基于LabVIEW的儀器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡鐵喬，韓煜昕

（中國民航大學(xué) 天津市智能信號與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

儀器控制指的是通過計(jì)算機(jī)上的軟件來控制儀器工作[1]，其實(shí)質(zhì)是軟件通過相應(yīng)的連接總線給受控儀器發(fā)送指令，使受控儀器完成相應(yīng)的操作。它需要受控儀器與計(jì)算機(jī)之間協(xié)同工作，同時(shí)可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲能力，擴(kuò)展儀器的功能。

信號發(fā)生器是信號處理領(lǐng)域中常用而重要的儀器。本實(shí)驗(yàn)室主要研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)信號處理、衛(wèi)星導(dǎo)航及甚高頻電臺抗干擾。為驗(yàn)證算法的抗干擾能力，經(jīng)常同時(shí)使用多個(gè)信號發(fā)生器發(fā)射干擾信號和有用信號。實(shí)驗(yàn)室的信號發(fā)生器都是很久以前采購的，其功能和現(xiàn)代信號發(fā)生器相比已經(jīng)明顯落后，操作復(fù)雜，顯示界面單一。在實(shí)際應(yīng)用中多臺儀器綜合應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致操作混亂、記錄繁瑣和效率低下等問題。但由于價(jià)格昂貴，完全將這些仍能滿足科研要求的儀器淘汰非常可惜。為此，本文以HP8118A、HP83732A、HP8780A、HP8657B、R&S SMH 5臺不同型號的傳統(tǒng)信號發(fā)生器為受控儀器，基于LabVIEW開發(fā)了它們各自的控制程序，并在主控制程序中實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)用。程序操作簡便快捷，在科研應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定，大大提高了測試的效率和準(zhǔn)確性，有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 LabVIEW開發(fā)環(huán)境簡介

LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）是NI公司推出的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。Lab-VIEW提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、信號發(fā)生器）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面[2]，內(nèi)部集成了對不同總線（如GPIB、USB、PXI等）的支持。因此，相較于VB、VC和C等文本編程語言，LabVIEW使儀器控制程序的開發(fā)周期大大縮短。

LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器VI（virtual instrument）。一個(gè)VI既可作為上層獨(dú)立程序，也可作為其他程序（或子程序）的子程序[3]。正是基于VI這一特性，LabVIEW最佳地實(shí)現(xiàn)了模塊化編程思想。因此，在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)，將其分解為一系列簡單的子任務(wù)模塊，將某些模塊封裝成獨(dú)立的VI，然后將這些模塊組合在一起完成最終的控制程序。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的儀器控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、受控儀器、儀器與計(jì)算機(jī)之間的通路（包括總線和硬件驅(qū)動(dòng)程序）和上層儀器控制應(yīng)用程序[4]。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

GPIB總線協(xié)議是20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的并行接口協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1 Mb/s，能實(shí)現(xiàn)儀器之間和儀器與計(jì)算機(jī)之間的雙向高速通信[5]。5臺信號發(fā)生器都配有GPIB接口，所以采用GPIB總線進(jìn)行儀器間互聯(lián)。GPIB總線通過Contec公司的GPIB接口卡GP-IB（USB）FL與計(jì)算機(jī)連接。

儀器通過GPIB總線連接方式可以分為星型連接方式和線型連接方式2種。星型連接方式是以一臺設(shè)備為中心，輻射連接至其他設(shè)備；線型連接方式是以一臺設(shè)備串聯(lián)著一臺設(shè)備的方式，連接成一個(gè)測試回路。線型連接受傳輸距離的限制，并且根據(jù)儀器實(shí)際擺放位置，本文采用星型連接方式，以計(jì)算機(jī)為中心，通過GPIB接口卡和GPIB總線與5臺儀器連接。系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備（包括接口卡），須有一個(gè)0～30之間的GPIB地址，不能重復(fù)。GPIB接口卡的出廠地址設(shè)置為0，HP8118A、HP83732A、HP8780A、HP8657B、R&S SMH 5臺儀器的地址分別設(shè)置為 17，19，10，7，28。 本文設(shè)計(jì)的儀器控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 儀器控制系統(tǒng)硬件組成Fig.1 Hardware structure of instrument control system

2.2 基于LabVIEW控制程序設(shè)計(jì)

控制程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)、GPIB接口卡與儀器的邏輯連接，完成控制命令的發(fā)送、測試結(jié)果的接收和儀器及總線狀態(tài)的反饋[6]。

基于LabVIEW的GPIB控制程序包括GPIB接口卡驅(qū)動(dòng)程序和主控程序。GPIB接口卡在Lab-VIEW環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序由Contec公司提供，包括GPIB接口卡的計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和在LabVIEW環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序。上層主控程序通過LabVIEW的GPIB函數(shù)庫與GPIB接口卡驅(qū)動(dòng)程序即可完成與儀器設(shè)備的信息交互，實(shí)現(xiàn)對儀器的控制，所以GPIB接口卡與GPIB協(xié)議對設(shè)計(jì)者來說是透明的，只需要考慮主控程序的設(shè)計(jì)。主控程序是與用戶進(jìn)行交互的控制程序，由它來搜集、分析用戶的操作，確定系統(tǒng)應(yīng)該調(diào)用的功能VI，組織指令并發(fā)送給受控儀器，同時(shí)顯示儀器反饋的信息給用戶?？刂瞥绦虻募軜?gòu)和數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 控制程序的架構(gòu)和數(shù)據(jù)流向Fig.2 Architecture and data direction of control program

LabVIEW的GPIB函數(shù)庫中使用最頻繁的是GPIB Write和GPIB Read 2個(gè)函數(shù)，通過這2個(gè)函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)儀器的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)的讀寫以及儀器的自動(dòng)控制。因?yàn)樵缙谛盘柊l(fā)生器的指令集各不相同，所以需要查閱儀器各自的編程手冊，通過GPIB Write給儀器發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。GPIB函數(shù)庫中FindLstn函數(shù)用于檢測開啟的信號發(fā)生器的型號，以完成對不同儀器控制程序的調(diào)用。

基于LabVIEW的主控程序設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想，將控制程序劃分為不同的功能模塊，有的功能模塊封裝成VI，由主控模塊在高層管理并調(diào)度各個(gè)子模塊協(xié)調(diào)工作。采用模塊化編程，不僅容易調(diào)試程序，也方便程序維護(hù)和功能擴(kuò)展及優(yōu)化。控制程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制程序結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of control program

（1）主控模塊

主控模塊的作用是識別開啟的儀器，并動(dòng)態(tài)調(diào)用儀器的VI。為便于管理窗口，控制程序窗口采用多重窗體（MDI）結(jié)構(gòu)，即主控模塊的前面板是主窗體，5臺儀器控制程序前面板為子窗體，子窗體位于主窗體中。MDI結(jié)構(gòu)通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)（CLN），在LabVIEW中調(diào)用Windows應(yīng)用程序編程接口API（application programming interface）的 SetParent函數(shù)和FindWindowA函數(shù)實(shí)現(xiàn)。5臺儀器的前面板各自獨(dú)立，是由主窗體管理的獨(dú)立子窗體。

儀器識別模塊通過FindLstn函數(shù)偵測開啟儀器的地址并返回到主控模塊，配合Set Menu Item Info函數(shù)節(jié)點(diǎn)，將主窗體菜單欄上未開啟的設(shè)備選項(xiàng)設(shè)置為禁用狀態(tài)，開啟的設(shè)備選項(xiàng)設(shè)置為啟用狀態(tài)，供用戶進(jìn)行后續(xù)的操作。如圖4所示，為控制程序前面板，開啟了4臺儀器，打開了其中3臺儀器的控制面板。

圖4 控制程序前面板Fig.4 Front panel of control program

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，子VI的調(diào)用分為靜態(tài)調(diào)用和動(dòng)態(tài)調(diào)用。動(dòng)態(tài)調(diào)用VI的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省內(nèi)存空間，只有在打開VI引用時(shí)VI的調(diào)用程序才會(huì)將其加載，能實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)交換[2]。實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)不會(huì)將所有的儀器都打開。若采用靜態(tài)調(diào)用子VI方式，在打開程序時(shí)就將所有的儀器VI都加載入內(nèi)存，會(huì)導(dǎo)致控制程序搜索不到儀器而造成程序運(yùn)行錯(cuò)誤，所以設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)用模塊打開不同儀器控制程序。

（2）儀器模塊

將5臺信號發(fā)生器的控制程序封裝成獨(dú)立的VI供主控模塊動(dòng)態(tài)調(diào)用，可以方便程序維護(hù)，隨時(shí)擴(kuò)展各儀器的功能；儀器的控制界面獨(dú)立，可避免對儀器的誤操作；各儀器VI之間沒有數(shù)據(jù)交換，使控制程序運(yùn)行更加穩(wěn)定。各儀器VI底層模塊基本相同，由儀器初始化、參數(shù)控制、數(shù)據(jù)讀取、錯(cuò)誤處理和終止程序運(yùn)行等模塊組成。

儀器初始化模塊通過給儀器發(fā)送命令<*IDN?>，對儀器返回的信息進(jìn)行比對完成設(shè)備標(biāo)識檢查，確定程序保存儀器地址與儀器實(shí)際地址對應(yīng)。參數(shù)控制模塊主要完成對儀器輸出信號參數(shù)的控制。數(shù)據(jù)讀取模塊作用是讀回儀器當(dāng)前輸出信號的參數(shù)和狀態(tài)并在前面板上進(jìn)行顯示，確保儀器工作正常。當(dāng)任何模塊或儀器本身運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤處理模塊會(huì)立即終止運(yùn)行其他模塊，切斷程序與儀器之間的通信，然后終止控制程序運(yùn)行，避免對計(jì)算機(jī)和儀器造成不可預(yù)料的后果。

此外，控制程序的用戶界面編程采用循環(huán)事件結(jié)構(gòu)。通過事件結(jié)構(gòu)可有效減少計(jì)算機(jī)CPU的占用率，只有觸發(fā)事件后，計(jì)算機(jī)才與儀器進(jìn)行通信完成信息交互，避免了對儀器頻繁寫入指令。

2.3 控制程序工作測試

本控制程序開發(fā)完成后，按照圖1將儀器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)控制不同型號信號發(fā)生器通過天線準(zhǔn)確發(fā)射有用信號與干擾。程序在長期的科研應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定良好，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

3 結(jié)語

本文基于LabVIEW開發(fā)平臺，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際應(yīng)用需求，開發(fā)了支持GPIB接口的控制程序，可以同時(shí)控制多臺儀器。程序界面采用MDI結(jié)構(gòu)，使控制界面更簡潔，操作更靈活。通過計(jì)算機(jī)控制儀器的工作，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，提高了測試效率與準(zhǔn)確性。使昂貴的傳統(tǒng)儀器又重新應(yīng)用到科研領(lǐng)域中，減少了科研經(jīng)費(fèi)的投入，對儀器互聯(lián)控制與日后集成測試平臺的開發(fā)有一定的借鑒意義。

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