利用Python語(yǔ)言實(shí)現實(shí)驗室自動(dòng)化

　　作為一名系統和應用工程師，得益于自動(dòng)化儀器和軟件，我已經(jīng)節省了不計其數的日日夜夜;例如LabVIEW，這是一款系統設計平臺和開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持可視化編程語(yǔ)言。LabVIEW支持用戶(hù)利用友好的圖形用戶(hù)界面(GUI)構建應用程序。該平臺帶有多個(gè)庫和模塊，使其能夠與儀器通信，所以可用于實(shí)驗室自動(dòng)化。作為LabVIEW用戶(hù)，我已經(jīng)使用該工具構建了多款應用程序，但在過(guò)去幾年中，我已經(jīng)開(kāi)始逐步將其淘汰，代之以Python語(yǔ)言(見(jiàn)側欄：“Python是什么以及如何使用?”)。

　　為了理解其中緣由，我們首先了解一下Python相對于現有替代語(yǔ)言的主要優(yōu)勢，以及討論Python應用程序的工作實(shí)例。表達Python方便和強大之處的最佳方式是介紹一個(gè)完整、可工作的Python自動(dòng)化腳本，例如我用來(lái)實(shí)現穩壓器(VR)負載調節曲線(xiàn)(負載調節是指輸出電壓隨輸出電流(負載)增大而發(fā)生的變化)自動(dòng)測量的腳本。

　　這些穩壓器分為兩類(lèi)：零下垂穩壓器設計的輸出電阻為零;因此，輸出電壓設置點(diǎn)不應隨輸出電流增大而變化。相比較而言，下垂穩壓器具有“載重線(xiàn)”，意味著(zhù)被設計成具有特定的等效輸出電阻。本例中所用穩壓器的零電流輸出電壓為1 V，設定的載重線(xiàn)為2.5 mΩ。

圖1. 測量配置

　　在圖1所示的試驗配置中，使用Chroma 63201電子負載施加負載電流(VR輸出電流)。通過(guò)采集經(jīng)過(guò)校準的4 mΩ短路器上的電壓，測得輸出電流。利用Agilent 34970A數字采集器(DAQ)采集電壓和電流，DAQ和電子負載均通過(guò)GPIB連接至計算機。我們測量的目的是證明：在一定輸出電流范圍下，輸出電壓在技術(shù)指標范圍之內;圖2所示為應用程序的流程圖。

圖2. 應用程序流程圖

　　從基本代碼結構開(kāi)始

　　以下是自動(dòng)化腳本代碼的第一部分。Python語(yǔ)言中，注釋用#表示：

　　第1至3行引用庫，其中包含隨后代碼中使用的方法：

　　?Numpy是用于科學(xué)計算的封裝庫。本例中，Numpy用于產(chǎn)生輸出電流值的數組。

　　?Pandas (用于數據處理和分析的庫)創(chuàng )建一個(gè)功能強大的數據結構，以?xún)Υ嫖覀兊臏y量結果。

　　?Visa是PyVISA庫，用來(lái)控制我們的儀器。

　　?Time是一個(gè)非常方便的庫，用于產(chǎn)生某些時(shí)間延遲。

　　注意，引用的Numpy和Pandas庫被重命名為np和pd，以保持代碼整潔。本文中提及的所有庫要么已經(jīng)隨Python 安裝包提供，要么也很容易從在線(xiàn)軟件庫中安裝。

　　第4至5行創(chuàng )建我們用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)Chroma電子負載和Agilent DAQ的對象。這正是PyVISA的作用：我們只需調用instrument方法，并提供表示通信接口的字符串(GPIB)以及儀器在總線(xiàn)上的地址。

　　第6行創(chuàng )建results數據框(dataframe)，用來(lái)儲存測量結果。數據框是一種二維標簽數據結構，各列的數據類(lèi)型可以不同。使用數據框而不使用數組，允許我們通過(guò)容易記憶的字符串而不是數字來(lái)引用列，以及在數據本身中混合數字和文本。

　　第7行創(chuàng )建一個(gè)實(shí)數數組，從0到20，步長(cháng)為2。這些數字表示以安培為單位的輸出電流值，在這些電流點(diǎn)測量VOUT。

　　第8行用于構建“for”循環(huán)。注意，語(yǔ)法很容易理解：每次執行循環(huán)時(shí)，創(chuàng )建一個(gè)load 變量，其值等于loads數組的新元素。當使用了數組的全部元素時(shí)，循環(huán)結束。有意思的是，Python利用縮進(jìn)定義代碼的層次結構，而不依賴(lài)于任何類(lèi)型的括號。這樣能夠保持代碼的整潔和易讀性，非常有用。

　　既然我們已經(jīng)定義了主循環(huán)，就需要告訴儀器設置電流，然后讀取電壓，并保存結果。

　　儀器通信及保存數據

　　我們接下來(lái)看看第二部分的代碼：

　　第9至10行配置相應的負載電流并打開(kāi)負載。只需要使用讀/寫(xiě)方法，并且知道儀器接受的命令串(可查閱儀器手冊)，即可通過(guò)GPIB接口進(jìn)行通信。與其他編程語(yǔ)言類(lèi)似，%.2f為占位符，在實(shí)際運行時(shí)用變量load的值代替。也表示我們希望數據表示為帶兩位小數的實(shí)數。第11行產(chǎn)生1秒延遲，這對于確保儀器和電路達到穩態(tài)條件非常有用。

　　第12行創(chuàng )建一個(gè)空對象(在Python中稱(chēng)為字典)，用于暫存執行一次循環(huán)的結果。

　　第13至16行用來(lái)測量輸出電壓和電流。第一條命令告訴儀器我們想要做什么(測量直流電壓，采用自動(dòng)變比)以及對應的采集通道。分別在通道101和102采集輸出電壓和電流。第二條命令讀取返回的結果并將其儲存在temp中。數據以字符串的形式返回，所以必須利用float函數將其轉換為實(shí)數。此外，由于DAQ測量的是電壓，我們需要將讀數與短路器電阻(0.004 Ω)相除，得到正確的電流值。

　　看看使用Python和Pandas有條理地保存數據是多么簡(jiǎn)單：temp字典中的字段無(wú)需提前定義，并且使用具有含義的字符串進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。無(wú)需記憶列號與數據之間的關(guān)系，而如果使用數組存儲數據的話(huà)則必須這么做。

　　在第17行中，我們將字段附加到results數據框。注意，results也不需要進(jìn)行初始化;每次附加一個(gè)新行時(shí)，將增加新字段至數據框。

　　第18行可選，但在終端上打印當前電壓和電流值非常有用，尤其對于長(cháng)時(shí)間測量，可以作為確認應用程序仍然在運行的途徑，以及了解執行到了什么程度。

　　在第19至20行，關(guān)閉負載，將數據保存到硬盤(pán)。對于后者，每個(gè)數據框對象都使用一種內置方法將數據保存到CSV文件。