數字示波器自動(dòng)檢定系統

　　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。

　　1.1 GPIB接口控制器

　　1.1.1 GPIB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)。

　　1.1.2  BC-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/O GPIB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(Virtual Instrument Software Architecture)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。

　　1.2 FLUKE5500A

　　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IEC 1010-1（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Windows2003 Server操作系統、SQL Sever2005(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Lab Windows/CVI7.0做部分程序的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)。同時(shí)采用MAX（Measurement&Automation）作為IVI驅動(dòng)配置程序。

　　2.2  關(guān)鍵技 術(shù)VISA和IVI

　　VISA是VXI plug&play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

　　IVI（Interchangeable Virtual Instrument）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。

　　2.3 測試軟件架構

　　2.3.1 測試軟件模塊

　　測試軟件分為測試數據管理模塊、測試參數管理模塊、測試程序模塊三部分。測試數據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目、檢定的數據等。測試參數管理是在數據庫中管理具體儀器的各檢定項、檢定項的標準值等。測試程序模塊是根據用戶(hù)在軟面板上選定的測試參數，調用相應的測試儀器進(jìn)行測試，把測試數據和數據庫中的標準相比較，判斷是否合格。

　　2.3.2  測試軟件結構化流程

　　在開(kāi)機系統自檢后，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據庫中調出相應的檢定項目、被檢項目的標準值、被檢儀器與FLUKE5500A和GPIB控制器的連接圖。檢定員按連接圖（FLASH動(dòng)畫(huà)）連接儀器，在確認連接正確后，檢查是否有IVI驅動(dòng)程序，在安裝驅動(dòng)程序后運行MAX配置工具，完成配置后即可運行相應的測試程序，把測試結果保存到數據庫，并打印相應的合格/不合格報告。其流程圖見(jiàn)圖3。

　　2.4 開(kāi)發(fā)IVI驅動(dòng)程序

　　對于IVI儀器，廠(chǎng)家會(huì )提供IVI驅動(dòng)程序只需要編寫(xiě)少量代碼即可實(shí)現對儀器的檢定，主程序簡(jiǎn)單，便于管理。IVI基金會(huì )的目標是支持95%的儀器?；贗VI技術(shù)的數字儀器的檢定將會(huì )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驅動(dòng)開(kāi)發(fā)向導把儀器程控命令樹(shù)中所有底層命令封裝成一系列帶有圖像面板的高層函數，完成IVI驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，使它成為IVI儀器。其特點(diǎn)是前期開(kāi)發(fā)IVI驅動(dòng)程序工作量大，但是后期測試程序開(kāi)發(fā)和維護工作量少。

　　2.5 數據庫管理

　　數據庫管理主要包括用戶(hù)管理、被檢儀器型號管理、檢定項目管理、檢定報告管理、檢定項目指標管理以及數據查詢(xún)6個(gè)模塊。

3 應用實(shí)例

　　應用本方法組建的測試系統對IVI儀器Hp54815等進(jìn)行了檢定，對非IVI儀器XJ4321等開(kāi)發(fā)了IVI驅動(dòng)程序，對其垂直靈敏度、瞬態(tài)響應、穩態(tài)響應、掃描時(shí)間因素誤差、掃描時(shí)間因素線(xiàn)性誤差5項內容進(jìn)行檢定，保存檢定結果并打印檢定證書(shū)。實(shí)踐證明：檢定過(guò)程變得快速和簡(jiǎn)單；自動(dòng)檢定和人工檢定的結果是一致的。

　　本文介紹的數字示波器檢定系統以GPIB為總線(xiàn)，綜合運用了IVI技術(shù)和數據庫技術(shù)實(shí)現數字示波器的自動(dòng)檢定，具有操作方便、可擴展性強、工作穩定性好的特點(diǎn)，為組建功率計、頻譜分析儀、任意波形/函數發(fā)生器、數字多用表的綜合數字儀器自動(dòng)檢定系統提供了參考。

　　參考文獻
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