基于LabVIEW的恒温晶振自动测试系统*

马帅帅 邓嘉辉 雷 洁 肖苗苗

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

恒温晶振通过温控电路对器件内部的温度进行控制，从而让其内部石英谐振器的频率温度系数最小，以实现较高的频率稳定度，恒温晶振是目前频率稳定度和精确度最高的晶体振荡器。在对恒温晶振的性能进行评判时，频率稳定度指标是最重要的考量指标［1］，对它的测试要在变温的条件下进行［2］，因此针对恒温晶振的测试解决方案必然是一套基于温箱、矩阵开关、测试仪表、电源等设备的集成方案［3］。

随着计算机技术的进步，数字化仪器、智能化仪器也得到快速发展。在工程上越来越多的仪器希望与计算机连接并组成智能控制系统，以面对设备种类多、独立性高、操作复杂的窘境［4～5］。Lab-VIEW作为一种图形化编程语言，支持Windows系统，并借助于强大的VISA架构，向上/向下都展现出了良好的兼容性，方便工程师快捷地部署解决方案，目前已成为工业控制领域一门重要的编程语言［6～7］。

2 需求分析

本系统是基于试验室现有设备进行的数字化改造项目，在进行需求分析之前，先对现有设备进行了梳理，设备清单如表1所示。

表1 试验室现有设备清单

如上表所示，恒温晶振测试系统是基于Lab-VIEW语言，以矩阵开关和继电器作为控制装置，通过温箱、电源、频率计的程控指令，实现恒温晶振的自动测试。

对于频率稳定性的测试，恒温晶振一般有如下的测试要求：测量单个晶振某个温度下的频率时，当温箱的温度达到目标温度时，还要对器件加电一段固定的时间，再进行测试，依次类推完成M个温度点下的频率测试。在测试频率稳定性之余，还要测试器件的工作电流。

3 系统结构设计

从表1中可看出，恒温晶振测试系统的硬件平台包含6种设备，通讯接口有3大类，基于试验室现有条件搭建了如下的硬件平台。

图1 系统硬件平台

如上图所示，计算机在整个系统中作为上位机，通过USB-GPIB-HS+、USB转串口线、网线与仪器设备进行通信，矩阵开关等仪器设备作为下位机，以LabVIEW软件为上位机软件平台，基于它开发测试程序实现各个设备仪器之间的协同工作。

对于系统的软件结构设计，具体的软件流程图如图2所示。

图2 软件流程图

从图中可看出，软件的工作流程可以分解为以下步骤。

Step1：程序启动，设备自检，为变量m、n赋初值，分别为1、1，同时将其传递到下一步；

Step2：执行顺序结构，进入while循环1，执行其中的顺序结构，在其中嵌套了第二个while循环监控温箱内部温度，当温度达到第m个温度点时，事件结构进行响应，控制程控电源和继电器对N个器件同时加电一段固定时间；

Step3：继续执行顺序结构，进入while循环2，依次对矩阵开关的16个射频通道进行切换，同时控制频率计对每通道上器件的频率进行测试和采集；

Step4：继续执行顺序结构，进入while循环3，控制继电器，每次只对一只晶振加电，测试和采集电源端的输出电流，即为该晶振的工作电流；

Step5：对变量m进行加1操作，再次进入while循环1，重复上述步骤2～4，直至循环M次，保存数据，跳出循环，程序结束。

4 软件开发

4.1 温箱控制

系统中温箱仅支持UDP协议，温箱厂家非VXI联盟厂家，程控命令为非典型SCPI命令集，不支持VISA函数，需采用UDP函数进行封装。LabVIEW中支持基于UDP协议的仪器控制函数［8］，如图3所示。

图3 UDP函数界面

4.2 继电器控制

系统中使用USB 6525作为继电器，在NI-MAX中创建数字任务，将其接入电源电路，在LabVIEW中进行调用即可，便捷高效。

4.3 射频程控开关等设备

系统中用到的射频程控开关、电源、频率计及电源均支持GPIB（IEE488.2）接口，具体连接方式如图4所示。

图4 多个GPIB接口连接示意图

其中射频开关的使厂家并未提供驱动程序，需使用VISA函数将其控制指令封装成子VI［9］。基于LabVIEW的软件系统框架如图5所示。

图5 系统框架图

从低层到顶层包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）库是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，一般称这个I/O函数库为VISA库［10～11］。VISA架构是VXI标准的核心架构，联通了应用层和物理层，简化了仪器控制的工作。VISA功能函数库是与仪器接口种类、编程语信及操作系统无关的I/O控制函数库，并且其应用程序很容易从一种开发平台移植到另一种平台。仪器驱动程序封装了计算机与仪器通信的硬件底层编程细节，为用户提供了容易理解的接口。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商将其以源代码的形式提供给用户，可互换的虚拟仪器（IVI）驱动程序是更为复杂的仪器驱动程序［12～13］。

4.4 数据报表生成

LabVIEW中实现报表生成的方法主要有三种，分别NI公司的报表生成工具包、File I/O类函数以及专门的表格处理软件［9］。报表生成工具包因实现简单成为优先选择，用Excel预先编制好符合标准的报表，用LabVIEW完成测量、检定和数据处理等任务，把最终得到的数据、结论等，利用Lab-VIEW的程序间通信功能，传递到Excel上，并且把各项数据分别写入表格中预先规定好的位置，使数据得以保存。

4.5 主程序开发

基于模块化编程的理念，本系统中各个功能部分尽可能地切割成了一个个子模块，在降低代码量的同时又便于后期的维护。本系统基于硬件和功能两方面的考量，将系统分为主程序模块、矩阵开关模块、频率计模块、电源模块、继电器模块、频率计模块、温箱控制模块、报表生成模块等8个部分，在主程序模块中可以对其他模块的代码进行调用，开发起来十分方便，最终的程序主界面如图6所示。

图6 程序主界面

5 结语

软件化测试早已成为测试行业的主流方式，不仅可以提高效率也可以提升测试质量，在本项目中体现十分充分，同时LabVIEW软件以其跨平台的兼容性、仪器驱动的丰富性在系统集成领域使用十分广泛［14～15］。本文基于LabVIEW的恒温晶振测试系统，将原本繁杂的测试工作变得简单，大幅降低了工作人员的时间成本，将工作效率成倍提升。