摘要：介紹了一種基于GPIB總線的脈沖信號(hào)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本方案通過GPIB總線接口將所有測(cè)試儀器與PC機(jī)連成一體，以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的全自動(dòng)檢定，從而大幅度地提高脈沖信號(hào)檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)的檢定精度和檢定效率。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢定系統(tǒng)；GPIB；脈沖信號(hào)；校準(zhǔn)

0 引言
    隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈沖信號(hào)類儀器(如脈沖信號(hào)發(fā)生器、示波器校準(zhǔn)儀等)已成為電子技術(shù)工作者不可缺少的重要工具之一，長(zhǎng)期以來。國(guó)內(nèi)對(duì)脈沖信號(hào)儀器進(jìn)行檢定一直是通過手工操作完成的。通常，對(duì)脈沖信號(hào)儀器檢定／校準(zhǔn)需進(jìn)行十幾個(gè)項(xiàng)目，而且需要重復(fù)多次操作工作標(biāo)準(zhǔn)儀器和被校準(zhǔn)的脈沖信號(hào)儀器，同時(shí)反復(fù)記錄和計(jì)算結(jié)果，最后才能打印證書。檢定／校準(zhǔn)過程不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，而且檢定的數(shù)據(jù)也不易管理。同時(shí)，人工檢測(cè)往往受操作者個(gè)人習(xí)慣和視差等因素的影響，測(cè)試精度較低，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)操作難免出錯(cuò)，也給計(jì)量工作帶來了安全隱患。針對(duì)這些問題，本文詳細(xì)介紹了一種基于GPIB總線的脈沖信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)與校準(zhǔn)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。利用該平臺(tái)能夠準(zhǔn)確快速地測(cè)量參數(shù)，直觀地顯示測(cè)試結(jié)果，自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，從而使檢定校準(zhǔn)工作變得簡(jiǎn)單、方便，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)測(cè)控理論和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并采用Visual Basic高級(jí)語言、VISA I／O函數(shù)庫(kù)及Access數(shù)據(jù)庫(kù)來解決常用接口(GPIB、RS23 2、TCP／IP、USB)的兼容以及不同測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、不同被測(cè)儀器兼容性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題，從而建立一個(gè)脈沖信號(hào)自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)軟件平臺(tái)。
    本系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心，通過GPIB數(shù)據(jù)采集器與標(biāo)準(zhǔn)儀器和被檢定／校準(zhǔn)儀器進(jìn)行連接，以控制標(biāo)準(zhǔn)儀器輸出設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)讀取被檢定／校準(zhǔn)儀器的測(cè)量值，最后通過相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)保存檢定／校準(zhǔn)結(jié)果。檢定／校準(zhǔn)測(cè)試完成后，可將檢定／校準(zhǔn)數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出，然后以檢定／校準(zhǔn)證書或原始記錄的形式打印輸出，從而完成自動(dòng)化檢定／校準(zhǔn)，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中，GPIB數(shù)據(jù)采集器采用Agilent公司的82357B GPIB／USB數(shù)據(jù)采集卡。

    用戶利用該平臺(tái)可以不需編程，而是通過數(shù)據(jù)庫(kù)文本編輯界面來快速實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)類測(cè)試儀器的自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)開發(fā)，其相關(guān)測(cè)試流程可自動(dòng)編制，同時(shí)，脈沖信號(hào)類被測(cè)儀器均可自動(dòng)測(cè)量，整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析、計(jì)算與自動(dòng)管理。
1．1 主要功能
    當(dāng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)可程控時(shí)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意可程控的脈沖信號(hào)源、示波器校準(zhǔn)源、多功能校準(zhǔn)源等脈沖參數(shù)信號(hào)類儀器進(jìn)行自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)；同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意不可程控的脈沖信號(hào)源、示波器校準(zhǔn)源、多功能校準(zhǔn)源等脈沖參數(shù)信號(hào)類儀器的半自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)。
    另外，用戶也可以自行設(shè)計(jì)檢定／校準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目、檢定／校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)、輸出形式以及證書格式等。
1．2 工作原理
    本系統(tǒng)的脈沖信號(hào)參數(shù)有±DC電壓、方波電壓、時(shí)標(biāo)、脈沖幅度、脈沖頻率、沿參數(shù)、延遲時(shí)間、脈沖寬度、脈沖周期和脈寬、延遲晃動(dòng)、正弦信號(hào)平坦度以及諧波失真等。
    計(jì)算機(jī)通過GPIB總線發(fā)送控制命令給脈沖信號(hào)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以完成測(cè)試過程?，F(xiàn)以測(cè)量±DC電壓為例，首先由計(jì)算機(jī)發(fā)送測(cè)試命令給數(shù)字多用表3458A，再根據(jù)脈沖信號(hào)的顯示改變控制命令，同時(shí)改變輸出信號(hào)，然后重復(fù)此過程，直到脈沖信號(hào)的顯示參數(shù)滿足要求為止。如測(cè)量脈沖頻率、脈沖周期等參數(shù)，則需要發(fā)送控制命令到計(jì)數(shù)器53131A；而要測(cè)量正弦信號(hào)平坦度等參數(shù)，則需要用到工作標(biāo)準(zhǔn)8651A功率計(jì)。
其次就是計(jì)算測(cè)量誤差。由計(jì)算機(jī)發(fā)送讀取命令給各項(xiàng)工作標(biāo)準(zhǔn)儀器，相應(yīng)工作標(biāo)準(zhǔn)儀器將脈沖波形參數(shù)信號(hào)滿足技術(shù)指標(biāo)要求的數(shù)據(jù)(稱
作實(shí)際值或返回值)回傳給計(jì)算機(jī)，然后根據(jù)測(cè)量值、返回值及相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)來計(jì)算測(cè)量誤差。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    組建一個(gè)基于IEEE 488總線的測(cè)試系統(tǒng)是自動(dòng)檢定系統(tǒng)運(yùn)行的核心，而系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢定的重要環(huán)節(jié)之一。自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)控制軟件開發(fā)語言可使用Visual Basic 6．0，數(shù)據(jù)庫(kù)則可采用Access類型數(shù)據(jù)庫(kù)，并使用VISA I／O函數(shù)庫(kù)編寫通信功能軟件，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和儀器的通信。整個(gè)測(cè)控軟件嚴(yán)格遵循自頂向下(TopDown)、模塊化的設(shè)計(jì)思想，程序和結(jié)構(gòu)清晰易懂，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性，便于升級(jí)。系統(tǒng)軟件模塊框圖如圖2所示。

    本系統(tǒng)是一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器及被檢定／校準(zhǔn)儀器無關(guān)的、可對(duì)脈沖信號(hào)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)的測(cè)試軟件平臺(tái)，該平臺(tái)能自動(dòng)適應(yīng)不同廠家、不同型號(hào)、不同接口儀器的自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)需要。因此，由檢定流程編輯模塊、流程解釋執(zhí)行模塊、程控指令測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、儀器接口模塊和輸出模塊組成的系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)可以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。
    由于測(cè)控軟件主界面采用圖形化的人機(jī)交互界面，因此，使用起來十分方便。主程序的界面分為示波器參數(shù)設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)庫(kù)操作區(qū)、檢定校準(zhǔn)工作區(qū)等四部分。整個(gè)軟件的全部功能主要依靠示波器參數(shù)設(shè)置區(qū)中的命令來進(jìn)行操作。
    要使檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)程序能控制所有可程控的儀器，就必須找出測(cè)試系統(tǒng)中的儀器資源并建立會(huì)話(Session)。根據(jù)VISA的定義，會(huì)話是應(yīng)用程序和儀器之間的通訊路徑(Communication Channel)，每個(gè)會(huì)話都可由一個(gè)數(shù)據(jù)類型是長(zhǎng)整形數(shù)的唯一邏輯標(biāo)識(shí)符表示。為了解決在自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)過程中由接口、多臺(tái)儀器組成的系統(tǒng)里每個(gè)儀器的程控問題，可在程序中定義一個(gè)全局級(jí)的數(shù)組，并把建立的每個(gè)會(huì)話保存在數(shù)組中，這樣，使用數(shù)組里相應(yīng)的會(huì)話就能對(duì)打開的每個(gè)儀器進(jìn)行程序控制。本測(cè)試系統(tǒng)中的儀器會(huì)話顯示界面如圖3所示。

    檢定／校準(zhǔn)工作區(qū)是整個(gè)軟件操作過程中的顯示區(qū)域，其操作界面如圖4所示。利用VB的書簽控件來建立編輯界面可以節(jié)省屏幕空間，以使程序界面簡(jiǎn)潔明了，方便用戶使用。數(shù)據(jù)庫(kù)操作區(qū)存儲(chǔ)的是示波器和校準(zhǔn)環(huán)境的具體信息，包括書編號(hào)、儀器型號(hào)、儀器編號(hào)、檢定日期、檢定員等，檢定人員檢定／校準(zhǔn)每一臺(tái)儀器都要記錄這些信息，最后打印在證書里。這樣可大大提高檢定效率，增加檢定功能，提高檢定準(zhǔn)確度，同時(shí)也可以為頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字多用表等綜合數(shù)字儀器的自動(dòng)檢定提供參考，因而具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

    該平臺(tái)為自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)的程控指令提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的手段，以達(dá)到隨時(shí)擴(kuò)充、替換測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，增加被檢定／校準(zhǔn)儀器的目的。該功能主要基于VISA I／O庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)際是一個(gè)獨(dú)立的指令測(cè)試軟件，單獨(dú)使用時(shí)通常命名為“可程控儀器助手”，是一個(gè)完整的測(cè)量?jī)x器程控指令調(diào)試工具，也是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的核心。

3 測(cè)試結(jié)果分析
    根據(jù)檢定／校準(zhǔn)流程中每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的技術(shù)要求，本系統(tǒng)也可以自動(dòng)判別測(cè)量結(jié)果是否符合要求。如果滿足技術(shù)指標(biāo)，則該測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)將予以保存，測(cè)試流程自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一個(gè)測(cè)試；如果測(cè)量結(jié)果超出要求范圍，則自動(dòng)重測(cè)一次，如還不符合要求，則等待用戶干預(yù)是否“重復(fù)”測(cè)量、“退出”或“確認(rèn)”繼續(xù)下面的測(cè)量。此外，還可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果和使用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)計(jì)算測(cè)量的不確定度。
    本系統(tǒng)配有完整的檢定／校準(zhǔn)證書輸出功能，一旦檢定／校準(zhǔn)結(jié)束，系統(tǒng)將自動(dòng)搜索“輔助數(shù)據(jù)路徑”設(shè)置的用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，并提示是否將檢定／校準(zhǔn)結(jié)果存入用戶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及是否打印檢定／校準(zhǔn)證書。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)束語
    通過本文所介紹的自動(dòng)檢定／校準(zhǔn)系統(tǒng)可以檢定多種型號(hào)的脈沖信號(hào)儀器，為相關(guān)脈沖參數(shù)儀器的檢定／校準(zhǔn)提供一種全新的方法。經(jīng)過對(duì)本系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可提高脈沖信號(hào)類儀器的檢定效率和檢定精度，滿足實(shí)際測(cè)試和一致性標(biāo)校要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，此測(cè)試系統(tǒng)的成功開發(fā)，為開發(fā)虛擬儀器提供了一種借鑒方法，并在測(cè)試系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、模塊化和面向用戶發(fā)展方向邁出了一大步。