基于Keithley儀表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

王勇，魏建中，陳波

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

Keithley 2000儀表是一種高性能的數(shù)字型儀表，主要用于電流、電壓、電阻和頻率等參數(shù)的測(cè)量，在工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)室中具有廣泛的用途。該表測(cè)量精度高、噪聲低和功能全，但對(duì)于非專(zhuān)業(yè)測(cè)試人員，使用該表進(jìn)行專(zhuān)業(yè)參數(shù)測(cè)量還是比較困難的，測(cè)量速度慢，測(cè)量效率低。

隨著智能儀表和虛擬儀表技術(shù)的快速發(fā)展，上下位機(jī)通訊的地位日益凸現(xiàn)，如何通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集已成為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)急需解決的問(wèn)題。有了性能強(qiáng)大的硬件檢測(cè)平臺(tái)，如果沒(méi)有合適的軟件與之匹配，那么檢測(cè)儀表的性能將得不到充分的發(fā)揮。

本文將結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中電阻溫度循環(huán)前后阻值變化的測(cè)試過(guò)程，提出Keithley儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)儀表的自動(dòng)化采集、分析和合格判定。

1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

Keithley 2000儀表通過(guò)RS 232[1-2]接口與上位機(jī)PC進(jìn)行通信，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)中的軟件進(jìn)行比較分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用Delphi 7進(jìn)行上位機(jī)編程，在進(jìn)行通信程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了避免底層串口參數(shù)編程的初始化設(shè)置過(guò)程，提高開(kāi)發(fā)效率，選用了功能強(qiáng)大的第三方SPComm控件，SPComm控件通過(guò)串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能。程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

1.1 SPComm串口通信控件介紹

SPComm控件具有豐富的、與串口通信密切相關(guān)的屬性，提供了對(duì)串口所進(jìn)行的多種操作，進(jìn)而使串行通信變得十分簡(jiǎn)便。

SPComm共實(shí)現(xiàn)了3個(gè)類(lèi)：串口類(lèi)Tcomm、讀線程類(lèi)TreadThread以及寫(xiě)線程類(lèi)TwriteThread[1]。Tcomm的某個(gè)實(shí)例在方法StartComm中打開(kāi)串口，并實(shí)例化了一個(gè)讀線程ReadThread和一個(gè)寫(xiě)線程WriteThread，它們和主線程之間進(jìn)行消息的傳遞，實(shí)現(xiàn)串口通信。

Spcomm串口通信控件的基本屬性、方法和事件的說(shuō)明如下：

1.1.1 基本屬性

a）CommName屬性

計(jì)算機(jī)串口端口號(hào)的名字，COM1、COM2……等；在打開(kāi)串口前，必須填寫(xiě)好此值。

b）Parity屬性

校驗(yàn)位None、Odd、Even、Mark和Space等。

c）BaudRate

設(shè)定支持串口通信用的波特率9600，4800等，根據(jù)實(shí)際需要來(lái)定；在串口打開(kāi)后也可更改波特率，實(shí)際的波特率隨之更改。

d）ByteSize屬性

表示一個(gè)字節(jié)中，使用多少個(gè)數(shù)據(jù)位來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的情況設(shè)定5、6、7、8等。

e）StopBits屬性

表示一個(gè)字節(jié)中，使用停止位的位數(shù)，根據(jù)具體的情況設(shè)定1、1.5、2等。

f）SendDataEmpty 屬性

布爾屬性，為T(mén)rue時(shí)表示發(fā)送緩存為空，或者發(fā)送隊(duì)列里沒(méi)有信息；為False時(shí)表示發(fā)送緩存不為空，或者發(fā)送隊(duì)列里有信息。

1.1.2 方法

a）StartComm方法

用來(lái)打開(kāi)通信串口，開(kāi)始通信。如果失敗，則會(huì)導(dǎo)致串行口錯(cuò)誤。錯(cuò)誤類(lèi)型大致分為串行口己處于打開(kāi)狀態(tài)，所以不能打開(kāi)串行口，不能創(chuàng)建讀寫(xiě)進(jìn)程，不能建立串行口緩沖區(qū)等。

b）StopComm方法用來(lái)停止通信串行口的所有進(jìn)程，關(guān)閉串口。c）WriteCommData（1）pDataToWrite： PChar；2）dwSizeofDataToWrite： Word）方法

這是帶有布爾型返回值的函數(shù)，其中參量pDataToWrite是要寫(xiě)入串行口的字符串，dwSizeof-DataToWrite是要寫(xiě)入的字符串的長(zhǎng)度。該函數(shù)通過(guò)一個(gè)寫(xiě)線程向串行口輸出緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送操作將在后臺(tái)默認(rèn)執(zhí)行。如果寫(xiě)線程PostMessage成功，則返回值是True；若寫(xiě)線程失敗，則返回值是False。

1.1.3 事件

Spcomm串行通信控件具有多線程的特性，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)分別在兩個(gè)線程內(nèi)完成，接收線程負(fù)責(zé)收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)OnReceiveData事件；用WriteCommData（）函數(shù)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸出緩沖器，發(fā)送線程在后臺(tái)完成數(shù)據(jù)發(fā)送工作。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)前需要初始化串口，用StartComm方法打開(kāi)串口，退出程序時(shí)用StopComm方法關(guān)閉串口。

Spcomm應(yīng)用的核心在于主線程、讀線程和寫(xiě)線程之間的消息傳遞機(jī)制，而通信數(shù)據(jù)相關(guān)信息的傳遞也是以消息傳遞的方式進(jìn)行的。在使用Spcomm進(jìn)行串口通信編程時(shí)，需要特別注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

a）Spcomm是通過(guò)ReadIntervalTimeout屬性的設(shè)置來(lái)確定所接收到的數(shù)據(jù)是否屬子同一幀數(shù)據(jù)，其默認(rèn)值是100 ms；也就是說(shuō)，只要任何兩個(gè)字節(jié)到達(dá)的時(shí)間間隔小于100 ms，都被認(rèn)為是屬于同一幀數(shù)據(jù)，在與儀表機(jī)協(xié)同工作時(shí)，要特別注意這個(gè)問(wèn)題[2]。

b）Spcomm的默認(rèn)屬性設(shè)置是支持軟件流控制的，用于流控制的字符是13 H（XoffChar）和11 H（XonChar），當(dāng)儀表以二進(jìn)制方式發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須要禁用Spcomm對(duì)于軟件流控制的支持；否則，在數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)的13 H和11 H會(huì)被Spcomm作為控制字符而加以忽略。

1.2 使用SPComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信

由于Delphi 7中沒(méi)有直接集成串口控件，所以，首先需要把SPComm控件添加到Delphi 7中。

在Delphi 7.0中安裝SPComm串口通信控件的方法為：選擇 Delphi 7.0的 “Component” 菜單，點(diǎn)擊 “Install Component..” 菜單項(xiàng)，然后在彈出的Into existing package屬性頁(yè)中的Unit file name輸人框中選擇SPCOMM.pas文件，單擊兩次 “OK”按鈕后，就可以將SPComm控件安裝到Delphi 7.0的System組件頁(yè)上。

對(duì)SPComm控件進(jìn)行初始化，初始化的指令如下：

1.3 Keithley 2000 RS-232 通信設(shè)置

1.4 通信指令組

正常的串口通信建立后，就可以由PC上位機(jī)通過(guò)SPComm控件提供函數(shù)WriteCommData（pDataToWrite：PChar； dwSizeofDataToWrite：Word）：Boolean；向Keithley 2000發(fā)出操控指令。

以下是采集數(shù)據(jù)的指令舉例，可以完成電阻阻值的基本參數(shù)測(cè)量。

指令以回車(chē)符結(jié)束，如 “DATA?”指令的程序代碼如下：

1.5 基于SPComm控件的數(shù)據(jù)的接收及處理

由于SPComm采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，只要儀表向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，SPComm就觸發(fā)一次接收事件，相應(yīng)的數(shù)據(jù)存放在接收緩沖區(qū)，SPComm以接收數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔區(qū)分不同的事件，事件間隔在Read-InteralTimeout中設(shè)置。接收事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需程序?qū)邮站彺嬉恢碧幱跈z查狀態(tài)，只要有數(shù)據(jù)到達(dá)就會(huì)觸發(fā)接收事件而執(zhí)行相應(yīng)的程序代碼。

SPComm控件提供 OnReceiveData事件，當(dāng)控件接收數(shù)據(jù)時(shí)執(zhí)行該事件，可在該事件中對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。以下是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的代碼，可以實(shí)現(xiàn)阻值的自動(dòng)判定，超出指標(biāo)，則顯示為紅色。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能分析

電阻初次測(cè)量阻值、溫度循環(huán)試驗(yàn)后再次測(cè)量阻值，并計(jì)算兩次測(cè)量的阻值變化，每次測(cè)量值及變化量有相應(yīng)的指標(biāo)范圍，針對(duì)筆者所在的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量樣品多，測(cè)試指標(biāo)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，為提高工作效率，采用Delphi 7編寫(xiě)上位機(jī)軟件，通過(guò)RS 232接口連接Keithley儀表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

系統(tǒng)對(duì)讀取的數(shù)值設(shè)置了量級(jí)和精度，可自定義量級(jí)和精度；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算、儲(chǔ)存整套數(shù)據(jù)及查詢(xún)，大大簡(jiǎn)化了操作步驟，實(shí)現(xiàn)了全程無(wú)紙化測(cè)量，有效地避免人為誤差，極大地方便了后續(xù)數(shù)據(jù)處理；成功讀取數(shù)據(jù)后對(duì)樣品編號(hào)自動(dòng)加一，便于讀取下一樣品數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析后，不合格的數(shù)據(jù)將用紅色標(biāo)識(shí)；測(cè)試數(shù)據(jù)可以保存到Excel表中，方便保存及后期處理；系統(tǒng)出錯(cuò)采用多媒體聲音報(bào)警，操作人員不必時(shí)刻監(jiān)視計(jì)算機(jī)和儀表了；配合USB串口轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)Keithley全系列數(shù)字萬(wàn)用表即插即用，沒(méi)有RS 232串口的計(jì)算機(jī)同樣可以方便地通過(guò)此軟件控制Keithley數(shù)字萬(wàn)用表。

在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，操作人員將樣品放置好后，直接按回車(chē)鍵即可完成所有的工作。如果這一測(cè)試工作同樣由人工手動(dòng)完成，則不僅效率低下，而且測(cè)量精度也得不到保證。人工測(cè)試和自動(dòng)采集性能的比較如表1所示。

表1 人工測(cè)試和自動(dòng)采集性能比較

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，對(duì)傳統(tǒng)的人工測(cè)量電阻的測(cè)試方法進(jìn)行了重大的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了電阻阻值的自動(dòng)測(cè)量及溫度循環(huán)前后的阻值變化比較，大大提高了電阻阻值參數(shù)測(cè)試的自動(dòng)化水平，減少了人員的工作量，提高了數(shù)據(jù)的可信度；另外，本系統(tǒng)也可對(duì)電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

[1]范逸之，陳立元.Delphi與RS-232串行通信控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]黃軍，熊勇.Delphi串口通信編程[M].北京：人民郵電出版社，2002.