LabVIEW及GPIB接口的測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)詳解

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　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；

　?。?）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；

　?。?）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：

　?。?）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；

　?。?）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）。

　　基于LabVIEW平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）采用NIAT-GPIB/INT接口卡實(shí)現(xiàn)對(duì)TDS420示波器的控制，從而完成實(shí)時(shí)測(cè)試；（2）采用VISA標(biāo)準(zhǔn)編程。作為通用I/0標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無關(guān)的特性，VISA資源管理層是應(yīng)用與儀器之間的橋梁，所有對(duì)儀器的操作都需要它來管理，從而保證測(cè)試系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)作，控制器對(duì)儀器的訪問都通過指針實(shí)現(xiàn)，這種面向?qū)ο蟮募夹g(shù)使獨(dú)立的系統(tǒng)很容易擴(kuò)展成分布式系統(tǒng)，以適應(yīng)各種測(cè)試領(lǐng)域的要求。