基于GPIB接口總線的虛擬儀器詳解

GPIB通用接口總線是一種設(shè)備和計算機(jī)連接的總線。大多數(shù)臺式儀器是通過GPIB線以及GPIB接口與電腦相連。

本文介紹了虛擬儀器的GPIB總線接口技術(shù)。計算機(jī)通過GPIB接口卡控制帶有GPIB總線接口的電流源和電壓表，構(gòu)成了I~V曲線虛擬儀器測試系統(tǒng)。在Labview環(huán)境下完成了虛擬儀器前面板以及后臺框圖程序的設(shè)計，與硬件系統(tǒng)一起完成虛擬儀器的測試任務(wù)。

1、引言

通過GPIB接口技術(shù)，不同廠家生產(chǎn)的各種不同的儀器設(shè)備可以很方便地與計算機(jī)一起組建成自動測試系統(tǒng)。以往實現(xiàn)儀器與計算機(jī)之間的通信，用戶就必須要把大量時間和精力花費在熟悉各種儀器的編程上。近年來，虛擬儀器技術(shù)的迅猛發(fā)展，為GPIB自動測試系統(tǒng)的組建提供了良好的開發(fā)平臺和儀器驅(qū)動程序。采用虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺，從根本上消除了儀器編程的復(fù)雜性，使用戶能夠集中精力于儀器的使用而不是儀器的編程。

由于計算機(jī)內(nèi)部采用與GPIB總線完全不同標(biāo)準(zhǔn)的總線，為使計算機(jī)作為GPIB系統(tǒng)控制器，必須在計算機(jī)的擴(kuò)展槽上插一塊與GPIB總線相連的接口卡。虛擬儀器軟件Labview對GPIB接口卡的控制有兩種方法：一種是利用Labview中提供的GPIB和GPIB488.2功能模板或VISA庫，這種方法只能對NI公司自己生產(chǎn)的GPIB接口板或具有VISA庫的GPIB488接口板進(jìn)行控制，其價格比較昂貴；另一種方法是利用Labview本身提供的調(diào)用庫函數(shù)（CallLibraryFunction），通過對GPIBDLL動態(tài)鏈接庫的調(diào)用，實現(xiàn)對GPIB接口卡的控制。相對而言，這種方法價格便宜，而且更具有通用性，其它類似的硬件設(shè)備，只要它能夠提供Windows環(huán)境下的動態(tài)鏈接庫，而且又知道其函數(shù)原型后，都可以在Labview中得到應(yīng)用。

本文采用廣泛使用且價格相當(dāng)便宜的AX5488接口板，通過Labview對其GPIBDLL的調(diào)用實現(xiàn)對GPIB接口卡的控制。在此基礎(chǔ)上，通過對帶有GPIB接口的電流源和電壓表的控制，構(gòu)成一個I~V曲線虛擬儀器測試系統(tǒng)。

2、基于GPIB總線的虛擬儀器

根據(jù)基于GPIB總線的虛擬儀器系統(tǒng)組成原則，我們建立了一套I~V曲線虛擬儀器測試系統(tǒng)，計算機(jī)通過GPIB接口卡對Keithley220電流源和Keithley2182納伏表進(jìn)行自動測試控制。測量采用四引線測量法，兩根電流引線與恒流源相連，兩根電壓引線連至電壓表用來測量樣品的電壓，由于電壓測量回路的高輸入阻抗特性，吸取的電流極小，因此能夠避免引線及接點電阻給測量帶來的影響。

要完成虛擬儀器的測試功能，軟件的設(shè)計是關(guān)鍵?；贚abview的虛擬儀器測試軟件設(shè)計包括前面板的設(shè)計及后臺圖形化控制程序的設(shè)計。前面板是圖形化用戶界面，模擬真實儀器，由控制、指示和修飾等部分組成。用戶可以使用各種圖標(biāo)，如按鈕、開關(guān)、實時趨勢圖和事后記錄儀等，設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。

圖1為我們建立的I~V曲線虛擬儀器測試前面板，主要包括：

（1）啟動按鈕START：點擊啟動測試；

（2）停止按鈕STOP：點擊停止測試；

（3）電壓表量程選擇開關(guān)：根據(jù)測試精度要求選擇電壓表量程；

（4）電流源輸出電流設(shè)定：包括起始電流、終點電流及每步步長值；

（5）電壓電流數(shù)值顯示：顯示當(dāng)前設(shè)定的電流值及測試的電壓值；

（6）實時I~V曲線：實時趨勢顯示I~V曲線，而且可以實時調(diào)整；

（7）測試結(jié)果保存文件設(shè)定：設(shè)定測試結(jié)果以文本文件形式保存的路徑及文件名；

（8）其它輔助指示：包括測試總點數(shù)、每點測試所需時間以及剩余測試時間等。

前面板的后臺對應(yīng)的是一組框圖程序，用圖形化語言編寫，由節(jié)點和數(shù)據(jù)連線組成。圖2為I~V虛擬儀器測試的后臺框圖控制程序，包括對GPIBDLL的函數(shù)調(diào)用模塊、波形顯示模塊、參數(shù)測量模塊、數(shù)據(jù)存儲和回放模塊以及測試控制結(jié)構(gòu)模塊等，圖中只能顯示出部分框圖程序。Labview程序?qū)y試儀器的控制是通過GPIB總線進(jìn)行的，實際上是通過Labview本身提供的調(diào)用庫函數(shù)（CallLibraryFunction）對GPIB卡的GPIBDLL進(jìn)行調(diào)用來實現(xiàn)的。在調(diào)用DLL之前，應(yīng)了解如下信息：

（1）GPIBDLL在計算機(jī)中存放的路徑；

（2）函數(shù)返回數(shù)據(jù)類型：Void、Numeric或String；

（3）傳遞給函數(shù)形式參數(shù)的數(shù)據(jù)類型及參數(shù)的傳遞程序；

（4）DLL使用的調(diào)用規(guī)程?？刹捎肅和Stdcall（缺省值）兩種調(diào)用，Win32API使用缺省的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用（Stdcall）規(guī)程。

所有后臺各個控制程序模塊都包括相應(yīng)的功能函數(shù)、結(jié)構(gòu)、代碼接口和子程序等節(jié)點，節(jié)點之間、節(jié)點與前面板對象之間通過數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)連線來傳遞數(shù)據(jù)。在各個框圖程序控制模塊設(shè)計完成后，將這些模塊在主程序中按照一定的邏輯關(guān)系有機(jī)地組合起來，就形成了I~V曲線虛擬儀器示波器，它與系統(tǒng)的硬件一起組成一個完整的虛擬儀器測試系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的思想。

3、結(jié)束語

本文基于GPIB總線技術(shù)，計算機(jī)通過GPIB接口卡控制帶有GPIB總線接口的電流源和電壓表，建立了一套I~V曲線虛擬儀器測試系統(tǒng)。在Labview環(huán)境下完成了虛擬儀器前面板以及后臺框圖程序的設(shè)計，它與硬件系統(tǒng)一起完成虛擬儀器的測試任務(wù)，這也是基于GPIB總線的虛擬儀器系統(tǒng)的基本組成原則。