基于LabVIEW和PXI设计通用仪器仪表综合检定系统

2010-04-26张丽梅潘海飞吴清源

中国测试 2010年2期

张丽梅，潘海飞，吴清源

（91388部队96分队，广东湛江 524022）

1 引言

由于在航海、军事、工厂车间等远离实验室的场所使用了大量通用仪器仪表，仪表种类杂、参数多，不易拆卸和运输，往往无法开展实验室计量测试。因此，为达到在现场能够快速机动地进行计量测试，应用PXI总线技术、虚拟仪器技术以及自动化测试技术进行设计，开发了通用仪器仪表综合检测系统，实现了通用仪器的现场检测。

2 硬件系统设计

按照传统仪器的方法搭建通用仪器检测系统，需要配置计算机、信号发生器、示波器、数字万用表等多台分立仪器，显然无法满足快速机动的要求。该系统在选择软硬件配置时，充分考虑到仪器技术发展的趋势，结合现有的产品和实际需求，采用嵌入式PXI控制计算机和18槽PXI便携机箱以及相关PXI仪器模块，组成了一套高效的PXI通用仪器仪表综合检测系统。

2.1 硬件配置

系统硬件组成如图1所示。零槽控制器具有USB2.0、RS-232、NET、GPIB 等多种接口，能够与各类数字式仪器进行通信，是组建自动化测试系统的核心。具体硬件配置如下：

NI PXI-1045 PXI机箱；

NI PXI-8105嵌入式PXI控制器（零槽控制器）；

NI PXI-6608计数器/定时模块；

NI PXI-5124示波器模块；

NI PXI-4110直流电压源模块；

NI PXI-5422信号发生器模块；

NI PXI-4071数字万用表模块。

2.2 PXI总线

PXI总线是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来。PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。PXI构造类似于VXI结构，但它的设备成本更低，运行速度更快，体积更紧凑。目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统中，从而使PXI系统具有良好的兼容性。PXI还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3～4个扩展槽。PXI系统通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。PXI总线的传输速率已经达到132 Mb/s（最高为500Mb/s），是目前已经发布的最高传输速率[1]。

图1 系统硬件组成框图

2.3 主要功能

2.3.1 集中式通用仪器

该系统利用PXI功能模块实现通用参量的测试，可分别作为示波器、信号发生器、数字万用表、时钟源和直流电压电流源使用，是一台集中式的通用仪器。

图2 集中式通用仪器

2.3.2 通用仪器检测

通用仪器检测是系统的核心部分，通过对PXI仪器模块的组合使用实现对示波器、信号发生器、频率计、数字万用表等通用仪器的检测。

如表1所示，列出了各被检通用仪器的检测项目以及所使用的PXI仪器模块。

2.4 主要技术指标

（1）示波器检测

频率范围：100MHz

时间测量误差：5ns

幅度测量误差：1%

表1 通用仪器检测项目表

直流增益/偏置：0.12mV分辨率

准确度0.1%

（2）信号发生器检测

频率范围：150MHz

幅度误差：0.1dB（DC-50kHz）

0.4 dB（50kHz～20MHz）

1.6 dB（20～100MHz）

3dB（100～150MHz）

时间误差：5ns

频率分辨力：1Hz

功率电平：-50dBm-+23dBm

（3）频率计检测

频率范围：100MHz

时间误差：5ns

输入灵敏度：1mV

（4）数字万用表检测

可检测6.5位万用表

3 软件系统设计

由于虚拟仪器的软件优势，通用仪器仪表综合检定系统结合专门研制的软件，可以全自动快速完成通用仪器仪表的检测工作。系统软件组成如图3所示。

3.1 虚拟仪器软件开发工具

系统测控软件设计选用美国NI公司推出的LabVIEW 8.2。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumen Tengineering Workbench-实验室虚拟仪器工程平台）是一种基于G语言（Graphical Programming Language）的图形化开发平台，主要用于数据的采集、分析、处理和表达，总线接口、VXI仪器、PXI仪器以及GPIB与串口仪器的驱动程序编制和驱动虚拟仪器[2]。它是把复杂、繁琐、费时的代码编写输入，简化成使用菜单式图标提示的方法选择功能，并用线条把各种功能（图形）连接起来的简单图形编程方式。利用LabVIEW可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器[3]。

图3 系统软件组成框图

3.2 仪器检测流程

通用仪器检测模块实现示波器、频率计数器、信号发生器、数字多用表等通用仪器检测，测试结果的完整性、准确性和有效性等关键特性都通过仪器检测模块得到体现。各种仪器检测参数各不相同，但检测流程基本一致，如图4所示。

3.3 仪器检测软件设计

3.3.1 被检测仪器的开放性设计

该系统充分利用零槽控制器PXI-8105的强大通讯功能，即10/100/1000 BaseTX（千兆）以太网、USB 2.0端口、GPIB及串口RS-232，以满足各类仪器的需求。被检仪器的控制代码各不相同，如何使程序适用于不同的仪器，使操作人员无需求助设计者重新设计就可以检定新的仪器成为开放性设计的关键。

图4 仪器检测流程

设计中采用了建立命令集的方式，操作人员检定新的仪器时，通过查询仪器说明书将控制代码按照控制流程写入新的命令集，即可实现仪器的自动控制和测试。

在LabVIEW函数模板中Instrument I/O子模板下的VISA函数能与各种接口类型的仪器通信[4]，系统采用VISA函数实现各种接口的仪器控制，程序如图5所示。

图5 仪器控制程序

3.3.2 仪器检测程序设计

由于仪器检测流程基本一致，以示波器检测为例介绍仪器检测程序。

（A）主要使用的标准信号

（1）标准幅度方波信号

由PXI-5422产生，用于检测示波器的垂直偏转因数、幅度测量等项指标。

（2）标准直流信号

由PXI-4110产生，用于检测数字示波器直流增益、直流偏置误差、幅度测量误差。

（3）标准时标信号

由PXI-5422产生，用于检测示波器的水平偏转因数、时间间隔测量误差。

（4）快前沿脉冲

由PXI-5422产生，用于检测示波器垂直系统瞬态响应，如上升时间、过冲等。

（5）稳幅正弦波信号

由PXI-5422产生，用于检测示波器垂直系统稳态频响、内外触发（同步）特性。

（B）NI程序包

NI程序包是NI提供的PXI模板函数集，在程序中使用了大量仪器控制函数，如表2。

（C）示波器检测程序

示波器检测程序依据JJG 262-1996《模拟示波器检定规程》和JJF 1057-1998《数字存储示波器校准规范》设计。

表2 NI程序包列表

在测量信息中选择被测示波器类型，系统自动识别进入相应测量界面，模拟示波器半自动测量，数字数字示波器全自动测量，如图6所示是模拟示波器检测界面，利用选项卡划分不同参数测量区域，多列列表框中是预先设置好的测量点以及测量结果。

图6 模拟示波器检测界面

图7 数字示波器“扫描时间系数”测量程序

3.3.3 生成测试报告

该系统利用Word制作测试报告模板，在LabVIEW中通过文档属性节点向Word模板文档指定位置写入检测信息和数据，自动生成测试报告[5]。

3.3.4 数据库管理

数据库管理主要包括被测仪器型号管理、允许误差管理、被测参数命令集管理、测量信息管理、测试报告管理以及数据查询等模块。系统采用Access2000建立数据库，通过LabSQL工具包进行访问。LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW数据库访问工具包，支持Windows操作系统中任何基于OBDC的数据库[6]。