（电路与系统专业论文）脉冲信号类仪器自动检定系统软件的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 在仪器的应用中，需要计量工作来保证测量结果的准确性。随着脉冲信号发 生器类仪器的功能和准确性的不断提高，使得传统的手工检定已经不能适应实际 工作要求，迫切需要实现这类仪器的检定自动化。 本文介绍了使用v i s u a lb a s i c 设计脉冲信号类仪器自动捡定系统软件的方法 和实现过程。通过使用v i s ai o 接口函数库实现了软件兼容常见仪器接口的设计 目标：使用数据库技术和合理的检定流程设计方法实现了软件和具体仪器资源无 关的设计目标。该软件适用的被检仪器包括：脉冲信号发生器、示波器校准仪等 脉冲信号类可程控仪器。实现的检定项目包括：脉冲输出幅度，脉冲上升沿，脉 冲宽度及频率，内触发延时，和直流偏置电压等技术参数的检定。检定结果自动 记录在检定报告中。检定过程符合关国家有关计量检定规程。 软件能够完成多种型号的脉冲信号类仪器的全自动检定。它的应用极大的提 高了脉冲信号类仪器的检定工作效率，检定数据的准确性，也减轻了检定人员的 工作强度，具有较为广泛的实用性。 关键词：自动检定，脉冲信号发生器，v i s a ，可程控仪器，检定项目 西北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew o r ko fm e a s u r e m e n ti sm o r en e e d e dt oa s s u r et h ev e r a c i t yo ft h er e s u l ti n t h ea p p l i c a t i o no fi n s t n m a e n t w i t ht h ec o n t i n u a li m p r o v e m e n to ff t m c t i o na n dv e r a c i t y o fi n s t r u m e n tw h i c hb e l o n gt oc a t e g o r yo ft h e p u l s eg e n e r a t o r ，t h e t r a d i t i o n a l h a n d w o r k e dv e r i f i c a t i o nc a nn o tm e e tt h en e e di np r a c t i c a lo p e r a t i o na n dt h ea u t o m a t i c v e r i f i c a t i o nf o rt h i sk i n do f i n s t r u m e n ti su r g e n t l yr e q u i r e d t h ed e s i g nm e t h o da n di m p l e m e n t a t i o no fp u l s es i g n a li n s t r u m e n t sa u t o m a t i c v e r i f i c a t i o ns y s t e ms o f t w a r ei si n t r o d u c e dw h i c hi sd e s i g n e d 、i mv i s u a lb a s i c t h ed e s i g no b j e c t i v eo fs o r w a r ea d a p t i n go r d i n a r yi n s t r u m e n ti n t e r f a c ei sm a l i z e d w i t hv i s af oi n t e r f a c ef u n c t i o n t h ed e s i g no b j e c t i v eo fi r r e l e v a n c yb e t w e e nt h e s o f t w a r ea n dt h es p e c i f i ci n s t r u m e n tr e s o u r c ei sa c h i e v e dw i t ht h ed e s i g nm e t h o do f u s i n gd a t a b a s ea n dr e a s o n a b l ev e r i f i c a t i o nf l o w t h es o f t w a r ec a nb ea p p l i e di np u l s e s i g n a lc a t e g o r i e sp r o g r a m c o n t r o l l e di n s t r u m e n t ，i n c l u d i n gp u l s eg e n e r a t o r , o s c i l l o s c o p ec a l i b r a t o r , e t c t h er e a l i z a b l ev e r i f i e di t e m sa r et h ep a r a m e t e r so fp u l s e o u t p u tr a n g e ，p u l s er a i s ee d g e , i m p u l s ew i d t h 殳f r e q u e n c y , i n n e rt r i g g e rd e l a y , d c v o l t sd e f l e c t i o n e t c ，t h ev e r i f i c a t i o nr e s u ki sr e c o r d e di nt h ev e r i f i c a t i o nr e p o r t a u t o m a t i c a l l y t h e v e r i f i c a t i o n p r o c e d u r ec o m p l i e s w i t ht h er e l e v a n tn a t i o n a l r e g u l a t i o no f m e t r o l o g y t h es o f t w a r ec a nf u l f i l lt h ea u t o m a t i cv e r i f i c a t i o no fv a r i e t yp u l s e s i g n a l c a t e g o r i e si n s t r u m e n t t h ee f f i c i e n c yo f v e r i f i c a t i o ni se n h a n c e dg r e a t l y , t h ev e r a c i t yo f t h ed a t ai sa s s u r e da n dt h ew o r k l o a di sr e d u c e db yt h ea p p l i c a t i o no f t h i ss o f p , v a r e k e y w o r d s ：a u t o m a t i cv e r i f i c a t i o n ，p u l s eg e n e r a t o r ,v i s a ， p r o g r a m c o n t r o l l e di n s t r u m e n t ， v e r i f i c a t i o ni t e m 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：翌堕丝 指导教师签名：复覃兰奎聋 舻) 年月1 曰力鳓r 年占月9 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：冰唬饵 。歹年f 月7 1 日 第一章绪论 1 1 日益增长的检定自动化需求 脉冲信号类仪器的种类繁多，检定项目众多，传统的手工检定方式不仅对检 定人员素质要求高，而且存在工作效率低、易于造成人为误差，不适合仪器的批 量检定等问题。随着仪器精度的提高和仪器检定方法的改进，这些问题在实际工 作显得尤为突出。例如，在使用多个标准仪器同时测量一个信号时，检定操作人 员往往不能准确地控制仪器并读取数据，使测量结果带有很大的人为误差；对某 些指标的测量结果数据进行处理时，采用手工计算需要很长的时间，数据处理结 果的正确性也很难得到保证，这些问题的解决都需要使用自动裣定方法。 从已经投入实际仪器检定工作的自动检定系统的使用情况可以看出，全部自 动化的仪器检定，其工作效率较手工检定时得到极大的提高，手工检定一台示波 器校准仪平均需要4 至5 小时，而使用自动捡定方法平均只需l 小时。而且由于 省去了读取数据、记录数据、误差计算等人工操作过程，出现错误的检定结论可 能性大大降低，极大提高了检定工作的质量，钡8 量结果记录规范化，使检定证书 的质量有了可靠保证。 1 2 脉冲信号类仪器概述 脉冲具有脉动和冲击的含义，脉冲信号通常指持续时间较短，有特殊变化规 律的电压或电流信号“1 。根据i s 0 ( 国际标准化组织) 4 6 9 号文件推荐使用的定义， 脉冲波形是自第一额定状态出发，到达第二额定状态，最终又回到第一额定状态 的一种波形。常见的脉冲信号有矩形、阶梯形、钟形、数字编码序列等，其中最 基本的脉冲信号是矩形脉冲信号。表征脉冲信号的主要参数有。1 ： 1 脉冲幅度u 。：定义为脉冲波从底部到顶部之间的数值。 2 脉冲上升时间打：定义为脉冲波从o i u 。上升到o 9 u 。所经历的时间，也 叫脉冲前沿。 西北大学硕士学位论文 3 脉冲下降时间t f ：定义为脉冲波从o 9 u 。下降到0 ，i u 。所经历的时间，也 叫脉冲后沿。 4 脉冲宽度t ：是脉冲的持续时间，一般指脉冲前、后沿分别等于0 5 u 。时 相应的时间间隔。 5 脉冲周期和重复频率：周期性脉冲相邻两脉冲之间的时间间隔称为脉冲周 期，用t 表示，它的倒数称为重复频率，用f 表示。 6 脉冲的占空系数e ：脉冲宽度t 与脉冲周期t 的比值称为占空系数， e = t t( 1 - 1 ) 主要功能是产生脉冲信号的仪器统称为脉冲发生类仪器，包括脉冲信号发生 器、多功能信号源和示波器校准仪等。这类仪器的典型仪器是脉冲信号发生器( 以 下简称脉冲发生器) 。从脉冲发生器的电性能和基本原理上，它是能输出以电压或 电流为参数的脉冲( 或脉冲串) 信号的仪器。脉冲的宽度、重复周期一般可以改 变，脉冲重复周期可以由内部振荡器产生，也可以工作在外触发状态，输出的脉 冲相对于触发脉冲可以进行延时改变。1 。由于脉冲发生器输出信号有很大的灵活 性，因此广泛应用于电子测量，及数字通信、雷达、激光、航天、计算机技术、 自动控制等领域。它可用于测试视频放大器、宽带电路的振幅特性、过渡特性， 逻辑元件的开关速度，数字电路研究以及示波器的检定与测试等。 按照用途和产生脉冲的方法不同，脉冲发生器可分为通用脉冲发生器、快沿 脉冲发生器、数字可编程脉冲信号发生器和特种脉冲发生器等。 1 3 电子测量仪器及脉冲信号类仪器自动检定的现状 电子测量仪器的自动检定软件系统是目前各大电子仪器制造公司的一个研 究重点，经过多年的发展，已推出了一些具有代表性的自动检定软件系统产品。 在国内，有相当一批电子仪器生产厂商、科研机构开始了针对电子测量仪器 检定的自动检定软件的开发和研制。主要的研究结果有：电子科技集团下属研究 所设计的“脉冲信号发生器自动检定系统软件”，该软件使用l a b w i n d o w s c v i 语言进行设计，能完成某些型号的脉冲发生器的自动检定。其不足之处有：必须 使用特定型号( h p 8 2 3 5 0 ) 的g p i b 接口卡作为计算机和仪器之间的互连接口设 西北大学硕士学位论文 各，既不能使用其他型号的g p i b 接口卡，也不能使用r s 2 3 2 接口等其他接口连 接计算机和仪器，而且，软件适用的自动检定系统的硬件也是有固定要求的，即 系统中的标准仪器由指定型号的h p 公司的测量仪器组成。如果更换为其他厂家的 仪器，也存在通用性的问题。这些原因使该自动检定系统的应用受到一定的限制。 此外，成都电子科技大学也为贵州南华仪器厂生产的示波器校准仪设计了配套的 自动检定软件系统，该软件使用v i s u a lb a s i c 设计，能完成对某些指定型号的示 波器校准仪的自动检定。 在国外。些著名的仪器制造公司都提供对本公司生产的仪器进行自动检定 的软件产品。例如：美国泰克( t e k t r o n i x ) 公司设计有t e k c a lh f ma t es y s t e m 自动检定，校准软件，能够对该公司生产的t d s 6 0 0 0 、c s a 7 0 0 0 系列示波器进行 全自动检定和校准。但软件运行的自动检定系统硬件组成是有具体要求的，包括： 系统的互连总线是g p i b 总线，必须使用n i 公司的n i g p i b 型总线控制卡，系统 中的标准仪器必须使用f l u k e 公司的9 5 0 0 1 3 型信号发生器。由于必须使用指定的 设备组成系统的硬件平台，使软件的应用受到限制，这也是现有电子测量仪器自 动检定系统软件的主要缺陷。目前，对这一问题解决较好的是f l u k e 公司的仪器 自动检定软件m e t c a l - p l u s 。 美国福禄克( f l u k e ) 公司在电子仪器检定自动化领域己进行了2 0 多年的研 究和开发。该公司的m e t c a l p l u s 是其电子测量仪器检定和计量管理软件的代表 产品，在世界各地拥有众多的用户和很大的影响力，以下针对该软件进行详细的 分析。 m e t c a l p l u s 由三个相对独立的软件组成：程序编写器( m e t c a l e d i t o r ) ，运 行校准程序( m e t c a lr u n - t i m e ) 和设各管理登记软件( m e t t r a c k ) 。 程序编写器是为检定人员提供编写自动检定程序的一个编辑软件。检定人员 按照m e t c a l p l u s 规定的语法和格式，使用程序编写器编辑包括检定项目，测量 点和仪器程控指令等内容的自动检定程序，为自动检定做好准备。需要指出的是： 这种自动检定程序语言和一般概念上高级语言不同，它没有条件判断、循环控制 等语句，只是把检定操作步骤以规定的标识命令形式逐行进行记录。记录的内容 ( 检定流程) 包括检定项目、测量点数值、使用仪器的程控指令等信息。 西北大学硕士学位论文 运行校准程序是根据编辑并记录的自动检定程序，由计算机向自动检定系统 中的被测和标准仪器发送程控指令，控制标准仪器对被测仪器的输出信号进行自 动测量，并对结果进行记录和误差计算。 设备管理登记软件是对每次检定的测试环境和使用设备情况进行记录。记录 的内容包括检定执行人员，检定时间，使用仪器的类型、型号等基本信息。 m e t c a l p l u s 作为一种成熟的仪器自动检定软件，其功能涵盖了电子测量仪 器检定工作的各个方面，实现了从仪器管理登记，自动检定和检定证书生成的整 个检定工作的计算机管理和自动化，是仪器自动检定软件的代表产品。它的突出 特点是使用该软件规定的检定流程语言解决对具有不同程控指令的各种电子测量 仪器的程控操作这一自动检定软件设计所面临的难题，提高了软件的通用性，使 该软件产品在实际中得到了较广泛的推广和应用。但不足之处有：( 1 ) 在检定系 统的硬件连接上，必须使用n i 公司的g p i b 接口卡作为计算机和仪器之间的互连 接口卡，硬件通用性有一定的欠缺；( 2 ) 对检定流程的处理方法上，软件的使用 人员必须学习m e t c a l ，p l u s 规定的检定流程记录语言，才能在m e t c a l e d i t o r 中 编辑自动检定程序( 即检定流程) ，增加了软件使用者的学习难度；( 3 ) 在生成检 定报告时，m e t c a l - p l u s 没有提供专用的和针对性强的报表生成软件，使用者 必须通过s e a g a t e 公司的报表制作软件c r y s t a lr e p o r t s 设计检定证书格式和结果数 据报表，掌握起来有一定的难度。 综上所述，实现电子测量仪器及脉冲信号类仪器的自动检定是科研和生产的 实际需要，国内外在这一领域已经进行了研究并开发出了产品，但还需要改进和 提高，因此，设计电子测量仪器的自动检定系统软件有很大的科研和社会价值。 1 4 课题来源和主要工作 本课题来源于信息产业部国防军工技术基础计划( 计量部分) 项目：脉冲 信号类仪器自动检定系统软件研究，项目编号：j 1 2 2 0 0 2 a 0 0 1 。 主要工作包括： l ，对电子测量仪器尤其是脉冲信号类仪器的检定方法进行研究，总结检定方 法的特点和难点，使设计的自动检定系统软件适应实际工作的需求。 西北大学颀士学位论文 2 研究自动检定系统的硬件组成，分析目前电子测量仪器的常用互连接口和 i o 通信方法，实现自动检定系统软件对这些接口的兼容。 3 研究目前电子测量仪器自动检定软件的设计方法和存在的问题，提出自己 的解决方案。 4 完善前期已经进行设计的示波器自动检定系统软件的各项功能，在此基础 上设计脉冲信号类仪器自动检定系统软件。 西北大学硕士学位论文 第二章检定规程和方法 检定是按照检定规程( 法定性文件) 规定的步骤，用高一等级准确度等级的 计量器具对低一等级的计量器具进行比较，它能够保证计量器具规定的技术指标 要求已经满足，或者决定是否对该计量器具进行调节、修理、降低性能或停止使 用n - ”。例如有一标称值为1 v 的被测量，其技术指标为o 1 ，按照检定规程规 定的步骤，用误差极限为0 0 2 5 或以上的测量标准对被测量进行测量，结果为 1 0 0 0 5 。经检定。标称值为l v 的被测量相对于测量标准的误差为一0 0 5 ，合格。 检定具有法制性，仪器的检定工作必须依据相关检定规程进行。 2 1 检定规程 国家计量检定规程( 检定规程) 是指由国家质量监督检验检疫总局( 简称国 家质检总局) 组织制定并批准颁布，在全国范围内实行，作为计量器具特性评定 和法制管理的计量技术法规。 对于脉冲发生器类仪器的检定规程，国家已经制定有脉冲信号发生器和示波 器校准仪等类型仪器的检定规程。以下主要以脉冲信号发生器的检定规程为主进 行分析。 检定脉冲信号发生器的依据是由国家质检总局发布的中华人民共和国国家 计量检定规程一脉冲信号发生器j j g 4 9 0 _ 2 0 0 2 ) ，适用于单路或多路输出的脉冲信 号发生器的首次、后续检定和使用中检验，以及同类型的脉冲时间间隔发生器及 精密脉冲幅度发生器“1 。 2 脉冲信号发生器的性能指标 检定规程中对脉冲信号发生器的主要性能指标要求有： 1 脉冲输出幅度 脉冲输出幅度：1 0 m v 2 0 0 v ； 最大允许误差：( 1 输出+ 5 m v ) 。 西北丈学歌士学位论文 2 快前沿输出 快前沿输出：7 5 p s ； 最大允许误差：_ 4 - 1 0 输出。 3 输出频率范围 输出频率范围：0 i h z 5 0 0 m h z ： 最大允许误差：- - + 3 1 0 。输出。 4 脉冲宽度输出 脉冲宽度输出：脉宽：l n s 5 0 m s ； 抖动：( 0 0 5 宽度+ 2 0 p s ) 。 5 内触发延时范围 内触发延时范围：o 1 u s l o s ； 最大允许误差：f 3 x1 0 7 输出+ l n s ) 。 2 3 检定方法 在检定规程中对每个检定项目都规定了相应的检定方法，在检定工作中要根 据检定规程中的要求选用仪器和按照规程给出的检定方法进行检定。但有时由于 脉冲发生类仪器的功能差异，某些技术指标可能很高，因此在检定中要根据实际 情况，参照检定规程的原贝选用一些合适的仪器或方法进行检定。以下结合脉冲 信号发生器的脉冲重复周期、脉冲输出幅度、脉冲延迟时间等技术指标的检定方 法，分析检定过程的特点，使自动检定系统软件的设计具有针对性。 2 3 1 脉冲重复周期检定 用计数器检定：将脉冲发生器的输出端和计数器的信号输入端相连，将发生 器设置为“连续输出”功能，输出幅度置“正脉冲，i v ”( 或说明书规定的幅度) ， 计数器置“周期测量”功能，“d c ”耦合，触发电平设置为输入电平的5 0 。将 发生器输出频率依次由低到高覆盖输出整个范围，测量结果记入表2 一l 。按式( 2 1 ) 计算误差。需要浣明的是，为了方便地判断某一项技术指标是否合格，在实际的 西北大学颈士学位论文 检定工作和出具的检定证书中，通常根据误差计算公式计算出每个测量点允许的 实测值的上值、下限，并列在结果记录表里，这样在测量完成后，将每个测量点 的实测值直接填入表里，就可以直观地判断出技术指标是否合格。 艿r ：生! ( 2 1 ) f 式中：厶脉冲发生器标称值； 矗实测值。 表2 。1 脉冲重复周期( i v ) 被检标称值实测值 实测值下限实测值下限 6 6 5 n s6 6 4 3 n s 6 6 5 6 n s 1 0 n s 9 9 9 n s1 0 o l n s 5 0 n s 4 9 9 5 n s5 0 0 5 m 2 3 2 脉冲输出懈度检定 用取样数字电压表检定：按图2 - 1 连接仪器，负载电阻选“1 m q ”。脉冲发 生器设置为“直流电压输出”功能，输出电阻与所连负载电阻相同，输出幅度置 “正脉冲，1 v ”( 或说明书规定的幅度) 。取样数字电压表置“d c v ”功能，量程 置“适当”位置。将发生器的输出按1 ，2 ，5 步迸由小到大改变逐点进行测量。 结果记入表2 2 。按式( 2 2 ) 计算误差6 v 。 信号输 图2 - 1 脉冲输出幅度检定仪器连接示意图 艿，：竺：二竺： u 。 式中：弧脉冲发生器标称值 u 实测值。 一8 ( 2 - 2 ) 西北大学硕士学位论文 表2 - 2 脉冲幅度( 1 m q ) 被检标称值 实测值实测值下限实测值下限 1 0 v9 8 5 v1 0 1 5 v 5 v4 9 0 v5 1 0 v 1v0 9 4 v1 0 6 v 2 3 3 脉冲延迟时间检定 有计数器和示波器两种检定方法，大脉冲延迟时间用计数器直接测量，小脉 冲延迟时间用示波器测量。 1 用时间间隔计数器测量脉冲延迟时间 按图2 2 连接仪器。脉冲发生器触发输出按时间间隔计数器的起始a 输入 端，主脉冲输出接终止b 输入端。调节脉冲发生器主脉冲输出幅度与触发输出信 号幅度相同。置时间间隔计数器测量的起始输入、终止输入为正触发斜率。两路 输入触发电平调为脉冲发生器输出脉冲幅度的5 0 ，读出计数器的显示时间值， 即是脉冲发生器主脉冲输出相对于触发输出脉冲的延迟时间。测量脉冲延迟时间 的误差按2 3 式计算： 图2 - 2 用时间间隔计数器测量脉冲延迟时间仪器连接示意图 占：! 生( 2 - 3 23 、 d = 一 、 t 卅 式中：h 被测脉冲延迟时间的标称值，单位为s ； h 被测脉冲延迟时间的实测值，单位为s 。 2 用示波器检定脉冲延迟时间 西北大学硕士学位论文 按图2 3 连接仪器。示波器垂直工作方式置于交替位置，触发方式置于内a 触发，被检脉冲发生器前置脉冲输出接示波器a 输入端，主脉冲输出接示波器b 输入端。在示波器上调出前置脉冲与主脉冲的稳定波形，使两路输入脉冲信号幅 度相等。从示波器上读出前置脉冲前沿半幅度点至主脉冲前沿半幅度点之问所占 水平方向格数n 。由式2 - 4 求出主脉冲相对于前置脉冲的延迟时间t a 、由式2 - 5 求 出测量延迟时间的误差占： 图2 - 3 用示波器测量脉冲延迟时间仪器连接示意图 t a = 扫描时间因素( 时间格) x n j ：尘二墅 t a m 式中：被测脉冲延迟时间的实测值； “被测脉冲延迟时间的标称值。 表2 - 3 脉冲延迟时间 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 被检标称值实测值实测值下限实测值下限 5 n s3 7 5 n s 6 2 5 n s 5 0 n s4 6 5 n s5 3 5 n s 1 0 0 n s9 4 n s1 0 6 n s 2 3 检定过程的特点 从以上的检定方法的分析，可以得出脉冲发生器类仪器的检定过程的两个突 出特点。第一，检定过程中用到标准仪器的类型随着不同的检定项目有很大不同， 即使是对同一技术指标的测量，也可以使用不同的标准仪器进行，使得检定过程 西北大学顾十学位论文 中具有很大变动性。第二，所有检定项目的操作步骤基本相同，一般都按照仪器 初始化、功能设置、参数设置、被测信号输出、标准仪器的测量、测量结果的记 录等步骤进行。 2 4 本章小结 这一章主要分析了电子测量仪器检定工作依据的有关规程，并总结脉冲信号 发生器主要技术指标的检定方法的祷点，目的是使自动检定系统的软件设计符合 实际检定工作的特点和要求。 西北大学硕士学位论文 第三章自动检定系统硬件组成与互连总线 3 1 自动检定系统硬件组成 自动检定系统的硬件平台由控制计算机，可程控的被检仪器、标准仪器，和连 接这些设备的互连总线组成”1 。其中，控制计算机选择带有g p m 控制卡或串行口 的微型计算机。脉冲信号类仪器( 包括脉冲信号源、多功能源、示波器校准仪等) 是系统中的被检仪器，提供测量信号的输出。测量这一信号的仪器有示波器，计 数器或频率计，电压表等，它们是系统中的标准仪器。所有这些仪器必须是带有 互连接口的可程控仪器。典型的系统硬件组成如图3 一l 所示。 图3 1 脉冲信号类仪器自动检定系统硬件组成示意图 3 2 系统互连总线选择 计算机作为自动检定系统的主控设备，是通过互连接口和各个可程控仪器连 接的。在计算机通过互连接口向可程控仪器发送程控指令执行操作功能时，由于 可程控仪器接口的特殊性，必须选择适当的互连总线连接计算机和自动检定系统 中的仪器。这样在设计自动检定系统的软件时，才能通过这些总线和仪器进行通 信】。以下对连接可程控仪器的总线类型进行分析，并选择适当的总线柬连接自 动检定系统的各硬件设备。 3 2 1g p l l 3 总线 1g p i b 标准的历史沿革 1 9 6 5 年，惠普公司( h p ) 设计出h p i b 仪器接口总线，用于将其自行设计生产 的一系列可程控仪器与计算机进行连接，总线连接的计算机、仪器被称为设备。 h p i b 仪器总线的数据传输速率可以达到1 m b s ，就当时的技术条件来说，这已 经是很高的数据传输速率了”1 。 1 9 7 5 年，美国电气与电子工程师协会( i e e e i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 采纳了h p i b 技术并将其定为i e e e 4 8 8 1 9 7 5 标准加以推广， 同时正式提出将其改称为通用接口总线( g p i b g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 。 i e e e 4 8 8 1 9 7 5 标准定义了连接器和电缆的机械和电气接口，同时还有握手、寻址 和传送字节流的通用协议。从此，不同厂商生产的可程控仪器开始可以通过标准 的g p m 总线连接在一起“。 1 9 8 7 年，i e e e 4 8 8 1 9 7 5 标准提升为i e e e 4 8 8 1 1 9 8 7 ，全称是“用于可编程 仪器的i e e e 标准数字化接n ( i e e es t a n d a r dd i g i t a li n t e r f a c ef o rp r o g r a m m a b l e i n s t r u m e n t a t i o n ) ”。这一新标准进一步明确定义了g p i b 的机械和电气特性，从而 极大地方便了可程控仪器的连接。但是，i e e e 4 8 8 1 1 9 8 7 标准仍存在不足：只从 硬件连接角度定义了g p i b 的特性，并没有规定字节流的意义，没有规定数据格 式和消息交换协议，这就导致了各个仪器厂商开发生产的仪器在这些方面的不够 统一。为此，i e e e 又建立了i e e e 4 8 8 2 1 9 8 7 标准“”。该标准全称是“用于 i e e e 4 8 8 1 1 9 8 7 标准的标准代码、格式、协议和通用命令( i e e es t a n d a r dc o d e s ， f o r m s ，p r o t o c o l s ，a n dc o m m o nc o m m a n d sf o ru s ew i t hi e e es t d4 8 8 1 1 9 8 7 ， i e e es t a n d a r dd i g i t a li n t e r f a c ef o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t a t i o n ) ”。这一标准较全 面地补充了i e e e 4 8 8 1 1 9 8 7 标准缺少的功能，描述了向仪器传送命令和向控制器 返回响应的方法，从g p i b 控制器( 例如插有g p i b 卡的计算机) 和g p i b 仪器两方 面规范了数据格式、状态报告机制、消息交换协议、错误处理机制、通用配置命 令和仪器特殊命令等。 1 9 9 2 年，i e e e 4 8 8 2 1 9 8 7 标准又做了进一步的修改和完善，变更成为 i e e e 4 8 8 2 1 9 9 2 标准。这一系列的标准指定，极大地促进了g p i b 总线的发展和 西北大学硕士掌位论文 应用，已经成为事实上的可程控仪器的标准互连总线。 2 g p i b 总线的组成和连接要求 g p i b 总线共由2 4 条线组成，采用负逻辑，低电平有效，使用负逻辑提高了 对噪声的抵抗能力。其中8 条地线。1 6 条信号线分为三组，包括8 条数据线d o t d 7 、3 条握手线( n r f d 、d a v 、n d a c ) ，5 条控制线( a t n 、s r q 、i f c 、p e n 和 e o d 。具体功能如下“： 数据线：以并行方式输送数据，每条线传送一位，前7 位构成a s c i i 码，最 后一位作其它用，如奇偶校验等。 控制线：5 条控制线管理着g p i b 中的信号传输。 a t n ( a r e n t i o n ) ：注意，由“控者”发出，表示数据总线上给出的是系统接 口命令。当a t n 注意线有效时，数据总线上的信息是由“控者”发出的、用于管 理接口部分工作的信息( 命令、设备地址等) ，这时，一切设备均要接受这些信 息。当它无效时，数据总线上的信息是由“讲者”发出的、用于完成仪器自身工 作的仪器信息( 数据、设备的控制命令等) ，所有“听者”都必须接受这些信息。 s r q ( s e r v i c er e q u e s t ) ：服务请求，由设备发出，指示需要被注意产生中 断当前的事件。 i f c ( i n t e r f a c ec l e a r ) ：接口清除，使整个接口系统回到扔始状态。 p e n ( r e m o t ee n a b l e ) ：遥控使能，由“控者”使用，仪器回到由“控者” 控制的状态。 e o i ( e n do ri d e n t i f y ) ：“讲者”给出，表示数据流传送完毕或特定系统命 令的确认。 握手线：3 条握手线异步地控制各设备之间的信息字节的传输。 n r f d ( n o t r e a d y f o r d a t a ) ：数据未就绪线，只要“听者”中有一个尚未准 备好接受数据，n r f d 线就为低，示意“讲者”暂不要发出数据。 n d a c ( n o td a t aa c c e p t e d ) ：数据未收到线，与n r f d 线类似，线或方式， 只要“听者”中有个尚未从数据总线上接受完数据，n d a c 线就为低，示意“讲 者”暂不要撤掉数据总线上的数据。 d a v ( d a t a v a l i d ) ：数据有效线，当数据线上出现有效数据时，“讲者”置 西北大学缺士学位论文 d a v 线为低( 负逻辑1 ) ，示意“听者”从数据线上接受数据。 d a v ( d a t av a l i d ) ：指示总线上的数据是否有效。 g p i b 总线系统的连接基本配置要求是： ( 1 ) 设备间最大距离不超过4 m ，平均距离不超过2 m ： ( 2 ) 总长度不超过2 0 m ； ( 3 ) 系统中设备的个数不能多于1 5 ，且要有不少于2 3 的设备上电。 3g p i b 的数据交换方式 g p i b 总线是一种采用异步数据传送方式的双向总线。g p i b 总线上的信息 按位( b i 0 并行、字节f b y t e ) 串行的方式传送。数据传输利用8 条数据线，每条数据 线代表八位数据中的一位。各位的数据信息在8 条数据线上同时出现，所以称为 位并行；但对于字节而言，是一个字节跟着一个字节地传送，所以称为字节串行。 如图3 2 所示，g p i b 总线连接的设各可以处于以下任何一种角色之中或者同 时扮演几种角色：( 1 ) 空闲( i d l e ) ，什么事也不做；( 2 ) 听者( l i s t e n e r ) ，从讲者处 接收信息；( 3 ) 讲者( t a l k e r ) ，向一个或多个听者发送数据；( 4 ) 控者 ( c o n t r o l l e r ) ，作为g p i b 总线的控制者“。可以有任意数量的设备处于空闲 或听者状态中，但是在某一时刻只能有一个讲者和控制器。讲者和控制器的角色 可以在设备之间传递，每一个设备在总线上的地位是经常变化的。每一时刻的讲 者和听者是由控者根据系统需要加以任命的。也可以组建一个没有控制器的系统， 但这时讲者和听者的角色是固定不变的。在g p i b 总线上的设备可以具有不同的 角色或功能。例如计算机可以同时具有控制器、听者、讲者三种功能；数字电压 表可以作为讲者或昕者；而打印机只能作为听者接受数据。 图3 - 2g p i b 总线系统中设备的1 = 作角色示意图 g p i b 系统每次通信时，先由控者指定一个讲者和多个听者，然后才丌始通 信。讲者获得发送权，把所有数据发送完毕后，发出结束消息，最后将总线控制 两北大学硕士掌位论文 权交还给控者，撇消听者任命“。 4g p i b 总线的同步 为了实现总线上不同传输速率设备的通信，g p i b 总线系统具有完善的同步 机制，这里的同步有两层含义：一是传输数据的同步，是通过g p i b 的3 条握手 线分别传送“数据有效( d a c ) ”，“准备好接收数据( r f d ) ”和“数据已接收( d a v ) ” 三条消息在源方和受方之间进行联络，又称“三线挂钩”的方法实现的。另一个 是操作的同步。操作的同步是指各器件进行收发命令、读写数据、执行指令等各 种操作的先后顺序和时间的配合“。这个问题解决得好坏直接关系到自动检定系 统能否可靠运行。测量数据是否可信以及测试效率如何。本文解决这个问题主要 根据g p i b 的同步机制设计适当的程序执行步骤进行。 状态和事件报告体系用来记录事件和反应设备的内部状态，是g p i b 同步机 制的基础“”。 状态系统记录各种仪器状况，可分为三个寄存器组：状态字节( s t a t u sb y t e ) 寄 存器，标准事件( s t a n d a r de v e n t ) 寄存器和质疑数据( q u e s t i o n a b l ed a t a ) 寄存器和对 应的屏蔽寄存器“”。状态字节寄存器表示的是来自其他各状态寄存器的状况。如 其中的“信息可用”位伪i t 4 ) 为“1 ”表示据设备的输出缓冲器上已有可用的数 据，可供读取：“事件状态位”位( b i t 5 ) 为“1 ”表示标准事件寄存器有一个以上的 位已置位；“请求服务”位( b i t 5 ) 为1表示设备要求服务。具体说明如表3 一l 。 表3 - 1 状态字节寄存器( s b r ) 的结构 3 2 。 位名称说明 7 未用 6 r q sr e q u e s ts e r v i c e 请求服务 5e s be v e n ts t a t u sb i t ，事件状态位 4m a v m e s s a g ea v a i l a b l e ，信息可用 3 q d aq u e s t i o n a b l ed a t a ，质疑数据 2 0来用 标准事件状态寄存器的每一位都反映一个对应的仪器事件，具体说明如表 西北大学硕士学位论文 表3 2 标准事件状态寄存器( s e s r ) 的结构 位名称说明 7p o n p o w e r o n ，开启电源 6u r qu s e rr e q u e s t ，用户请求 5c m ec o m m a n de r r o r ，命令错误 4 e x ee x e c u t i o ne r r o r ，执行错误 3d d ed e v i c ee r r o r ，仪器错误 2q y e q u e r ye r r o r ，查询错误 l r q cr e q u e s tc o n t r o l ，请求控制 0o p c o p e r a t i o nc o m p l e t e ，操作完成 质疑数据( q u e s t i o n a b l ed a t a ) 寄存器。质疑数据寄存器是十六位寄存器，使用 了其中五位，其状态反映了仪器的超载状和高低极限测试的结果。 编程时可以查询这些寄存器上的状态信息来判断仪器的工作状态。而何时进 行查询操作是通过使用事件报告体系的服务请求功能实现的。在向仪器发出程控 指令后，由于仪器速度较慢，计算机可能转去处理其他事件，而当仪器完成指定 操作后，要求计算机即时回到原先的指令序列读取数据或进行其他处理。此时， 要求服务的仪器通过使控制线中的“服务请求线( s r q ) ”有效向计算机发出服务 请求消息，引发计算机的g p i b 中断。 因此，如果估计到某些程控指令的操作需要较长的时间，在向仪器发出指令 后，首先使仪器处于等待服务请求事件状态，当该事件发生后，再通过串行查询 ( s e f t a lp o l l ) 每个仪器状态字节寄存器的“服务请求”位( b i t 6 ) 是否为“1 ”来确 定是哪一个仪器在要求服务。以这样的方法编程控制仪器依次执行相应的操作， 就可以实现g p i b 总线的操作同步。 5 规范可程控仪器命令集的s c p i 对g p i b 接口状态寄存器的控制，主要通过向接口发送s c p i 命令进行。例 立f l * s t b ? 命令用来读取状态字节寄存器( s b r ) 的内容，命令的返回值是一个十 进制的数值，表示s b r 中所有二进制位所代表的数值；使用* e s r ? 读取标准事 件状念寄存器( s e s r ) 的内容：使用* c l s 命令清除这些寄存器的内容。事实上， 西北大学硕士掌位论文 s c p i 命令定义了如何通过总线控制器和仪器通讯的方法，不但可以用来实现对 g p i b 接口的控制，也是仪器控制领域的通用接口命令语言”1 。 可程控仪器标准命令( s c p i - - s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l e m s , t r u m e n t s ) 于1 9 9 0 年提出。s c p i 联盟致力于开发计算机和测试系统间的通用接 口语言。s c p i 标准建立于i e e e 4 8 8 2 提出的标准代码和格式之2 ：( s c n 标准包含 i e e e 4 8 8 2 所提出的通用命令) 。s c p i 要求遵循这一标准的仪器命令集要与 i e e e 4 8 8 2 相符合。但是s c p i 是一个纯粹的软件标准。s c p i 独立于硬件，s c p i 字符串可以通过任何仪器接口发送，无论是g p i b 、r s - 2 3 2 还是v x i ，都可以工 作得同样好“。 s c p i 语言使用层次结构，如图3 3 所示，类似于许多总线控制器所使用的文 件系统，命令“树”的组成是以根层次命令( 也称为“子系统”) 在最上层，每一 个根层次命令下面，还有多个层次。使用者必须指定完整的路径，才能执行较低 层次的个别命令。必须指定完整的路径，才能执行较低层次的个别命令。“。 “a ”子系统 。1 1 ：d：e：f “b ”子系统 _ _ _ _ 一 g：h：i _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _