基于LabVIEW和PXI設(shè)計(jì)通用儀器儀表綜合檢定系統(tǒng)

張麗梅，潘海飛，吳清源

（91388部隊(duì)96分隊(duì)，廣東 湛江 524022）

1 引 言

由于在航海、軍事、工廠車間等遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)所使用了大量通用儀器儀表，儀表種類雜、參數(shù)多，不易拆卸和運(yùn)輸，往往無(wú)法開展實(shí)驗(yàn)室計(jì)量測(cè)試。因此，為達(dá)到在現(xiàn)場(chǎng)能夠快速機(jī)動(dòng)地進(jìn)行計(jì)量測(cè)試，應(yīng)用PXI總線技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)以及自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)了通用儀器儀表綜合檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通用儀器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照傳統(tǒng)儀器的方法搭建通用儀器檢測(cè)系統(tǒng)，需要配置計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、示波器、數(shù)字萬(wàn)用表等多臺(tái)分立儀器，顯然無(wú)法滿足快速機(jī)動(dòng)的要求。該系統(tǒng)在選擇軟硬件配置時(shí)，充分考慮到儀器技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)有的產(chǎn)品和實(shí)際需求，采用嵌入式PXI控制計(jì)算機(jī)和18槽PXI便攜機(jī)箱以及相關(guān)PXI儀器模塊，組成了一套高效的PXI通用儀器儀表綜合檢測(cè)系統(tǒng)。

2.1 硬件配置

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。零槽控制器具有USB2.0、RS-232、NET、GPIB 等多種接口，能夠與各類數(shù)字式儀器進(jìn)行通信，是組建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的核心。具體硬件配置如下：

NI PXI-1045 PXI機(jī)箱；

NI PXI-8105嵌入式PXI控制器（零槽控制器）；

NI PXI-6608計(jì)數(shù)器/定時(shí)模塊；

NI PXI-5124示波器模塊；

NI PXI-4110直流電壓源模塊；

NI PXI-5422信號(hào)發(fā)生器模塊；

NI PXI-4071數(shù)字萬(wàn)用表模塊。

2.2 PXI總線

PXI總線是以CompactPCI為基礎(chǔ)的，由具有開放性的PCI總線擴(kuò)展而來。PXI總線符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了PCI總線的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。PXI構(gòu)造類似于VXI結(jié)構(gòu)，但它的設(shè)備成本更低，運(yùn)行速度更快，體積更緊湊。目前基于PCI總線的軟硬件均可應(yīng)用于PXI系統(tǒng)中，從而使PXI系統(tǒng)具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴(kuò)展性，它有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3～4個(gè)擴(kuò)展槽。PXI系統(tǒng)通過使用PCI-PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽。PXI總線的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到132 Mb/s（最高為500Mb/s），是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速率[1]。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.3 主要功能

2.3.1 集中式通用儀器

該系統(tǒng)利用PXI功能模塊實(shí)現(xiàn)通用參量的測(cè)試，可分別作為示波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表、時(shí)鐘源和直流電壓電流源使用，是一臺(tái)集中式的通用儀器。

圖2 集中式通用儀器

2.3.2 通用儀器檢測(cè)

通用儀器檢測(cè)是系統(tǒng)的核心部分，通過對(duì)PXI儀器模塊的組合使用實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表等通用儀器的檢測(cè)。

如表1所示，列出了各被檢通用儀器的檢測(cè)項(xiàng)目以及所使用的PXI儀器模塊。

2.4 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）示波器檢測(cè)

頻率范圍：100MHz

時(shí)間測(cè)量誤差：5ns

幅度測(cè)量誤差：1%

表1 通用儀器檢測(cè)項(xiàng)目表

直流增益/偏置：0.12mV分辨率

準(zhǔn)確度0.1%

（2）信號(hào)發(fā)生器檢測(cè)

頻率范圍：150MHz

幅度誤差：0.1dB（DC-50kHz）

0.4 dB（50kHz～20MHz）

1.6 dB（20～100MHz）

3dB（100～150MHz）

時(shí)間誤差：5ns

頻率分辨力：1Hz

功率電平：-50dBm-+23dBm

（3）頻率計(jì)檢測(cè)

頻率范圍：100MHz

時(shí)間誤差：5ns

輸入靈敏度：1mV

（4）數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)

可檢測(cè)6.5位萬(wàn)用表

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于虛擬儀器的軟件優(yōu)勢(shì)，通用儀器儀表綜合檢定系統(tǒng)結(jié)合專門研制的軟件，可以全自動(dòng)快速完成通用儀器儀表的檢測(cè)工作。系統(tǒng)軟件組成如圖3所示。

3.1 虛擬儀器軟件開發(fā)工具

系統(tǒng)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)選用美國(guó)NI公司推出的LabVIEW 8.2。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumen Tengineering Workbench-實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是一種基于G語(yǔ)言（Graphical Programming Language）的圖形化開發(fā)平臺(tái)，主要用于數(shù)據(jù)的采集、分析、處理和表達(dá)，總線接口、VXI儀器、PXI儀器以及GPIB與串口儀器的驅(qū)動(dòng)程序編制和驅(qū)動(dòng)虛擬儀器[2]。它是把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的代碼編寫輸入，簡(jiǎn)化成使用菜單式圖標(biāo)提示的方法選擇功能，并用線條把各種功能（圖形）連接起來的簡(jiǎn)單圖形編程方式。利用LabVIEW可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的32位編譯器[3]。

圖3 系統(tǒng)軟件組成框圖

3.2 儀器檢測(cè)流程

通用儀器檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)示波器、頻率計(jì)數(shù)器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字多用表等通用儀器檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果的完整性、準(zhǔn)確性和有效性等關(guān)鍵特性都通過儀器檢測(cè)模塊得到體現(xiàn)。各種儀器檢測(cè)參數(shù)各不相同，但檢測(cè)流程基本一致，如圖4所示。

3.3 儀器檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 被檢測(cè)儀器的開放性設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)充分利用零槽控制器PXI-8105的強(qiáng)大通訊功能，即10/100/1000 BaseTX（千兆）以太網(wǎng)、USB 2.0端口、GPIB及串口RS-232，以滿足各類儀器的需求。被檢儀器的控制代碼各不相同，如何使程序適用于不同的儀器，使操作人員無(wú)需求助設(shè)計(jì)者重新設(shè)計(jì)就可以檢定新的儀器成為開放性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖4 儀器檢測(cè)流程

設(shè)計(jì)中采用了建立命令集的方式，操作人員檢定新的儀器時(shí)，通過查詢儀器說明書將控制代碼按照控制流程寫入新的命令集，即可實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)控制和測(cè)試。

在LabVIEW函數(shù)模板中Instrument I/O子模板下的VISA函數(shù)能與各種接口類型的儀器通信[4]，系統(tǒng)采用VISA函數(shù)實(shí)現(xiàn)各種接口的儀器控制，程序如圖5所示。

圖5 儀器控制程序

3.3.2 儀器檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

由于儀器檢測(cè)流程基本一致，以示波器檢測(cè)為例介紹儀器檢測(cè)程序。

（A）主要使用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)

（1）標(biāo)準(zhǔn)幅度方波信號(hào)

由PXI-5422產(chǎn)生，用于檢測(cè)示波器的垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)、幅度測(cè)量等項(xiàng)指標(biāo)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)

由PXI-4110產(chǎn)生，用于檢測(cè)數(shù)字示波器直流增益、直流偏置誤差、幅度測(cè)量誤差。

（3）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)

由PXI-5422產(chǎn)生，用于檢測(cè)示波器的水平偏轉(zhuǎn)因數(shù)、時(shí)間間隔測(cè)量誤差。

（4）快前沿脈沖

由PXI-5422產(chǎn)生，用于檢測(cè)示波器垂直系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)，如上升時(shí)間、過沖等。

（5）穩(wěn)幅正弦波信號(hào)

由PXI-5422產(chǎn)生，用于檢測(cè)示波器垂直系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻響、內(nèi)外觸發(fā)（同步）特性。

（B）NI程序包

NI程序包是NI提供的PXI模板函數(shù)集，在程序中使用了大量?jī)x器控制函數(shù)，如表2。

（C）示波器檢測(cè)程序

示波器檢測(cè)程序依據(jù)JJG 262-1996《模擬示波器檢定規(guī)程》和JJF 1057-1998《數(shù)字存儲(chǔ)示波器校準(zhǔn)規(guī)范》設(shè)計(jì)。

表2 NI程序包列表

在測(cè)量信息中選擇被測(cè)示波器類型，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別進(jìn)入相應(yīng)測(cè)量界面，模擬示波器半自動(dòng)測(cè)量，數(shù)字?jǐn)?shù)字示波器全自動(dòng)測(cè)量，如圖6所示是模擬示波器檢測(cè)界面，利用選項(xiàng)卡劃分不同參數(shù)測(cè)量區(qū)域，多列列表框中是預(yù)先設(shè)置好的測(cè)量點(diǎn)以及測(cè)量結(jié)果。

圖6 模擬示波器檢測(cè)界面

圖7 數(shù)字示波器“掃描時(shí)間系數(shù)”測(cè)量程序

3.3.3 生成測(cè)試報(bào)告

該系統(tǒng)利用Word制作測(cè)試報(bào)告模板，在LabVIEW中通過文檔屬性節(jié)點(diǎn)向Word模板文檔指定位置寫入檢測(cè)信息和數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告[5]。

3.3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要包括被測(cè)儀器型號(hào)管理、允許誤差管理、被測(cè)參數(shù)命令集管理、測(cè)量信息管理、測(cè)試報(bào)告管理以及數(shù)據(jù)查詢等模塊。系統(tǒng)采用Access2000建立數(shù)據(jù)庫(kù)，通過LabSQL工具包進(jìn)行訪問。LabSQL是一個(gè)免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫(kù)、跨平臺(tái)的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問工具包，支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于OBDC的數(shù)據(jù)庫(kù)[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通用儀器儀表綜合檢定系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW和PXI總線平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通用儀器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。該系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活、準(zhǔn)確可靠、通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好，尤其適用于相對(duì)難以拆卸的艦船通用儀器儀表的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，推廣應(yīng)用前景廣泛。

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