基于LabVIEW的示波器自動校準(zhǔn)技術(shù)研究

趙元

摘 要 當(dāng)前示波器的計量主要采用手動校準(zhǔn)，過程繁瑣、人員占用多、校準(zhǔn)周期長，給示波器的校準(zhǔn)帶來巨大的挑戰(zhàn)。本文對示波器的計量校準(zhǔn)提出新的方法研究，基于Labview的軟件平臺探索更簡便的校準(zhǔn)方式。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；IVI；示波器校準(zhǔn)

1 示波器校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展趨勢及概況

示波器儀器的校準(zhǔn)最開始是手動進(jìn)行的，一般由技術(shù)人員設(shè)置被校準(zhǔn)示波器的參數(shù)，待示波器穩(wěn)定之后，從儀器上讀取測試數(shù)據(jù)并記錄，通過對比一臺標(biāo)準(zhǔn)儀器的數(shù)據(jù)，人工分析測量結(jié)果，給出校準(zhǔn)結(jié)論。手動校準(zhǔn)示波器的方法耗時費(fèi)力，并且容易出現(xiàn)校準(zhǔn)錯誤。隨著電子科技的發(fā)展，特別是計算機(jī)和接口總線技術(shù)的進(jìn)步，人們便開始了自動校準(zhǔn)技術(shù)的研究。20世紀(jì)90年代，TEK公司開發(fā)了SCAL101、SCAL102，用來針對模擬示波器的校準(zhǔn)，但還是處于半自動的測試系統(tǒng)，且該系統(tǒng)只能用于TEK公司自己的儀器，缺少通用性。隨后WAVETEK公司開發(fā)了全程控的示波器校準(zhǔn)裝置9500型，推動了示波器自動校準(zhǔn)技術(shù)的高速發(fā)展。

2 虛擬儀器軟件平臺及其特點(diǎn)

虛擬儀器（Virtual Instrument）是在電子儀器與計算機(jī)更新層次結(jié)合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新的儀器模式。虛擬儀器是將傳統(tǒng)儀器的控制面板展示在計算機(jī)顯示器上，從而使用戶可以通過計算機(jī)編程設(shè)計虛擬的儀器面板，然后利用外部輸入設(shè)備對儀器進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與操作儀器的結(jié)合。該技術(shù)信號的采集、測量與調(diào)理是通過I/O接口設(shè)備來完成的，再結(jié)合計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號的分析、計算和處理，從而完成測量的功能。

虛擬儀器技術(shù)就是以高性能的模塊化硬件為平臺，運(yùn)用高效的軟件來實(shí)現(xiàn)測試功能。人們可以根據(jù)需要設(shè)計和定制所需要的儀器，虛擬儀器技術(shù)的思想是通過不同的軟件模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，而不同的軟件模塊可以自由組合，以此實(shí)現(xiàn)儀器的自由定制。

3 軟件設(shè)計方案

根據(jù)虛擬儀器的軟件設(shè)計模塊化思想，將數(shù)字示波器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)分為操作界面、校準(zhǔn)器控制、控制、數(shù)據(jù)處理、報表生成五大模塊，各模塊按照各自的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

操作界面用于完成操作人員與程序之間數(shù)據(jù)交換，通過操作界面完成登錄信息的輸入，采集數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示，程序的運(yùn)行、停止功能的控制等功能；數(shù)據(jù)處理模塊用于完成整個軟件的時序控制，控制各個模塊協(xié)調(diào)統(tǒng)一的運(yùn)行；控制模塊用于設(shè)置示波器的工作狀態(tài)，控制示波器的各項(xiàng)測試功能，并將校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行讀回；校準(zhǔn)器控制模塊用于控制示波器校準(zhǔn)器的各項(xiàng)功能，并按照檢定規(guī)程的要求輸出準(zhǔn)確的校準(zhǔn)波形；數(shù)據(jù)報表生成模塊用于將測量結(jié)果按照需要的格式進(jìn)行輸出。各數(shù)據(jù)模塊按照設(shè)計時序進(jìn)行運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)功能。

4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

4.1人機(jī)交互界面

登錄界面由標(biāo)題欄、輸入框、按鈕三種控件組成。標(biāo)題欄右下角有軟件版本號，便于軟件版本的控制。主要組成部分為輸入框，由8個空間組成，分別為校準(zhǔn)源、核驗(yàn)員、示波器型號、示波器編號、環(huán)境溫度、相對濕度、儀表狀況、委托單位。校準(zhǔn)源采用組合框形式，默認(rèn)為福祿克9500B，可手動添加其它。核驗(yàn)員也采用組合框形式，可手動輸入或修改。示波器型號選用組合框，為系統(tǒng)后期型號擴(kuò)展提供選擇余地。示波器編號為示波器在系統(tǒng)內(nèi)的統(tǒng)一識別碼，方便區(qū)分被校準(zhǔn)的示波器。環(huán)境溫度、相對濕度通過人工讀取輸入系統(tǒng)。儀表狀況為示波器校準(zhǔn)的第一項(xiàng)，通過檢定員通電、按壓按鈕檢查示波器的基本狀態(tài)，然后記錄在表格中，將其設(shè)置為下拉列表，檢查后選擇結(jié)果。委托單位直接輸入后即刻保存。當(dāng)?shù)卿浗缑嫣顚懲瓿珊?，點(diǎn)擊登錄按鈕直接進(jìn)入測試界面，點(diǎn)擊退出按鈕退出整個測試程序。

4.2數(shù)字示波器控制

工控機(jī)通過USB數(shù)據(jù)總線與數(shù)字示波器TDS2002C進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，因此需要安裝泰克公司專用通信軟件，完成基本底層軟件環(huán)境的配置；通過對泰克示波器控制命令進(jìn)行介紹，對示波器的命令系統(tǒng)有一定的了解，為建立TDS2002C數(shù)字示波器的控制程序提供支撐；通過自上而下的設(shè)計思想，在建立數(shù)字示波器控制流程圖的技術(shù)上，建立數(shù)字示波器的控制、數(shù)據(jù)采集、測量等功能，為數(shù)字示波器的自動校準(zhǔn)提供依據(jù)。

4.2.1 數(shù)字示波器控制設(shè)計

數(shù)字示波器控制模塊通過LabVIEW建立數(shù)字示波器的數(shù)據(jù)鏈路，將物理數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)，傳遞給軟件，通過接口將軟件的控制命令發(fā)送給示波器，已完成相應(yīng)的測量命令。

數(shù)字示波器初始化主要完成數(shù)據(jù)接口識別，接口設(shè)備類型判斷，復(fù)位接口設(shè)備，并對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷等功能。

4.2.2數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要工作是對通過數(shù)據(jù)加載程序加載到程序控件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐項(xiàng)處理，當(dāng)處理完所有數(shù)據(jù)項(xiàng)后，調(diào)用數(shù)據(jù)報表輸出程序，將測試完成數(shù)據(jù)保存到EXCEL中。

5系統(tǒng)功能驗(yàn)證測試

5.1軟件功能測試

本系統(tǒng)以泰克TDS2002C數(shù)字示波器的自動校準(zhǔn)為模板，建立數(shù)字示波器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，同時采用福祿克9500B數(shù)字示波器校準(zhǔn)儀為標(biāo)準(zhǔn)源，因此校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件搭建按照硬件設(shè)計進(jìn)行搭建，將設(shè)備需要的接口驅(qū)動安裝到工控機(jī)中，這里驅(qū)動包括打印機(jī)驅(qū)動、GPIB總線驅(qū)動、泰克TDS2002C數(shù)字示波器驅(qū)動，確保設(shè)備接口驅(qū)動工作正常后將LabVIEW生成的可執(zhí)行文件安裝到測試系統(tǒng)工控機(jī)上，就可以打開應(yīng)用軟件進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面。

進(jìn)入主界面后，再打開應(yīng)用軟件，防止系統(tǒng)不能正常檢測到外接設(shè)備。如果示波器自檢測有問題，需要對示波器進(jìn)行修理，才能進(jìn)行校準(zhǔn)，不然校準(zhǔn)結(jié)果將存在較大偏差。信息輸入完成后，首先點(diǎn)擊“退出”按鈕，驗(yàn)證退出按鈕的功能是否正常。再次輸入登錄界面中的信息，點(diǎn)擊“登錄”按鈕，軟件跳轉(zhuǎn)到測試界面。

進(jìn)入測試界面后，可以看到第一項(xiàng)測試外觀及工作正常性檢查結(jié)果已經(jīng)自動添加到測試界面的控件中，可以驗(yàn)證登錄界面信息已經(jīng)通過后臺添加到數(shù)據(jù)表格中。點(diǎn)擊“開始測試”按鈕，系統(tǒng)自動按照由上到下的順序進(jìn)行測試，并且當(dāng)某行正在測試時，該行以灰色背景顯示，便于區(qū)分測試行。

測試完成后“開始測試”按鈕自動變?yōu)槲窗聪聽顟B(tài)，測量結(jié)果被記錄在測量值列中，通過對測量數(shù)據(jù)的計算，軟件自動計算出相對誤差，并將結(jié)果記錄在控件中。點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，將測量結(jié)果保存到EXCEL表格中，輸出結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] FLUKE Ltd.USERS HANDBOOK（Model 9500B Hish Performance Oscilloscope Calibrator Operation and Per— formanee）

[2] 馬春雷.基于GPIB的示波器校準(zhǔn)儀自動化校準(zhǔn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].宇航計測技術(shù)，2008，28（3）：42-44.

[3] 魏新.基于IVI技術(shù)的數(shù)字示波器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)研究[D].成都，電子科技大學(xué)，2015

[4] 姜志玲，唐蕾，陳維榮.虛擬儀器的現(xiàn)狀和前景[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002（4）：49-51.

[5] 季韶紅，盛立峰，侯天偉著.虛擬儀器的構(gòu)成與發(fā)展[J].吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報，2008.02