數字示波器自動(dòng)檢定系統分析與設計

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，數字示波器憑借數字技術(shù)和軟件大大擴展了工作能力，早期產(chǎn)品的取樣率低、存在較大死區時(shí)間、屏幕刷新率低等不足得到較大改善，以前難以觀(guān)察的調制信號、通訊眼圖、視頻信號等復合信號越來(lái)越容易觀(guān)察。數字示波器可以對數據進(jìn)行運算和分析，特別適合于捕獲復雜動(dòng)態(tài)信號中產(chǎn)生的全部細節和異?，F象，因而在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。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(dòng)測試系統具有準確快速地測量參數、直觀(guān)地顯示測試結果、自動(dòng)存儲測試數據等特性，是傳統的手工測試無(wú)法達到的。用自動(dòng)測試系統實(shí)現對示波器的程控檢定將會(huì )是儀器檢定的趨勢。
　　
GPIB、VXI、PXI是自動(dòng)測試系統標準總線(xiàn)，GPIB以性能穩定、操作方便、價(jià)格低廉贏(yíng)得用戶(hù)的認可。這里選用了GPIB作為測試系統的總線(xiàn)。
　　
1硬件設計
　　
基于GPIB的數字示波器自動(dòng)檢定系統的硬件由GPIB控制器、FLUKE5500A、被檢定數字示波器和PC機以及打印機等外圍設備組成。系統組成如圖1所示。



1.1GPIB接口控制器
　　
1.1.1GPIB總線(xiàn)
　　
GPIB是惠普公司于20世紀60年代末、70年代初開(kāi)發(fā)的實(shí)用儀器接口系統。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標準，1987年修定為IEEE488.1—1987。GPIB總線(xiàn)是數字化的24腳并行總線(xiàn)，有8根線(xiàn)是地線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)，另外16根線(xiàn)是TTL電平信號傳輸線(xiàn)，包括8根數據線(xiàn)、5根接口管理線(xiàn)和3根數據傳輸控制線(xiàn)。GPIB使用8位并行、字節串行、異步通訊方式，所有字節通過(guò)總線(xiàn)順序傳送。
　　
GPIB系統設備有控者、講者和聽(tīng)者三種屬性。實(shí)際設備具有其中的一種、兩種或三種。作為控者，它可以通過(guò)尋址指定連接到總線(xiàn)上具有講者屬性的器件成為講者和具有聽(tīng)者屬性的器件作為聽(tīng)者，包括指定它自己。講者能通過(guò)總線(xiàn)向其他器件發(fā)送數據。聽(tīng)者能從總線(xiàn)上接收講者發(fā)送的數據。一般來(lái)說(shuō)在GPIB系統中計算機是控者，具有講、聽(tīng)、控三種屬性。為避免總線(xiàn)沖突，IEEE488規定一次只能有一個(gè)講者，但可以同時(shí)有幾個(gè)聽(tīng)者。由于GPIB系統中各器件的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線(xiàn)消息能夠雙向、異步、可靠地傳輸，GPIB母線(xiàn)中設置了三條握手線(xiàn)，分別為數據有效線(xiàn)、未準備好接收線(xiàn)和未收到數據線(xiàn)。
1.1.2BC-1402-2接口控制器
　　
在本系統中采用的GPIB控制器是貝卡科技公司開(kāi)發(fā)的BC-1401-2型USB-GPIB接口控制器，它帶有USB接口，把USB總線(xiàn)轉換成GPIB總線(xiàn)，操作GPIB儀器。其特點(diǎn)是：完全符合IEEE488.1和IEEE488.2國際標準，支持PCI、USB、Ethernet工業(yè)標準；數據傳輸率為900kbps,適合PC機與儀器之間的高速數據傳輸；提供了一套I/OGPIB操作函數庫，其函數與ISA總線(xiàn)的ES1400系列接口控制器相同；提供了一套符合VPP規范的虛擬儀器軟件架構VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)函數庫,實(shí)現了凡是采用VISA函數開(kāi)發(fā)的應用程序，在更換不同廠(chǎng)家的不同型號的GPIB接口控制器時(shí)，應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(yǔ)言編制測試程序，方便而靈活。
　　
1.2FLUKE5500A
　　
FLUKE5500A是美國福祿克公司的一款高性能的多功能校準儀，可以對手持式和臺式多用表、示波器、示波表、功率計、電子溫度表、數據采集器、功率諧波分析儀、過(guò)程校準器等多種儀器進(jìn)行校準。FLUKE5500A提供了GPIB（IEEE-488）、RS-232、5725A三種標準接口；在安全性方面滿(mǎn)足IEC1010-1（1992-1）、ANSI/ISA-S82.01-1994、CAN/CSA-C22.2NO.1010.1-92標準；FLUKE5500A輸出電壓可以達到1100V，電流輸出可達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(shí)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。其示波器校準件還提供了穩幅正弦波、快沿、時(shí)間標記和幅度信號。
　　
1.3主控PC
　　
PC作為系統的“主控者”，通過(guò)發(fā)布命令給GPIB接口控制器實(shí)現對FLUKE5500A和被檢定示波器的控制，主要包括以下幾個(gè)方面的內容：儀器的初始化、復位、儀器參數設置；命令FLUKE5500A產(chǎn)生標準信號，同時(shí)被檢示波器顯示；讀取/保存儀器數據并傳給PC等。
　　
2軟件設計
　　
2.1軟件平臺的選擇
　　
軟件是本數字示波器自動(dòng)檢定系統的核心，軟硬件能否穩定、協(xié)調地工作是系統能夠對數字示波器快速、可靠檢定的基礎。本系統采用性能穩定的Windows2003Server操作系統、SQLSever2005(開(kāi)發(fā)版)數據庫以及Visual.NET2005作為開(kāi)發(fā)平臺，以C/C++作為編程語(yǔ)言，同時(shí)在驅動(dòng)程序方面選用NI公司的LabWindows/CVI7.0做部分程序的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)。同時(shí)采用MAX（MeasurementAutomation）作為IVI驅動(dòng)配置程序。
　　
2.2關(guān)鍵技術(shù)VISA和IVI
　　
VISA是VXIplugplay聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標準。制定VISA的目的是確保不同廠(chǎng)商、不同接口標準的儀器能相互兼容、可以通訊和進(jìn)行數據交換。其顯著(zhù)特點(diǎn)是：VISA是采用了先進(jìn)的面向對象編程思想來(lái)實(shí)現的；它是當前所有儀器接口類(lèi)型功能函數的超集成，而且十分簡(jiǎn)潔，只有90多個(gè)函數；VISA作為標準函數，與儀器的I/O接口類(lèi)型無(wú)關(guān)，方便程序移植。對于驅動(dòng)程序、應用程序開(kāi)發(fā)者而言，VISA庫函數是一套可以方便調用的函數，可以控制各種設備如GPIB、VXI、PXI等。
　　
IVI（InterchangeableVirtualInstrument）是IVI基金會(huì )為了進(jìn)一步提高儀器驅動(dòng)程序的可執行性能，達到真正意義上的儀器互換，實(shí)現應用程序完全獨立于硬件而推出的儀器驅動(dòng)程序編程接口。IVI系統由IVI類(lèi)驅動(dòng)程序、具體驅動(dòng)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(lèi)驅動(dòng)程序實(shí)現了上層統一功能的封裝，面對的是操作者，而具體驅動(dòng)程序完成與具體儀器的通信。測試程序是調用類(lèi)驅動(dòng)程序，用類(lèi)驅動(dòng)程序調用具體驅動(dòng)程序來(lái)實(shí)現測試程序和硬件的無(wú)關(guān)性。IVI引擎完成狀態(tài)緩存、儀器屬性跟蹤、分類(lèi)驅動(dòng)程序到具體驅動(dòng)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(guò)傳送邏輯名給一個(gè)分類(lèi)驅動(dòng)程序初始化函數，將操作映射到具體儀器及儀器驅動(dòng)程序。IVI配置信息文件記錄了所有邏輯名和從類(lèi)驅動(dòng)程序到具體儀器驅動(dòng)程序的映射信息。其結構如圖2所示。