基于Labview的自動化精密阻抗分析系統

　0 引言
　　
　　隨著科學技術的進步，各類實驗研究的對象和方法也越來越復雜，相對應的實驗系統及實驗平臺的復雜度也成幾何增長。傳統的人工操作在精確度及重復性上已遠遠不能滿足要求。于是儀器設備的高度可集成化和可自動化已成為當代儀器必不可少的特性。但不同實驗系統所要求的測量參數和步驟均不同，因此所需要的實驗儀器系統同時也應該是可模塊化并且可自主集成的。虛擬儀器(VIs)概念的提出使得可以利用傳統的儀器設備來搭建不同的實驗平臺。并且由于VI是可編程和可程控的，這樣可以依據不同的實驗要求來改變實驗平臺的設計。基于VI的平臺相比較于商業化的集成平臺有著顯著的優勢：a．利用各類傳統儀器即可搭建復雜的系統；b．平臺的功能可以通過程序的改變而簡單地變換；c．在避免復雜的重復性測量工作的同時，實驗的準確性也得到了顯著的提高。
　　
　　1 精密阻抗分析系統的搭建
　　
　　Agilent 4294A精密阻抗分析儀主要應用于測量材料的各類電阻、電抗、電容等參數。其高精度、可多次掃描和多參數設置使得其被廣泛應用于各類半導體薄膜材料、納米材料和工程材料的特性測試。然而他在實驗系統的搭建中很難被集成，其主要原因是：a．缺乏方便的儲存載體；b．掃描測量需要人工進行大量反復的數據記錄；c．單次掃描無法自動重復進行。但4294A內部已集成HP公司開發的IBASIC語言系統以及多個移位寄存器來進行狀態儲存和識別，同時配備有GPIB接口，因此可以利用PCI轉接GPIB卡來使4294A同個人電腦進行數據通信及存儲。
　　
　　在對于VI的設計上，選用NI公司開發的Labview軟件。作為NI公司推出的第一款VI設計軟件，由于其高度的通用性以及高效的人機交互界面，Labview已被廣泛應用于各類實驗儀器平臺的搭建和設計。利用Labview 8．0來進行GPIB口地址選擇、指令輸送接收、儀器參數設定、測量指令觸發、波形繪制以及數據存儲功能的實現。
　　
　　在連接上，利用ADLINK PXI-3488 GPIB卡以及GPIB專用通信數據線來實現。因此實驗系統的搭建如圖1所示。

　　
　　2 Labview實驗程序的編寫
　　
　　需要利用Labview來完美實現Agi lent 4294A的各個功能。利用GPIB口可以將PC同4294A連接起來，并利用SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)指令來對儀器進行狀態查詢和程序控制。4294A擁有儲存儀器狀態的一套完整的狀態寄存器。因此通過調用查詢寄存器不同位的數值就可以判斷測量參數設定是否完畢，掃描是否啟動或停止，以及數據是否讀入。4294A的寄存器結構是一個典型的層級結構，如圖2所示。通過對事件寄存器以及狀態位寄存器相應位的查詢即可知道儀器詳細的操作狀態。

　　
　　對于儀器控制部分的程序編寫，主要分為以下幾個部分：a．儀器參數設定部分；b．圖形繪制和數據顯示部分；c．數據記錄及儲存部分。

　
　　2．1 儀器參數設定程序
　　
　　對于4294A的自動控制首先要實現對其面板參數的程序化控制，因此需要構建一個虛擬前面板來模擬儀器的控制面板，同時在程序設計部分妻實現對各個參數的設定和調整。參數設置虛擬前面板及其對應的程序框圖如圖3和4所示。

　　
　　從圖4可以看出，首先對于連接于不同GPIB地址的4294A儀器，我們可以利用面板右下方的地址搜索欄來找尋到所需要的儀器地址。之后，利用不同的輸入變量類型及SCPI對普通字符串的轉換將晦澀的機器讀取命令轉換成簡易識別的命令選項呈現在參數設置前面板中，用戶只需要通過前面板上的簡單命令選擇，即可以向儀器發出SCPI命令代碼。然而由于4294A從GPIB口讀取數據需要考慮時延的問題，同時設計了一個用于識別SCPI指令的顯示框。在確認命令輸入無誤后，即可點擊"寫入命令到4294A中"按鈕來完成參數的設置。
　　
　　當點擊了該按鈕后，由于大量GPIB口寫入的SCPI命令需要一定的時間來完成，同時還需考慮Labview程序本身存在的延時，我們必須保證在進行后續操作之前，這些寫入的命令已執行完畢。對于輸入命令是否完成，我們需要對SRQ中的只讀狀態寄存器層進行訪問，并讀取相應位置的狀態，當該位的返回值為l的時候，則證明數據寫入完畢，可以執行下步操作。這一過程相應的程序框圖如圖5所示。

　　
　　從圖5中還可以看出，在利用SCPI命令"*OPC?"命令讀取狀態寄存器中命令寫入狀態位的數值并判斷其為1后，還將繼續進行掃描次數的設定，利用條件結構和While循環來實現單次掃描或多次掃描間的選擇和切換。同樣，在掃描參數設定的模塊中，也設計有一個SCPI命令的顯示窗口，在判斷命令正確無誤后，則可以點擊"START"按鈕，通過GPIB口人工向儀器發出一個觸發信號，從而開始數據的測量。
　　
　　2．2 圖形繪制和數據顯示程序
　　
　　4294A一個重要的性能即是顯示所測量數據，如電阻、電容、介電損耗等特性的實時曲線。因此，我們在記錄儀器數據的同時，還需要添加圖形繪制模塊，這樣不僅可以驗證程序的準確性，同時也增加了程序的實用性。該部分的前面板及程序如圖6、7所示。

2．3 數據記錄及儲存程序
　　
　　在測量結束，圖形繪制完畢后，還需要將所有的數據進行保存，以便進行后續結果的分析，如介電常數的計算等。實驗數據的保存部分程序框圖如圖8所示。

　　
　　可見，利用一個膠片結構，數據A、數據B、及掃描參數被分別進行存儲。因為所讀取出來的數據是一個雙精度實數的數組類型，我們需要利用一個While循環及一個數組轉換為動態數據單元來把數據逐個寫入。當寫入結束后，再將所有數據保存為一個．1vm格式的文件。該文件可以被各類文檔編輯類程序打開并修改，十分便于后處理。
　　
　　3 實驗結果驗證及分析
　　
　　為了對實驗程序進行可行性及準確度的確認，我們將虛擬前面板繪制出的圖形(圖9)、記錄數據進行后處理所繪制的圖形(圖10)以及儀器本身面板所顯示的圖形(圖11)這3者進行了對比，如圖所示。

　　
　　可見，3個圖形在數據A和數據B 的波形及數據精度上都十分吻合。這證實了該自動化控制程序的準確性和實用性。
　　
　　4 總結
　　
　　利用Labview程序及GPIB接口通信，成功實現了自動化精密阻抗分析系統的搭建。結果表明，此平臺的精度和準確性都完美保留了原儀器的性能；同時，還實現了大量數據重復測量的自動化。此平臺中的GPIB卡還擁有15個外接接口，即意味著還可以連接15臺其它儀器進行更加復雜的自動化實驗平臺的搭建。同時，利用Labview程序的Web功能，我們甚至可以利用internet或LAN來實現對該系統的遠程控制。