǒng)的總線。

1、硬件設(shè)計(jì)

基于GPIB的數(shù)字示波器自動檢定系統(tǒng)的硬件由GPIB控制器、FLUKE5500A、被檢定數(shù)字示波器和PC機(jī)以及打印機(jī)等外圍設(shè)備組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 GPIB接口控制器

1.1.1 GPIB總線

GPIB是惠普公司于20世紀(jì)60年代末、70年代初開發(fā)的實(shí)用儀器接口系統(tǒng)。由于對測試儀器的控制很方便，并且具有較高的傳輸速度（1Mbps），GPIB于1975年被定為IEEE488標(biāo)準(zhǔn)，1987年修定為IEEE488.1—1987。GPIB總線是數(shù)字化的24腳并行總線，有8根線是地線和屏蔽線，另外16根線是TTL電平信號傳輸線，包括8根數(shù)據(jù)線、5根接口管理線和3根數(shù)據(jù)傳輸控制線。GPIB使用8位并行、字節(jié)串行、異步通訊方式，所有字節(jié)通過總線順序傳送。

GPIB系統(tǒng)設(shè)備有控者、講者和聽者三種屬性。實(shí)際設(shè)備具有其中的一種、兩種或三種。作為控者，它可以通過尋址指定連接到總線上具有講者屬性的器件成為講者和具有聽者屬性的器件作為聽者，包括指定它自己。講者能通過總線向其他器件發(fā)送數(shù)據(jù)。聽者能從總線上接收講者發(fā)送的數(shù)據(jù)。一般來說在GPIB系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)是控者，具有講、聽、控三種屬性。為避免總線沖突，IEEE488規(guī)定一次只能有一個講者，但可以同時有幾個聽者。由于GPIB系統(tǒng)中各器件的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線消息能夠雙向、異步、可靠地傳輸，GPIB母線中設(shè)置了三條握手線，分別為數(shù)據(jù)有效線、未準(zhǔn)備好接收線和未收到數(shù)據(jù)線。

1.1.2 BC-1402-2接口控制器

在本系統(tǒng)中采用的GPIB控制器是貝卡科技公司開發(fā)的BC-1401-2型USB-GPIB接口控制器，它帶有USB接口，把USB總線轉(zhuǎn)換成GPIB總線，操作GPIB儀器。其特點(diǎn)是：完全符合IEEE488.1和IEEE488.2國際標(biāo)準(zhǔn)，支持PCI、USB、Ethernet工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)傳輸率為900kbps，適合PC機(jī)與儀器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸；提供了一套I/OGPIB操作函數(shù)庫，其函數(shù)與ISA總線的ES1400系列接口控制器相同；提供了一套符合VPP規(guī)范的虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)了凡是采用VISA函數(shù)開發(fā)的應(yīng)用程序，在更換不同廠家的不同型號的GPIB接口控制器時，應(yīng)用程序不需要作任何修改；該接口控制器可以用C/C++、VC++、VB、LabView、LabWindows/CVI、HP-VEE、Delphi等多種語言編制測試程序，方便而靈活。

1.2 FLUKE5500A

FLUKE5500A是美國福祿克公司的一款高性能的多功能校準(zhǔn)儀，可以對手持式和臺式多用表、示波器、示波表、功率計(jì)、電子溫度表、數(shù)據(jù)采集器、功率諧波分析儀、過程校準(zhǔn)器等多種儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。FLUKE5500A提供了GPIB（IEEE-488）、RS-232、5725A三種標(biāo)準(zhǔn)接口；在安全性方面滿足IEC1010-1（1992-1）、ANSI/ISA-S82.01-1994、CAN/CSA-C22.2NO.1010.1-92標(biāo)準(zhǔn)；FLUKE5500A輸出電壓可以達(dá)到1100V，電流輸出可達(dá)11A，可以提供直流電壓和電流、交流電壓和電流的多種波形和諧波，同時輸出兩路電壓，或者是一路電壓和一路電流，模擬功率、電阻、電容熱電偶和RTD。其示波器校準(zhǔn)件還提供了穩(wěn)幅正弦波、快沿、時間標(biāo)記和幅度信號。

1.3 主控PC

PC作為系統(tǒng)的“主控者”，通過發(fā)布命令給GPIB接口控制器實(shí)現(xiàn)對FLUKE5500A和被檢定示波器的控制，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：儀器的初始化、復(fù)位、儀器參數(shù)設(shè)置；命令FLUKE5500A產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號，同時被檢示波器顯示；讀取/保存儀器數(shù)據(jù)并傳給PC等。

2、軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件平臺的選擇

軟件是本數(shù)字示波器自動檢定系統(tǒng)的核心，軟硬件能否穩(wěn)定、協(xié)調(diào)地工作是系統(tǒng)能夠?qū)?shù)字示波器快速、可靠檢定的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的Windows2003Server操作系統(tǒng)、SQLSever2005（開發(fā)版）數(shù)據(jù)庫以及Visual.NET2005作為開發(fā)平臺，以C/C++作為編程語言，同時在驅(qū)動程序方面選用NI公司的LabWindows/CVI7.0做部分程序的驅(qū)動開發(fā)。同時采用MAX（Measurement&Automation）作為IVI驅(qū)動配置程序。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)VISA和IVI

VISA是VXIplug&play聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)。制定VISA的目的是確保不同廠商、不同接口標(biāo)準(zhǔn)的儀器能相互兼容、可以通訊和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其顯著特點(diǎn)是：VISA是采用了先進(jìn)的面向?qū)ο缶幊趟枷雭韺?shí)現(xiàn)的；它是當(dāng)前所有儀器接口類型功能函數(shù)的超集成，而且十分簡潔，只有90多個函數(shù)；VISA作為標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，與儀器的I/O接口類型無關(guān)，方便程序移植。對于驅(qū)動程序、應(yīng)用程序開發(fā)者而言，VISA庫函數(shù)是一套可以方便調(diào)用的函數(shù)，可以控制各種設(shè)備如GPIB、VXI、PXI等。

IVI（InterchangeableVirtualInstrument）是IVI基金會為了進(jìn)一步提高儀器驅(qū)動程序的可執(zhí)行性能，達(dá)到真正意義上的儀器互換，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序完全獨(dú)立于硬件而推出的儀器驅(qū)動程序編程接口。IVI系統(tǒng)由IVI類驅(qū)動程序、具體驅(qū)動程序、IVI引擎、IVI配置實(shí)用程序、IVI配置信息文件五部分組成。類驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了上層統(tǒng)一功能的封裝，面對的是操作者，而具體驅(qū)動程序完成與具體儀器的通信。測試程序是調(diào)用類驅(qū)動程序，用類驅(qū)動程序調(diào)用具體驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)測試程序和硬件的無關(guān)性。IVI引擎完成狀態(tài)緩存、儀器屬性跟蹤、分類驅(qū)動程序到具體驅(qū)動程序的映射功能。IVI配置實(shí)用程序是采用軟件MAX創(chuàng)建和配置IVI邏輯名，在測試程序中通過傳送邏輯名給一個分類驅(qū)動程序初始化函數(shù)，將操作映射到具體儀器及儀器驅(qū)動程序。IVI配置信息文件記錄了所有邏輯名和從類驅(qū)動程序到具體儀器驅(qū)動程序的映射信息。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 測試軟件架構(gòu)

2.3.1 測試軟件模塊

測試軟件分為測試數(shù)據(jù)管理模塊、測試參數(shù)管理模塊、測試程序模塊三部分。測試數(shù)據(jù)管理模塊是管理對儀器的檢定日期、檢定人員、對具體儀器的已檢定項(xiàng)目、檢定的數(shù)據(jù)等。測試參數(shù)管理是在數(shù)據(jù)庫中管理具體儀器的各檢定項(xiàng)、檢定項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)值等。測試程序模塊是根據(jù)用戶在軟面板上選定的測試參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的測試儀器進(jìn)行測試，把測試數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)相比較，判斷是否合格。

2.3.2 測試軟件結(jié)構(gòu)化流程

在開機(jī)系統(tǒng)自檢后，檢定操作員在軟件界面上選擇/輸入需要檢定的儀器型號，程序由儀器型號在數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)的檢定項(xiàng)目、被檢項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)值、被檢儀器與FLUKE5500A和GPIB控制器的連接圖。檢定員按連接圖（FLASH動畫）連接儀器，在確認(rèn)連接正確后，檢查是否有IVI驅(qū)動程序，在安裝驅(qū)動程序后運(yùn)行MAX配置工具，完成配置后即可運(yùn)行相應(yīng)的測試程序，把測試結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫，并打印相應(yīng)的合格/不合格報告。其流程圖見圖3。

2.4 開發(fā)IVI驅(qū)動程序

對于IVI儀器，廠家會提供IVI驅(qū)動程序只需要編寫少量代碼即可實(shí)現(xiàn)對儀器的檢定，主程序簡單，便于管理。IVI基金會的目標(biāo)是支持95%的儀器。基于IVI技術(shù)的數(shù)字儀器的檢定將會是儀器檢定的必然之路。

但是并不是所有的儀器都支持IVI。對于非IVI儀器，使用LabWindows/CVI中的IVI驅(qū)動開發(fā)向?qū)О褍x器程控命令樹中所有底層命令封裝成一系列帶有圖像面板的高層函數(shù)，完成IVI驅(qū)動程序的開發(fā)，使它成為IVI儀器。其特點(diǎn)是前期開發(fā)IVI驅(qū)動程序工作量大，但是后期測試程序開發(fā)和維護(hù)工作量少。

2.5 數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫管理主要包括用戶管理、被檢儀器型號管理、檢定項(xiàng)目管理、檢定報告管理、檢定項(xiàng)目指標(biāo)管理以及數(shù)據(jù)查詢6個模塊。

3、應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用本方法組建的測試系統(tǒng)對IVI儀器Hp54815等進(jìn)行了檢定，對非IVI儀器XJ4321等開發(fā)了IVI驅(qū)動程序，對其垂直靈敏度、瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、掃描時間因素誤差、掃描時間因素線性誤差5項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行檢定，保存檢定結(jié)果并打印檢定證書。實(shí)踐證明：檢定過程變得快速和簡單；自動檢定和人工檢定的結(jié)果是一致的。

本文介紹的數(shù)字示波器檢定系統(tǒng)以GPIB為總線，綜合運(yùn)用了IVI技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的自動檢定，具有操作方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，為組建功率計(jì)、頻譜分析儀、任意波形/函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字多用表的綜合數(shù)字儀器自動檢定系統(tǒng)提供了參考。