基于多總線的自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)設(shè)計

    隨著測試和測量領(lǐng)域中計算機(jī)技術(shù)的不斷滲透，儀器系統(tǒng)中將更多地采用目前流行的總線類型，如通用接口總線(GPIB)和串行接口總線，以及新近出現(xiàn)的以太網(wǎng)、USB和IEEE 1394等通信總線。電子儀器的數(shù)量和類型正在日益增加，增強(qiáng)了計量檢測部門檢定／校準(zhǔn)工作的難度與強(qiáng)度。需要建立能夠自動檢定／校準(zhǔn)電子儀器的測試系統(tǒng)，從而快速、準(zhǔn)確地對電子儀器進(jìn)行檢定／校準(zhǔn)。
    自動檢定／校準(zhǔn)電子儀器的系統(tǒng)中將涉及到多種接口總線類型的儀器，各種儀器的供應(yīng)商也不同。目前各大電子儀器制造公司已推出了一些具有代表性的自動檢定／校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)產(chǎn)品。但存在一些不足：(1)必須使用特定型號的GPIB接口卡作為計算機(jī)和儀器之間的互連接口設(shè)備；(2)有些軟件是針對使用特定公司的電子測量儀器作為標(biāo)準(zhǔn)儀器而設(shè)計的檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)，存在通用性問題。這些原因使自動檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。為此，解決多種接口總線類型的儀器與計算機(jī)之間的直接通信，使檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)軟件具有通用性，構(gòu)建基于多總線的自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)是能夠滿足計量部門電子儀器自動檢定／校準(zhǔn)的解決方案。

1 自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)設(shè)計方案
1．1 系統(tǒng)硬件組成
    自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)的硬件平臺由控制計算機(jī)、可程控的被檢儀器、標(biāo)準(zhǔn)儀器和連接這些設(shè)備的互連總線組成。典型的系統(tǒng)硬件組成，如圖1所示。以示波器的檢定／校準(zhǔn)為例，其中，控制計算機(jī)選擇帶有GPIB，RS232，VXI，USB，LXI接口的微型計算機(jī)。示波器為系統(tǒng)中的被檢儀器，用于測量標(biāo)準(zhǔn)儀器輸出的信號。系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)源儀器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號。所有這些儀器必須是帶有互連接口的可程控儀器。

    組建檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)時，根據(jù)儀器的不同接口類型選擇儀器與控制計算機(jī)的連接方式?？梢酝ㄟ^接口卡直接與計算機(jī)相連，或者使用橋接器、接口轉(zhuǎn)換器連接儀器。配備有USB接口的儀器，可以方便的連接在計算機(jī)的USB接口上。LXI接口儀器可以連接在與控制計算機(jī)相連的交換機(jī)上，也可以將其他接口儀器通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為LAN接口后連接至LAN集線器或交換機(jī)上。靈活的硬件連接方式，便于快速組建檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)。
1．2 系統(tǒng)互連總線
    過去20多年間，自動化儀器系統(tǒng)中已廣泛使用IEEE 488和通用接口總線GPIB。近年來，電腦配備均提供以太網(wǎng)絡(luò)、USB(通用序列總線)等接口。這些新的總線具有多項(xiàng)優(yōu)良特性：易于使用(USB)、連結(jié)(以太網(wǎng)絡(luò))。GPIB是專為儀器控制應(yīng)用而設(shè)計的，擁有更強(qiáng)的功能與廣泛的使用者基礎(chǔ)，GPIB在未來的許多年仍會繼續(xù)存在。因?yàn)闆]有一種總線技術(shù)能夠在儀器控制工業(yè)中位居于主導(dǎo)地位，制造廠商對于總線的集成速度緩慢?，F(xiàn)今僅有數(shù)個儀器制造廠商在所制造的儀器中內(nèi)建USB或以太網(wǎng)絡(luò)選擇界面。隨著PC技術(shù)的發(fā)展，將有更多新的總線可以應(yīng)用于儀器控制?？紤]到PC技術(shù)的迅猛發(fā)展，而測試測量儀器的生命周期相對較長，計量部門所組建的檢定／校準(zhǔn)／測試系統(tǒng)，需要兼容多廠商多總線類型的儀器。
    研究了在可程控測量儀器中廣泛使用的測量儀器總線，并根據(jù)各種接口在儀器控制領(lǐng)域的應(yīng)用情況，文中主要采用GPIB，RS232，VXI，USB，LXI總線作為自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)的互連總線。

2 自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
    自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)軟件要能適應(yīng)對不同廠家、不同型號、不同接口的儀器的自動檢定／校準(zhǔn)。為了提高軟件的通用性，將檢定／校準(zhǔn)流程與系統(tǒng)軟件分開，系統(tǒng)軟件可以為不同的儀器編輯檢定／校準(zhǔn)流程并存放在數(shù)據(jù)庫中；系統(tǒng)執(zhí)行檢定／校準(zhǔn)時，從數(shù)據(jù)庫讀取相應(yīng)的檢定／校準(zhǔn)流程，實(shí)現(xiàn)對不同儀器的檢定校準(zhǔn)。按照上述功能需求，多總線自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)軟件由檢定／校準(zhǔn)管理層、檢定／校準(zhǔn)執(zhí)行層、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、I／O接口層組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架圖，如圖2所示。

2．1 多總線儀器硬件兼容的實(shí)現(xiàn)方案
    如圖2中VISA接口子層是實(shí)現(xiàn)儀器統(tǒng)一編程接口的核心。VISA詳細(xì)規(guī)范了虛擬儀器I／O接口軟件的組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)則，而符合此規(guī)范的虛擬儀器I／O接口函數(shù)就是VISA庫。VISA庫對于儀器驅(qū)動程序開發(fā)者來說是一個可調(diào)用的操作函數(shù)集，它駐留于計算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器的特殊功能，為計算機(jī)與儀器提供軟件層連接，以實(shí)現(xiàn)對儀器的程控。
    可程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令(SCPI-Standard Com-mands for Programmable Instruments)于1990年提出。SCPI聯(lián)盟致力于開發(fā)計算機(jī)和測試系統(tǒng)間的通用接口語言。SCPI是為測試測量儀器而設(shè)計的一種可讀的ASCII碼儀器命令語言SCPI為各類程控儀器提供了通用的語言和語法規(guī)則，它獨(dú)立于硬件，其字符串可以通過任何儀器接口發(fā)送，它的命令可由C，C++，Visual Basic等任何一種編程語言發(fā)出。
    I／O接口層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兼容多總線類型儀器的主要層次。通過對儀器應(yīng)用命令和操作以及I／O進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使得儀器應(yīng)用程序的開發(fā)與儀器接口無關(guān)。該層可細(xì)分為4個子層，分別是：VISA接口層、標(biāo)準(zhǔn)命令層SCPI、儀器驅(qū)動程序及函數(shù)層。其中，VISA與SPCI層是I／O接口與命令接口層，函數(shù)定義與驅(qū)動程序構(gòu)成應(yīng)用編程接口層。I／O接口層實(shí)現(xiàn)了儀器和通信協(xié)議對儀器應(yīng)用編程的透明，也就是說，這一層與通信協(xié)議及儀器本身是無關(guān)的。
2．2 引入獨(dú)立于軟件的測量流程，增加軟件的通用性
    測量流程即檢定步驟，是完成一臺儀器檢定／校準(zhǔn)過程中，測試系統(tǒng)中各個儀器所需要依次進(jìn)行的一步一步操作。測量流程中包含檢定／校準(zhǔn)項(xiàng)目、測量點(diǎn)、所使用儀器的功能、量程設(shè)置等信息，測試流程隨著檢定／校準(zhǔn)時使用的儀器、檢定／校準(zhǔn)項(xiàng)目等具體情況的變化而有很大的不同。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)合理、有效地組織、管理檢定／校準(zhǔn)過程中涉及到的信息和數(shù)據(jù)。自動檢定／校準(zhǔn)軟件用到被檢和標(biāo)準(zhǔn)儀器的程控指令、檢定／校準(zhǔn)項(xiàng)目和測量點(diǎn)、誤差上下限、檢定／校準(zhǔn)結(jié)果等各種信息和數(shù)據(jù)以測量流程的形式全部存入數(shù)據(jù)庫中，軟件通過訪問數(shù)據(jù)庫中存儲的測量流程來控制儀器。自動檢定／校準(zhǔn)軟件的源代碼中不涉及具體的儀器信息，使軟件具有對不同類型和型號的可程控儀器的兼容性。
    如圖2所示，檢定／校準(zhǔn)執(zhí)行層，它主要由檢定／校準(zhǔn)流程編輯模塊、檢定／校準(zhǔn)流程解釋執(zhí)行模塊和程控指令測試模塊組成。編輯模塊的主要功能是根據(jù)不同的儀器編輯檢定／校準(zhǔn)檢定校準(zhǔn)流程，并存儲在數(shù)據(jù)庫中。檢定／校準(zhǔn)流程解釋執(zhí)行模塊根據(jù)系統(tǒng)中接入的儀器選擇相應(yīng)的檢定／校準(zhǔn)流程，并解釋執(zhí)行該流程，完成對儀器的自動檢定／校準(zhǔn)，儀器自動檢定／校準(zhǔn)過程，如圖3所示。程控指令測試模塊用于直觀的驗(yàn)證程控指令的功能，從而保證檢定／校準(zhǔn)流程中使用的程控指令的正確性。

    引入獨(dú)立于軟件的測量流程，增強(qiáng)了軟件的通用性。系統(tǒng)中的測量標(biāo)準(zhǔn)和被測儀器可以替換成其他儀器，而軟件不需要變更，很好地保護(hù)了測試系統(tǒng)的軟件投資。根據(jù)需要選用不同的測試儀器，可以方便的組建適用于不同儀器的計量測試系統(tǒng)。軟件對不同儀器的檢定／校準(zhǔn)，只在測量流程中區(qū)別開。以簡單的格式規(guī)定測量流程，使計量人員能方便的編寫出測量流程。這種方法避免了以往自動檢定／校準(zhǔn)軟件系統(tǒng)產(chǎn)品的缺點(diǎn)，可以同時發(fā)揮軟件人員和計量人員各自的長處，滿足計量部門的需求。
    檢定／校準(zhǔn)管理層，它幫助用戶組建自動測試系統(tǒng)，主要完成對檢定／校準(zhǔn)過程中測量數(shù)據(jù)的分析處理，以及按照用戶的要求輸出檢定結(jié)果。例如把測量結(jié)果數(shù)據(jù)存儲起來，并以檢定／校準(zhǔn)證書的形式打印。

3 結(jié)束語
    文中提出了一種基于多總線的自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)設(shè)計方案，解決了多總線自動檢定／校準(zhǔn)測試系統(tǒng)中不同總線類型的儀器硬件兼容問題，引入獨(dú)立于軟件的測量流程，增加了軟件的通用性。本系統(tǒng)具有易于組建、互換性強(qiáng)、開放性好的特點(diǎn)，能有效地兼容不同接口類型的各種儀器，保護(hù)了系統(tǒng)的軟件投資。系統(tǒng)能較好地滿足當(dāng)前計量部門的需求，適用于組建各種不同儀器組成的計量測試系統(tǒng)。