脈沖信號自動檢定與校準系統(tǒng)設計

摘要：介紹了一種基于GPIB總線的脈沖信號自動檢定系統(tǒng)的設計方案。本方案通過GPIB總線接口將所有測試儀器與PC機連成一體，以實現對脈沖信號的全自動檢定，從而大幅度地提高脈沖信號檢定／校準系統(tǒng)的檢定精度和檢定效率。
關鍵詞：自動檢定系統(tǒng)；GPIB；脈沖信號；校準

0 引言
    隨著電子科學技術的發(fā)展，脈沖信號類儀器(如脈沖信號發(fā)生器、示波器校準儀等)已成為電子技術工作者不可缺少的重要工具之一，長期以來。國內對脈沖信號儀器進行檢定一直是通過手工操作完成的。通常，對脈沖信號儀器檢定／校準需進行十幾個項目，而且需要重復多次操作工作標準儀器和被校準的脈沖信號儀器，同時反復記錄和計算結果，最后才能打印證書。檢定／校準過程不僅勞動強度大，工作效率低，而且檢定的數據也不易管理。同時，人工檢測往往受操作者個人習慣和視差等因素的影響，測試精度較低，尤其是長時間的重復操作難免出錯，也給計量工作帶來了安全隱患。針對這些問題，本文詳細介紹了一種基于GPIB總線的脈沖信號自動檢測與校準系統(tǒng)平臺的設計方法。利用該平臺能夠準確快速地測量參數，直觀地顯示測試結果，自動存儲測試數據，從而使檢定校準工作變得簡單、方便，因而具有廣闊的應用前景。

1 系統(tǒng)總體設計
    本系統(tǒng)采用計算機測控理論和網絡技術，并采用Visual Basic高級語言、VISA I／O函數庫及Access數據庫來解決常用接口(GPIB、RS23 2、TCP／IP、USB)的兼容以及不同測量標準、不同被測儀器兼容性設計等關鍵技術問題，從而建立一個脈沖信號自動檢定／校準軟件平臺。
    本系統(tǒng)以計算機為中心，通過GPIB數據采集器與標準儀器和被檢定／校準儀器進行連接，以控制標準儀器輸出設定的標準信號，同時讀取被檢定／校準儀器的測量值，最后通過相關數據庫保存檢定／校準結果。檢定／校準測試完成后，可將檢定／校準數據從數據庫中讀出，然后以檢定／校準證書或原始記錄的形式打印輸出，從而完成自動化檢定／校準，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中，GPIB數據采集器采用Agilent公司的82357B GPIB／USB數據采集卡。

    用戶利用該平臺可以不需編程，而是通過數據庫文本編輯界面來快速實現脈沖信號類測試儀器的自動檢定／校準系統(tǒng)開發(fā)，其相關測試流程可自動編制，同時，脈沖信號類被測儀器均可自動測量，整套系統(tǒng)的數據可實現自動分析、計算與自動管理。
1．1 主要功能
    當測量標準可程控時，該系統(tǒng)可實現對任意可程控的脈沖信號源、示波器校準源、多功能校準源等脈沖參數信號類儀器進行自動檢定／校準；同時也可實現對任意不可程控的脈沖信號源、示波器校準源、多功能校準源等脈沖參數信號類儀器的半自動檢定／校準。
    另外，用戶也可以自行設計檢定／校準測試項目、檢定／校準測試點、輸出形式以及證書格式等。
1．2 工作原理
    本系統(tǒng)的脈沖信號參數有±DC電壓、方波電壓、時標、脈沖幅度、脈沖頻率、沿參數、延遲時間、脈沖寬度、脈沖周期和脈寬、延遲晃動、正弦信號平坦度以及諧波失真等。
    計算機通過GPIB總線發(fā)送控制命令給脈沖信號自動測試系統(tǒng)以完成測試過程?，F以測量±DC電壓為例，首先由計算機發(fā)送測試命令給數字多用表3458A，再根據脈沖信號的顯示改變控制命令，同時改變輸出信號，然后重復此過程，直到脈沖信號的顯示參數滿足要求為止。如測量脈沖頻率、脈沖周期等參數，則需要發(fā)送控制命令到計數器53131A；而要測量正弦信號平坦度等參數，則需要用到工作標準8651A功率計。
其次就是計算測量誤差。由計算機發(fā)送讀取命令給各項工作標準儀器，相應工作標準儀器將脈沖波形參數信號滿足技術指標要求的數據(稱
作實際值或返回值)回傳給計算機，然后根據測量值、返回值及相應的技術指標來計算測量誤差。

2 系統(tǒng)軟件設計
    組建一個基于IEEE 488總線的測試系統(tǒng)是自動檢定系統(tǒng)運行的核心，而系統(tǒng)軟件設計是實現自動檢定的重要環(huán)節(jié)之一。自動校準測試系統(tǒng)控制軟件開發(fā)語言可使用Visual Basic 6．0，數據庫則可采用Access類型數據庫，并使用VISA I／O函數庫編寫通信功能軟件，以實現計算機和儀器的通信。整個測控軟件嚴格遵循自頂向下(TopDown)、模塊化的設計思想，程序和結構清晰易懂，也增強了系統(tǒng)的可維護性，便于升級。系統(tǒng)軟件模塊框圖如圖2所示。

    本系統(tǒng)是一個與標準測量儀器及被檢定／校準儀器無關的、可對脈沖信號參數進行自動檢定／校準的測試軟件平臺，該平臺能自動適應不同廠家、不同型號、不同接口儀器的自動檢定／校準需要。因此，由檢定流程編輯模塊、流程解釋執(zhí)行模塊、程控指令測試模塊、數據庫管理模塊、儀器接口模塊和輸出模塊組成的系統(tǒng)軟件模塊結構可以保證系統(tǒng)設計目標的實現，從而實現系統(tǒng)功能。
    由于測控軟件主界面采用圖形化的人機交互界面，因此，使用起來十分方便。主程序的界面分為示波器參數設置區(qū)、數據庫操作區(qū)、檢定校準工作區(qū)等四部分。整個軟件的全部功能主要依靠示波器參數設置區(qū)中的命令來進行操作。
    要使檢定／校準系統(tǒng)程序能控制所有可程控的儀器，就必須找出測試系統(tǒng)中的儀器資源并建立會話(Session)。根據VISA的定義，會話是應用程序和儀器之間的通訊路徑(Communication Channel)，每個會話都可由一個數據類型是長整形數的唯一邏輯標識符表示。為了解決在自動檢定／校準過程中由接口、多臺儀器組成的系統(tǒng)里每個儀器的程控問題，可在程序中定義一個全局級的數組，并把建立的每個會話保存在數組中，這樣，使用數組里相應的會話就能對打開的每個儀器進行程序控制。本測試系統(tǒng)中的儀器會話顯示界面如圖3所示。

    檢定／校準工作區(qū)是整個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，以使程序界面簡潔明了，方便用戶使用。數據庫操作區(qū)存儲的是示波器和校準環(huán)境的具體信息，包括書編號、儀器型號、儀器編號、檢定日期、檢定員等，檢定人員檢定／校準每一臺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，提高檢定準確度，同時也可以為頻譜分析儀、信號發(fā)生器、數字多用表等綜合數字儀器的自動檢定提供參考，因而具有一定的現實意義。

    該平臺為自動檢定／校準的程控指令提供了一個實驗驗證的手段，以達到隨時擴充、替換測量標準，增加被檢定／校準儀器的目的。該功能主要基于VISA I／O庫進行設計，實際是一個獨立的指令測試軟件，單獨使用時通常命名為“可程控儀器助手”，是一個完整的測量儀器程控指令調試工具，也是本系統(tǒng)實現其功能的核心。

3 測試結果分析
    根據檢定／校準流程中每個測量點的技術要求，本系統(tǒng)也可以自動判別測量結果是否符合要求。如果滿足技術指標，則該測試點的數據將予以保存，測試流程自動轉入下一個測試；如果測量結果超出要求范圍，則自動重測一次，如還不符合要求，則等待用戶干預是否“重復”測量、“退出”或“確認”繼續(xù)下面的測量。此外，還可以根據測量結果和使用的測量標準自動計算測量的不確定度。
    本系統(tǒng)配有完整的檢定／校準證書輸出功能，一旦檢定／校準結束，系統(tǒng)將自動搜索“輔助數據路徑”設置的用戶數據庫，并提示是否將檢定／校準結果存入用戶數據管理系統(tǒng)以及是否打印檢定／校準證書。本實驗的測量結果如圖5所示。

4 結束語
    通過本文所介紹的自動檢定／校準系統(tǒng)可以檢定多種型號的脈沖信號儀器，為相關脈沖參數儀器的檢定／校準提供一種全新的方法。經過對本系統(tǒng)的軟硬件進行設計和實驗調試，結果表明，該系統(tǒng)可提高脈沖信號類儀器的檢定效率和檢定精度，滿足實際測試和一致性標校要求，具有廣闊的應用前景。因此，此測試系統(tǒng)的成功開發(fā)，為開發(fā)虛擬儀器提供了一種借鑒方法，并在測試系統(tǒng)向網絡化、模塊化和面向用戶發(fā)展方向邁出了一大步。