基于LabVIEW平臺(tái)和GPIB接口的測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了數(shù)字化儀器、智能化儀器的快速發(fā)展。與此同時(shí),工程上也越來越希望將常用儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接起來組成一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的智能系統(tǒng)。而工程中常用儀器設(shè)備種類繁多、功能各異、獨(dú)立性強(qiáng),一個(gè)系統(tǒng)往往需要多臺(tái)不同類型的儀器協(xié)同工作,應(yīng)用一般串、并行接口難以滿足要求。為此,人們從60年代就開始著手研究能夠?qū)⒁幌盗袃x器設(shè)備和計(jì)算機(jī)連成整體的接口系統(tǒng)。GPIB正是這樣的接口,它作為橋梁,把各種可編程儀器與計(jì)算機(jī)緊密地聯(lián)系起來,從此電子測(cè)量由獨(dú)立的、傳統(tǒng)的單臺(tái)儀器向組成大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方向發(fā)展。GPIB的用途十分廣泛,現(xiàn)已廣泛用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通訊,以及對(duì)掃描儀、圖像記錄儀、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜儀等儀器的控制中。

1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

典型的GPIB測(cè)量系統(tǒng)由PC機(jī)、GPIB接口卡和若干臺(tái)(最多14臺(tái))GPIB儀器通過標(biāo)準(zhǔn)GPIB電纜連接而成,如圖1所示。系統(tǒng)具有以下四個(gè)顯著特點(diǎn)：

(1)GPIB接口編程方便,減輕了軟件設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān),可使用高級(jí)語言編程;

(2)提高了儀器設(shè)備的性能指標(biāo)。利用計(jì)算機(jī)對(duì)帶有GPIB接口的儀器實(shí)現(xiàn)操作和控制,可實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、多次測(cè)量平均等要求,從而提高了測(cè)量精度;

(3)便于將多臺(tái)帶有GPIB接口的儀器組合起來,形成較大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),高效靈活地完成各種不同的測(cè)試任務(wù),而且組建和拆散靈活,使用方便;

(4)便于擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。由于儀器與計(jì)算機(jī)相聯(lián),因此可在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行更加靈活、方便的傳輸、處理、綜合、利用和顯示,使原來儀器采用硬件邏輯很難解決或無法解決的問題迎刃而解。

基于上述研究,利用GPIB接口卡和帶有GPIB接口的存儲(chǔ)示波器組成了測(cè)試系統(tǒng),如圖2所示。

2 系統(tǒng)組態(tài)及功能

2.1 GPIB接口性能

GPIB是一個(gè)數(shù)字化24腳(扁型接口插座)并行總線,其中16根線為TTL電平信號(hào)線,包括8根雙向數(shù)據(jù)線、5根控制線、3根握手線,另8根為地線和屏蔽線。GPIB使用8位并行、字節(jié)串行、異步通迅方式,所有字節(jié)通過總線順序傳送。

2.2系統(tǒng)連接方式

圖3所示為GPIB總線與兩個(gè)獨(dú)立設(shè)備之間的連接圖。系統(tǒng)采用NIAT-GPIB/INT接口卡,它是NI公司配備的符合VISA標(biāo)準(zhǔn)的GPIB接口,在LabVIEW平臺(tái)上,利用NI提供的GPIB接口驅(qū)動(dòng)程序和TDS420存儲(chǔ)示波器的驅(qū)動(dòng)程序即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)與編程控制。系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備(包括接口卡),須有一個(gè)0到30之間的GPIB地址。GPIB接口卡設(shè)置為地址0,儀器的GPIB地址從1到30。GPIB由一個(gè)控者(PC機(jī))控制總線,在總線上傳送儀器命令和數(shù)據(jù),控者尋址一個(gè)講者,一個(gè)或多個(gè)聽者,數(shù)據(jù)串在總線上從講者向聽者傳送。LabVIEW的GPIB軟件包自動(dòng)處理尋址和其他的總線管理功能。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件分為三類：與GPIB設(shè)備通訊的子VI;信號(hào)采集與處理子VI;處理各層界面和實(shí)現(xiàn)多媒體技術(shù)的子VI。

在LabVIEW平臺(tái)上的GPIB編程有兩種方式,即傳統(tǒng)的GPIB方式和針對(duì)即插即用協(xié)議的VISA方式。本系統(tǒng)采用VISA方式編程。VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)稱,它是在LabVIEW工作平臺(tái)上控制VXI、GPIB、RS-232以及其他種類儀器的單接口程序庫(kù)。采用了VISA標(biāo)準(zhǔn),就可以不考慮時(shí)間及儀器I/O選擇項(xiàng),驅(qū)動(dòng)軟件可以相互兼容使用。大多數(shù)VISA功能模塊使用了VISA session參數(shù),VISA session是每次程序操作過程的唯一邏輯標(biāo)識(shí)符。它標(biāo)識(shí)了與之通訊的設(shè)備名稱以及進(jìn)行I/0操作必需的配置信息。

PC機(jī)通過AT-GPIB/INT接口卡與TDS420存儲(chǔ)示波器通訊的框圖程序如圖4所示。PC機(jī)通過GPIB接口卡給TDS420以命令,而TDS420又通過它把控者(PC機(jī))要求的數(shù)據(jù)反饋給控者。通訊子VI包括VISA Open(打開通訊過程)、VISA Write(把數(shù)據(jù)串寫入指定設(shè)備)、VISA Read(從指定設(shè)備中讀入數(shù)據(jù))、VISA Close(關(guān)閉由VISA session指定設(shè)備的通訊過程,釋放系統(tǒng)資源)等功能模塊,使用VISA功能模塊向指定設(shè)備(泰克TDS420數(shù)字存儲(chǔ)示波器GPIB接口)讀寫數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)通訊。

信號(hào)采集與處理及各層界面設(shè)計(jì)均在LabVIEW平臺(tái)上,利用其各種強(qiáng)有力的功能模塊可以快速靈活地實(shí)現(xiàn)各種功能。

2.4 測(cè)試系統(tǒng)功能

測(cè)試系統(tǒng)的具體功能如下：

(1)系統(tǒng)可直接讀取TDS420示波器的時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù)。TDS420示波器可進(jìn)行十七項(xiàng)時(shí)域指標(biāo)測(cè)量,主要包括信號(hào)周期、頻率、峰—峰值、幅值、均值、有效值、時(shí)延、正負(fù)脈沖寬度等等;

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

本系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)兩路隨機(jī)噪聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,并可根據(jù)信號(hào)頻率設(shè)置采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù);

(3)利用LabVIEW的Advanced Analysis軟件庫(kù)進(jìn)行信號(hào)的動(dòng)態(tài)分析與處理。本系統(tǒng)利用其互相關(guān)分析模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路隨機(jī)信號(hào)的互相關(guān)分析, 從而找到時(shí)延τ,并確定固體表面速度：V=d/τ;

(4)在軟面板上輸出顯示信號(hào)的時(shí)域波形、互相關(guān)函數(shù)波形及信號(hào)的頻譜,同時(shí)實(shí)時(shí)給出固體表面速度V的測(cè)試結(jié)果。

測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖5所示。圖中通道1、2所示時(shí)域波形為經(jīng)GPIB接口卡通訊的實(shí)測(cè)隨機(jī)相關(guān)信號(hào)波形;經(jīng)互相關(guān)處理后的互相關(guān)函數(shù)波形如圖所示;圖中渡越時(shí)間測(cè)試值為TDS420存儲(chǔ)示波器實(shí)測(cè)兩時(shí)域信號(hào)的延時(shí)值(單位：ms)并回送給控者(PC機(jī));計(jì)算值則為在LabVIEW平臺(tái)上經(jīng)信號(hào)分析計(jì)算后所得的兩時(shí)域信號(hào)間的延時(shí)值(單位：ms)。