數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)介紹

數(shù)字示波器可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析，特別適合于捕獲復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)中產(chǎn)生的全部細(xì)節(jié)和異?，F(xiàn)象，因而在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

為了讓示波器工作在合格的狀態(tài)，對(duì)示波器定期、快速、全面的檢定，保證其量值溯源，是擺在測(cè)試工程師面前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

手工檢定效率低，容易出錯(cuò)，對(duì)每一種示波器的檢定需要測(cè)試工程師翻閱大量的資料；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有準(zhǔn)確快速地測(cè)量參數(shù)、直觀地顯示測(cè)試結(jié)果、自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)等特性，是傳統(tǒng)的手工測(cè)試無(wú)法達(dá)到的。用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的程控檢定將會(huì)是儀器檢定的趨勢(shì)。

GPIB、VXI、PXI是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線，GPIB以性能穩(wěn)定、操作方便、價(jià)格低廉贏得用戶的認(rèn)可。這里選用了GPIB作為測(cè)試系統(tǒng)的總線。

1、硬件設(shè)計(jì)

基于GPIB的數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)的硬件由GPIB控制器、FLUKE5500A、被檢定數(shù)字示波器和PC機(jī)以及打印機(jī)等外圍設(shè)備組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 GPIB接口控制器

1.1.1 GPIB總線

GPIB是惠普公司于20世紀(jì)60年代末、70年代初開(kāi)發(fā)的實(shí)用儀器接口系統(tǒng)。由于對(duì)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)，1987年修定為IEEE488.1—1987。GPIB總線是數(shù)字化的24腳并行總線，有8根線是地線和屏蔽線，另外16根線是TTL電平信號(hào)傳輸線，包括8根數(shù)據(jù)線、5根接口管理線和3根數(shù)據(jù)傳輸控制線。GPIB使用8位并行、字節(jié)串行、異步通訊方式，所有字節(jié)通過(guò)總線順序傳送。

GPIB系統(tǒng)設(shè)備有控者、講者和聽(tīng)者三種屬性。實(shí)際設(shè)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)總線向其他器件發(fā)送數(shù)據(jù)。聽(tīng)者能從總線上接收講者發(fā)送的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)在GPIB系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)是控者，具有講、聽(tīng)、控三種屬性。為避免總線沖突，IEEE488規(guī)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(tǒng)中各器件的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線消息能夠雙向、異步、可靠地傳輸，GPIB母線中設(shè)置了三條握手線，分別為數(shù)據(jù)有效線、未準(zhǔn)備好接收線和未收到數(shù)據(jù)線。

1.1.2 BC-1402-2接口控制器

在本系統(tǒng)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總線轉(zhuǎn)換成GPIB總線，操作GPIB儀器。其特點(diǎn)是：完全符合IEEE488.1和IEEE488.2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，支持PCI、USB、Ethernet工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)傳輸率為900kbps,適合PC機(jī)與儀器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸；提供了一套I/OGPIB操作函數(shù)庫(kù)，其函數(shù)與ISA總線的ES1400系列接口控制器相同；提供了一套符合VPP規(guī)范的虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)函數(shù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了凡是采用VISA函數(shù)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，在更換不同廠家的不同型號(hào)的GPIB接口控制器時(shí)，應(yīng)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(cè)試程序，方便而靈活。

1.2 FLUKE5500A

FLUKE5500A是美國(guó)福祿克公司的一款高性能的多功能校準(zhǔn)儀，可以對(duì)手持式和臺(tái)式多用表、示波器、示波表、功率計(jì)、電子溫度表、數(shù)據(jù)采集器、功率諧波分析儀、過(guò)程校準(zhǔn)器等多種儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。FLUKE5500A提供了GPIB（IEEE-488）、RS-232、5725A三種標(biāo)準(zhǔn)接口；在安全性方面滿足IEC1010-1（1992-1）、ANSI/ISA-S82.01-1994、CAN/CSA-C22.2NO.1010.1-92標(biāo)準(zhǔn)；FLUKE5500A輸出電壓可以達(dá)到1100V，電流輸出可達(dá)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(zhǔn)件還提供了穩(wěn)幅正弦波、快沿、時(shí)間標(biāo)記和幅度信號(hào)。

1.3 主控PC

PC作為系統(tǒng)的“主控者”，通過(guò)發(fā)布命令給GPIB接口控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)FLUKE5500A和被檢定示波器的控制，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：儀器的初始化、復(fù)位、儀器參數(shù)設(shè)置；命令FLUKE5500A產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)被檢示波器顯示；讀取/保存儀器數(shù)據(jù)并傳給PC等。

2、軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件平臺(tái)的選擇

軟件是本數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)的核心，軟硬件能否穩(wěn)定、協(xié)調(diào)地工作是系統(tǒng)能夠?qū)?shù)字示波器快速、可靠檢定的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的Windows2003Server操作系統(tǒng)、SQLSever2005(開(kāi)發(fā)版)數(shù)據(jù)庫(kù)以及Visual.NET2005作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以C/C++作為編程語(yǔ)言，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)程序方面選用NI公司的LabWindows/CVI7.0做部分程序的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。同時(shí)采用MAX（Measurement&Automation）作為IVI驅(qū)動(dòng)配置程序。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)VISA和IVI

VISA是VXIplug&play聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)。制定VISA的目的是確保不同廠商、不同接口標(biāo)準(zhǔn)的儀器能相互兼容、可以通訊和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其顯著特點(diǎn)是：VISA是采用了先進(jìn)的面向?qū)ο缶幊趟枷雭?lái)實(shí)現(xiàn)的；它是當(dāng)前所有儀器接口類(lèi)型功能函數(shù)的超集成，而且十分簡(jiǎn)潔，只有90多個(gè)函數(shù)；VISA作為標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，與儀器的I/O接口類(lèi)型無(wú)關(guān)，方便程序移植。對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者而言，VISA庫(kù)函數(shù)是一套可以方便調(diào)用的函數(shù)，可以控制各種設(shè)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(qū)動(dòng)程序的可執(zhí)行性能，達(dá)到真正意義上的儀器互換，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序完全獨(dú)立于硬件而推出的儀器驅(qū)動(dòng)程序編程接口。IVI系統(tǒng)由IVI類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序、具體驅(qū)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(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了上層統(tǒng)一功能的封裝，面對(duì)的是操作者，而具體驅(qū)動(dòng)程序完成與具體儀器的通信。測(cè)試程序是調(diào)用類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序，用類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用具體驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)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(qū)動(dòng)程序到具體驅(qū)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(cè)試程序中通過(guò)傳送邏輯名給一個(gè)分類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序初始化函數(shù)，將操作映射到具體儀器及儀器驅(qū)動(dòng)程序。IVI配置信息文件記錄了所有邏輯名和從類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序到具體儀器驅(qū)動(dòng)程序的映射信息。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 測(cè)試軟件架構(gòu)

2.3.1 測(cè)試軟件模塊

測(cè)試軟件分為測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊、測(cè)試參數(shù)管理模塊、測(cè)試程序模塊三部分。測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊是管理對(duì)儀器的檢定日期、檢定人員、對(duì)具體儀器的已檢定項(xiàng)目、檢定的數(shù)據(jù)等。測(cè)試參數(shù)管理是在數(shù)據(jù)庫(kù)中管理具體儀器的各檢定項(xiàng)、檢定項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)值等。測(cè)試程序模塊是根據(jù)用戶在軟面板上選定的測(cè)試參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試，把測(cè)試數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)相比較，判斷是否合格。

2.3.2 測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)化流程

在開(kāi)機(jī)系統(tǒng)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(hào)，程序由儀器型號(hào)在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)的檢定項(xiàng)目、被檢項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)連接正確后，檢查是否有IVI驅(qū)動(dòng)程序，在安裝驅(qū)動(dòng)程序后運(yùn)行MAX配置工具，完成配置后即可運(yùn)行相應(yīng)的測(cè)試程序，把測(cè)試結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，并打印相應(yīng)的合格/不合格報(bào)告。其流程圖見(jiàn)圖3。

2.4 開(kāi)發(fā)IVI驅(qū)動(dòng)程序

對(duì)于IVI儀器，廠家會(huì)提供IVI驅(qū)動(dòng)程序只需要編寫(xiě)少量代碼即可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的檢定，主程序簡(jiǎn)單，便于管理。IVI基金會(huì)的目標(biāo)是支持95%的儀器。基于IVI技術(shù)的數(shù)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(duì)于非IVI儀器，使用LabWindows/CVI中的IVI驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)向?qū)О褍x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(shù)，完成IVI驅(qū)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(qū)動(dòng)程序工作量大，但是后期測(cè)試程序開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作量少。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要包括用戶管理、被檢儀器型號(hào)管理、檢定項(xiàng)目管理、檢定報(bào)告管理、檢定項(xiàng)目指標(biāo)管理以及數(shù)據(jù)查詢(xún)6個(gè)模塊。

3、應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用本方法組建的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)IVI儀器Hp54815等進(jìn)行了檢定，對(duì)非IVI儀器XJ4321等開(kāi)發(fā)了IVI驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)其垂直靈敏度、瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、掃描時(shí)間因素誤差、掃描時(shí)間因素線性誤差5項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行檢定，保存檢定結(jié)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(jié)果是一致的。

本文介紹的數(shù)字示波器檢定系統(tǒng)以GPIB為總線，綜合運(yùn)用了IVI技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的自動(dòng)檢定，具有操作方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，為組建功率計(jì)、頻譜分析儀、任意波形/函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字多用表的綜合數(shù)字儀器自動(dòng)檢定系統(tǒng)提供了參考。