基于GPIB總線的測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)

唐曦文，崔希振

（1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200092；2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，上海 200436）

0 引言

在飛機(jī)飛控系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的試驗(yàn)儀器（如動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、示波器等）存在操作繁瑣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不便等諸多弊病，影響試驗(yàn)人員的工作效率；同時(shí)由于傳統(tǒng)的試驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)限制（只能存儲(chǔ)在軟盤或無法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)），導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)無法及時(shí)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，影響試驗(yàn)進(jìn)程。而在一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目中，往往需要多臺(tái)不同類型的儀器協(xié)同工作，這些儀器功能各異、相互獨(dú)立，要使多種儀器協(xié)同工作，一般串、并口難以滿足此要求。而GPIB (Generate Purpose Interface Bus，通用接口總線)可把各種可編程儀器與計(jì)算機(jī)緊密地聯(lián)系起來[1]。

傳統(tǒng)的試驗(yàn)儀器一般都具有GPIB總線接口，能夠進(jìn)行二次開發(fā)。GPIB總線具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）GPIB接口編程方便，可使用高級(jí)語言編程，能夠明顯減輕軟件設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)；2）提高了儀器設(shè)備的性能指標(biāo)，通過上位機(jī)對(duì)帶有GPIB接口的儀器實(shí)現(xiàn)操作和控制，從而提高了測(cè)量精度；3）便于將多臺(tái)帶有GPIB接口的儀器組合起來，形成較大的測(cè)控系統(tǒng)，高效、靈活地完成各種不同的測(cè)控任務(wù)，而且組建和拆散靈活，使用方便；4）便于擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，可在上位機(jī)的控制下對(duì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行更加靈活、方便的傳輸、處理、綜合、利用和顯示，使原來儀器采用硬件邏輯很難解決或無法解決的問題迎刃而解。

1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

典型GPIB測(cè)控系統(tǒng)由PC、GPIB接口卡和若干臺(tái)（最多15臺(tái)）GPIB儀器通過標(biāo)準(zhǔn)GPIB電纜連接而成。本文描述的測(cè)控系統(tǒng)主要由Agilent公司生成的35670A（動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀）、82357A（GPIB/USB）轉(zhuǎn)換線及上位機(jī)組成，在后續(xù)使用中可通過擴(kuò)展上位機(jī)的USB接口擴(kuò)展其它的測(cè)控儀器。如圖1所示：

圖1 測(cè)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2 LabWindows/CVI環(huán)境下的軟件開發(fā)

2.1 35670A儀器的二次開發(fā)基礎(chǔ)

Agilent公司將35670A面板上的所有鍵盤功能都以指令的形式向用戶開放，并根據(jù)指令的功能不同分成不同的指令模塊組，用戶可以根據(jù)二次開發(fā)的需要進(jìn)行指令模塊選擇，在進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)常用的指令模塊如圖2所示：

在對(duì)35670A進(jìn)行頻響功能開發(fā)時(shí)，主要利用圖2中各信號(hào)指令模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀器信號(hào)的參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)信號(hào)的發(fā)送和接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等儀器控制功能[4]。

圖2 35670A開放模塊示意圖

1）參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置中使用了圖2中的系統(tǒng)指令模塊、輸入通道指令模塊、信號(hào)源控制指令模塊、顯示指令模塊等。這些模塊提供了可供用戶自定義的各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和可編程信號(hào)，包括正弦、三角波、方波、掃頻等信號(hào)模式，和35670A相關(guān)的系統(tǒng)控制。例如通過指令"SENS:FREQ:STAR 0.1 Hz "來設(shè)置信號(hào)的起始頻率，通過指令"SENS:FREQ:STOP 10 Hz "來設(shè)置信號(hào)的截止頻率等等。

2）試驗(yàn)信號(hào)的發(fā)送、接收

由于在試驗(yàn)過程中，儀器不斷地產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，那么就要求軟件實(shí)時(shí)地去訪問儀器的寄存器并且查看其狀態(tài)。該部分主要使用了圖2中的寄存器狀態(tài)控制指令模塊、計(jì)算指令模塊等。如可以利用"stat:device? "語句來查詢35670A的寄存器中是否已經(jīng)采集到數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

所有產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都存放在寄存器中，當(dāng)軟件訪問完寄存器后可以利用計(jì)算指令模塊和數(shù)據(jù)類型定義模塊來實(shí)現(xiàn)保存功能。例如，使用"CALC1:X:DATA? "，獲得35670A的頻率值并保存等。

2.2 LabWindows/CVI環(huán)境下的VISA庫接口

為了實(shí)現(xiàn)PC（上位機(jī)）對(duì)儀器的控制，必須在編寫代碼時(shí)調(diào)用Agilent公司向用戶開放的程序接口。這些接口符合VISA標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)集。VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture，虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）是VPP系統(tǒng)聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA的目的是提供統(tǒng)一的設(shè)備資源管理、操作和使用機(jī)制，以幫助用戶簡化儀器I/O編程。VISA庫是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器之間控制與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄汉图~帶。

2.3 測(cè)控軟件主要功能

根據(jù)需求分析，該系統(tǒng)主要具備如下功能，如圖3所示：

1）儀器控制管理功能。儀器的控制管理包括儀器檢測(cè)，儀器連接、斷開等。

2）信號(hào)的控制功能。信號(hào)控制包括信號(hào)類型選擇、信號(hào)參數(shù)設(shè)置、信號(hào)的啟動(dòng)和停止等。

3）數(shù)據(jù)的管理功能。數(shù)據(jù)的管理包括數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的分析、歷史數(shù)據(jù)的管理和調(diào)用等。

4）輔助功能。輔助功能包括顯示控制、數(shù)據(jù)圖像預(yù)覽和打印功能等。

圖3 系統(tǒng)功能框圖

2.4 測(cè)控軟件的實(shí)現(xiàn)

本文在LabWindows/CVI環(huán)境下編寫測(cè)控系統(tǒng)控制軟件。通過安裝Agilent IO Libraries Suite14.2軟件，建立支持在C/C++編程環(huán)境下的VISA庫函數(shù)。編寫程序時(shí)，在主程序中加入 ＜visa.h＞ 的頭文件聲明即可調(diào)用Agilent IO Libraries Suite14.2中支持的所有VISA庫函數(shù)。然后再調(diào)用上文模塊中的各指令模塊，結(jié)合VISA庫函數(shù)一起使用來實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制[2,3]。例如要通過控制軟件實(shí)現(xiàn)儀器對(duì)數(shù)掃頻模式的設(shè)置可以使用viPrintf (vi,"SENS:SWE: SPAC LOG ")函數(shù)。viPrintf即是一個(gè)典型的VISA函數(shù)，VISA函數(shù)都是以vi命名開頭，函數(shù)中的參數(shù)"SENS:SWE:SPAC LOG "便是設(shè)置儀器對(duì)數(shù)掃頻模式的指令。

按照?qǐng)D3的系統(tǒng)功能框圖設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示：

以35670A的頻響分析功能為例，其人機(jī)界面如圖5、圖6所示，圖5為對(duì)35670A進(jìn)行掃頻參數(shù)設(shè)置及開始試驗(yàn)界面，通過此界面一次就可以完成頻響試驗(yàn)所需的全部設(shè)置；圖6為完成試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)顯示界面，可以通過該功能快速查看各次試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 35670A配置界面

3 測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn)原理及應(yīng)用

測(cè)控系統(tǒng)完成后進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，以飛機(jī)頻響試驗(yàn)為例，其試驗(yàn)原理圖如圖7所示。35670A通過GPIB電纜和PC（上位機(jī)）相連，PC通過GPIB給35670A發(fā)出控制信號(hào)。儀器根據(jù)PC發(fā)出的指令給主控制單元發(fā)出掃頻信號(hào)，主控制單元根據(jù)掃頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵面。此時(shí)，舵面運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在舵面上的傳感器輸出電壓信號(hào)。電壓信號(hào)再反饋給35670A，35670A根據(jù)該信號(hào)和和本身發(fā)出的掃頻信號(hào)計(jì)算出幅頻和相頻的數(shù)據(jù)，再通過GPIB電纜傳回給PC。最后，控制軟件將這些數(shù)據(jù)顯示、保存和管理。

圖6 數(shù)據(jù)顯示界面

圖7 35670A測(cè)控系統(tǒng)原理框圖

4 結(jié)論

本文開發(fā)了基于GPIB總線的測(cè)控系統(tǒng)，解決了使用傳統(tǒng)儀器的存在問題。在試驗(yàn)過程中，該測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話界面友好，操作簡單，極大的減輕了試驗(yàn)人員的工作負(fù)擔(dān)；同時(shí)，在保存和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)方面充分顯示了該測(cè)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，極大的提高了工作效率；并且廣泛應(yīng)用于飛機(jī)飛控系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)及機(jī)上地面試驗(yàn)。

[1] 史君成,張淑偉,律淑珍.LabWindows虛擬儀器設(shè)計(jì).北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[2] 王建新,楊世風(fēng),等.LabWindows/CVI測(cè)控技術(shù)及工程應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[3] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)(第二版).北京:清華大學(xué)出版社, 1999.

[4] Agilent動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀開發(fā)說明書.