什么是數字示波器自動檢定系統

中心議題：

• 檢定系統軟硬件設計
• 測試系統實例操作

解決方案：

• 以GPIB、VXI、PXI為自動測試系統標準總線
• 制定VISA確保不同廠商、不同接口標準的儀器能相互兼容

隨著電子技術的發展，數字示波器憑借數字技術和軟件大大擴展了工作能力，早期產品的取樣率低、存在較大死區時間、屏幕刷新率低等不足得到較大改善，以前難以觀察的調制信號、通訊眼圖、視頻信號等復合信號越來越容易觀察。數字示波器可以對數據進行運算和分析，特別適合于捕獲復雜動態信號中產生的全部細節和異常現象，因而在科學研究、工業生產中得到了廣泛的應用。為了讓示波器工作在合格的狀態，對示波器定期、快速、全面的檢定，保證其量值溯源，是擺在測試工程師面前的一項緊迫任務。
　　
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；自動測試系統具有準確快速地測量參數、直觀地顯示測試結果、自動存儲測試數據等特性，是傳統的手工測試無法達到的。用自動測試系統實現對示波器的程控檢定將會是儀器檢定的趨勢。
　　
GPIB、VXI、PXI是自動測試系統標準總線，GPIB以性能穩定、操作方便、價格低廉贏得用戶的認可。這里選用了GPIB作為測試系統的總線。
　　
1硬件設計
　　
基于GPIB的數字示波器自動檢定系統的硬件由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。



1.1GPIB接口控制器
　　
1.1.1GPIB總線
　　
GPIB是惠普公司于20世紀60年代末、70年代初開發的實用儀器接口系統。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總線是數字化的24腳并行總線，有8根線是地線和屏蔽線，另外16根線是TTL電平信號傳輸線，包括8根數據線、5根接口管理線和3根數據傳輸控制線。GPIB使用8位并行、字節串行、異步通訊方式，所有字節通過總線順序傳送。
　　
GPIB系統設備有控者、講者和聽者三種屬性。實際設備具有其中的一種、兩種或三種。作為控者，它可以通過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者屬性的器件作為聽者，包括指定它自己。講者能通過總線向其他器件發送數據。聽者能從總線上接收講者發送的數據。一般來說在GPIB系統中計算機是控者，具有講、聽、控三種屬性。為避免總線沖突，IEEE488規定一次只能有一個講者，但可以同時有幾個聽者。由于GPIB系統中各器件的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線消息能夠雙向、異步、可靠地傳輸，GPIB母線中設置了三條握手線，分別為數據有效線、未準備好接收線和未收到數據線。
1.1.2BC-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發的BC-1401-2型USB-GPIB接口控制器，它帶有USB接口，把USB總線轉換成GPIB總線，操作GPIB儀器。其特點是：完全符合IEEE488.1和IEEE488.2國際標準，支持PCI、USB、Ethernet工業標準；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/OGPIB操作函數庫，其函數與ISA總線的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(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)函數庫,實現了凡是采用VISA函數開發的應用程序，在更換不同廠家的不同型號的GPIB接口控制器時，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等多種語言編制測試程序，方便而靈活。
　　
1.2FLUKE5500A
　　
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、過程校準器等多種儀器進行校準。FLUKE5500A提供了GPIB（IEEE-488）、RS-232、5725A三種標準接口；在安全性方面滿足IEC1010-1（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、時間標記和幅度信號。
　　
1.3主控PC
　　
PC作為系統的“主控者”，通過發布命令給GPIB接口控制器實現對FLUKE5500A和被檢定示波器的控制，主要包括以下幾個方面的內容：儀器的初始化、復位、儀器參數設置；命令FLUKE5500A產生標準信號，同時被檢示波器顯示；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檢定系統的核心，軟硬件能否穩定、協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Windows2003Server操作系統、SQLSever2005(開發版)數據庫以及Visual.NET2005作為開發平臺，以C/C++作為編程語言，同時在驅動程序方面選用NI公司的LabWindows/CVI7.0做部分程序的驅動開發。同時采用MAX（Measurement&Automation）作為IVI驅動配置程序。
　　
2.2關鍵技術VISA和IVI
　　
VISA是VXIplug&play聯盟制定的I/O接口軟件標準。制定VISA的目的是確保不同廠商、不同接口標準的儀器能相互兼容、可以通訊和進行數據交換。其顯著特點是：VISA是采用了先進的面向對象編程思想來實現的；它是當前所有儀器接口類型功能函數的超集成，而且十分簡潔，只有90多個函數；VISA作為標準函數，與儀器的I/O接口類型無關，方便程序移植。對于驅動程序、應用程序開發者而言，VISA庫函數是一套可以方便調用的函數，可以控制各種設備如GPIB、VXI、PXI等。
　　
IVI（InterchangeableVirtualInstrument）是IVI基金會為了進一步提高儀器驅動程序的可執行性能，達到真正意義上的儀器互換，實現應用程序完全獨立于硬件而推出的儀器驅動程序編程接口。IVI系統由IVI類驅動程序、具體驅動程序、IVI引擎、IVI配置實用程序、IVI配置信息文件五部分組成。類驅動程序實現了上層統一功能的封裝，面對的是操作者，而具體驅動程序完成與具體儀器的通信。測試程序是調用類驅動程序，用類驅動程序調用具體驅動程序來實現測試程序和硬件的無關性。IVI引擎完成狀態緩存、儀器屬性跟蹤、分類驅動程序到具體驅動程序的映射功能。IVI配置實用程序是采用軟件MAX創建和配置IVI邏輯名，在測試程序中通過傳送邏輯名給一個分類驅動程序初始化函數，將操作映射到具體儀器及儀器驅動程序。IVI配置信息文件記錄了所有邏輯名和從類驅動程序到具體儀器驅動程序的映射信息。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在軟面板上選定的測試參數，調用相應的測試儀器進行測試，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動畫）連接儀器，在確認連接正確后，檢查是否有IVI驅動程序，在安裝驅動程序后運行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。其流程圖見圖3。



2.4開發IVI驅動程序
　　
對于IVI儀器，廠家會提供IVI驅動程序只需要編寫少量代碼即可實現對儀器的檢定，主程序簡單，便于管理。IVI基金會的目標是支持95%的儀器。基于IVI技術的數字儀器的檢定將會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驅動開發向導把儀器程控命令樹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驅動程序的開發，使它成為IVI儀器。其特點是前期開發IVI驅動程序工作量大，但是后期測試程序開發和維護工作量少。
　　
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6個模塊。
　　
3應用實例
　　
應用本方法組建的測試系統對IVI儀器Hp54815等進行了檢定，對非IVI儀器XJ4321等開發了IVI驅動程序，對其垂直靈敏度、瞬態響應、穩態響應、掃描時間因素誤差、掃描時間因素線性誤差5項內容進行檢定，保存檢定結果并打印檢定證書。實踐證明：檢定過程變得快速和簡單；自動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，綜合運用了IVI技術和數據庫技術實現數字示波器的自動檢定，具有操作方便、可擴展性強、工作穩定性好的特點，為組建功率計、頻譜分析儀、任意波形/函數發生器、數字多用表的綜合數字儀器自動檢定系統提供了參考。