基于LabVIEW和PXI設計通用儀器儀表綜合檢定系統

張麗梅，潘海飛，吳清源

（91388部隊96分隊，廣東 湛江 524022）

1 引 言

由于在航海、軍事、工廠車間等遠離實驗室的場所使用了大量通用儀器儀表，儀表種類雜、參數多，不易拆卸和運輸，往往無法開展實驗室計量測試。因此，為達到在現場能夠快速機動地進行計量測試，應用PXI總線技術、虛擬儀器技術以及自動化測試技術進行設計，開發了通用儀器儀表綜合檢測系統，實現了通用儀器的現場檢測。

2 硬件系統設計

按照傳統儀器的方法搭建通用儀器檢測系統，需要配置計算機、信號發生器、示波器、數字萬用表等多臺分立儀器，顯然無法滿足快速機動的要求。該系統在選擇軟硬件配置時，充分考慮到儀器技術發展的趨勢，結合現有的產品和實際需求，采用嵌入式PXI控制計算機和18槽PXI便攜機箱以及相關PXI儀器模塊，組成了一套高效的PXI通用儀器儀表綜合檢測系統。

2.1 硬件配置

系統硬件組成如圖1所示。零槽控制器具有USB2.0、RS-232、NET、GPIB 等多種接口，能夠與各類數字式儀器進行通信，是組建自動化測試系統的核心。具體硬件配置如下：

NI PXI-1045 PXI機箱；

NI PXI-8105嵌入式PXI控制器（零槽控制器）；

NI PXI-6608計數器/定時模塊；

NI PXI-5124示波器模塊；

NI PXI-4110直流電壓源模塊；

NI PXI-5422信號發生器模塊；

NI PXI-4071數字萬用表模塊。

2.2 PXI總線

PXI總線是以CompactPCI為基礎的，由具有開放性的PCI總線擴展而來。PXI總線符合工業標準，在機械、電氣和軟件特性方面充分發揮了PCI總線的全部優點。PXI構造類似于VXI結構，但它的設備成本更低，運行速度更快，體積更緊湊。目前基于PCI總線的軟硬件均可應用于PXI系統中，從而使PXI系統具有良好的兼容性。PXI還有高度的可擴展性，它有8個擴展槽，而臺式PCI系統只有3～4個擴展槽。PXI系統通過使用PCI-PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。PXI總線的傳輸速率已經達到132 Mb/s（最高為500Mb/s），是目前已經發布的最高傳輸速率[1]。

圖1 系統硬件組成框圖

2.3 主要功能

2.3.1 集中式通用儀器

該系統利用PXI功能模塊實現通用參量的測試，可分別作為示波器、信號發生器、數字萬用表、時鐘源和直流電壓電流源使用，是一臺集中式的通用儀器。

圖2 集中式通用儀器

2.3.2 通用儀器檢測

通用儀器檢測是系統的核心部分，通過對PXI儀器模塊的組合使用實現對示波器、信號發生器、頻率計、數字萬用表等通用儀器的檢測。

如表1所示，列出了各被檢通用儀器的檢測項目以及所使用的PXI儀器模塊。

2.4 主要技術指標

（1）示波器檢測

頻率范圍：100MHz

時間測量誤差：5ns

幅度測量誤差：1%

表1 通用儀器檢測項目表

直流增益/偏置：0.12mV分辨率

準確度0.1%

（2）信號發生器檢測

頻率范圍：150MHz

幅度誤差：0.1dB（DC-50kHz）

0.4 dB（50kHz～20MHz）

1.6 dB（20～100MHz）

3dB（100～150MHz）

時間誤差：5ns

頻率分辨力：1Hz

功率電平：-50dBm-+23dBm

（3）頻率計檢測

頻率范圍：100MHz

時間誤差：5ns

輸入靈敏度：1mV

（4）數字萬用表檢測

可檢測6.5位萬用表

3 軟件系統設計

由于虛擬儀器的軟件優勢，通用儀器儀表綜合檢定系統結合專門研制的軟件，可以全自動快速完成通用儀器儀表的檢測工作。系統軟件組成如圖3所示。

3.1 虛擬儀器軟件開發工具

系統測控軟件設計選用美國NI公司推出的LabVIEW 8.2。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrumen Tengineering Workbench-實驗室虛擬儀器工程平臺）是一種基于G語言（Graphical Programming Language）的圖形化開發平臺，主要用于數據的采集、分析、處理和表達，總線接口、VXI儀器、PXI儀器以及GPIB與串口儀器的驅動程序編制和驅動虛擬儀器[2]。它是把復雜、繁瑣、費時的代碼編寫輸入，簡化成使用菜單式圖標提示的方法選擇功能，并用線條把各種功能（圖形）連接起來的簡單圖形編程方式。利用LabVIEW可產生獨立運行的可執行文件，它是一個真正的32位編譯器[3]。

圖3 系統軟件組成框圖

3.2 儀器檢測流程

通用儀器檢測模塊實現示波器、頻率計數器、信號發生器、數字多用表等通用儀器檢測，測試結果的完整性、準確性和有效性等關鍵特性都通過儀器檢測模塊得到體現。各種儀器檢測參數各不相同，但檢測流程基本一致，如圖4所示。

3.3 儀器檢測軟件設計

3.3.1 被檢測儀器的開放性設計

該系統充分利用零槽控制器PXI-8105的強大通訊功能，即10/100/1000 BaseTX（千兆）以太網、USB 2.0端口、GPIB及串口RS-232，以滿足各類儀器的需求。被檢儀器的控制代碼各不相同，如何使程序適用于不同的儀器，使操作人員無需求助設計者重新設計就可以檢定新的儀器成為開放性設計的關鍵。

圖4 儀器檢測流程

設計中采用了建立命令集的方式，操作人員檢定新的儀器時，通過查詢儀器說明書將控制代碼按照控制流程寫入新的命令集，即可實現儀器的自動控制和測試。

在LabVIEW函數模板中Instrument I/O子模板下的VISA函數能與各種接口類型的儀器通信[4]，系統采用VISA函數實現各種接口的儀器控制，程序如圖5所示。

圖5 儀器控制程序

3.3.2 儀器檢測程序設計

由于儀器檢測流程基本一致，以示波器檢測為例介紹儀器檢測程序。

（A）主要使用的標準信號

（1）標準幅度方波信號

由PXI-5422產生，用于檢測示波器的垂直偏轉因數、幅度測量等項指標。

（2）標準直流信號

由PXI-4110產生，用于檢測數字示波器直流增益、直流偏置誤差、幅度測量誤差。

（3）標準時標信號

由PXI-5422產生，用于檢測示波器的水平偏轉因數、時間間隔測量誤差。

（4）快前沿脈沖

由PXI-5422產生，用于檢測示波器垂直系統瞬態響應，如上升時間、過沖等。

（5）穩幅正弦波信號

由PXI-5422產生，用于檢測示波器垂直系統穩態頻響、內外觸發（同步）特性。

（B）NI程序包

NI程序包是NI提供的PXI模板函數集，在程序中使用了大量儀器控制函數，如表2。

（C）示波器檢測程序

示波器檢測程序依據JJG 262-1996《模擬示波器檢定規程》和JJF 1057-1998《數字存儲示波器校準規范》設計。

表2 NI程序包列表

在測量信息中選擇被測示波器類型，系統自動識別進入相應測量界面，模擬示波器半自動測量，數字數字示波器全自動測量，如圖6所示是模擬示波器檢測界面，利用選項卡劃分不同參數測量區域，多列列表框中是預先設置好的測量點以及測量結果。

圖6 模擬示波器檢測界面

圖7 數字示波器“掃描時間系數”測量程序

3.3.3 生成測試報告

該系統利用Word制作測試報告模板，在LabVIEW中通過文檔屬性節點向Word模板文檔指定位置寫入檢測信息和數據，自動生成測試報告[5]。

3.3.4 數據庫管理

數據庫管理主要包括被測儀器型號管理、允許誤差管理、被測參數命令集管理、測量信息管理、測試報告管理以及數據查詢等模塊。系統采用Access2000建立數據庫，通過LabSQL工具包進行訪問。LabSQL是一個免費的、多數據庫、跨平臺的LabVIEW數據庫訪問工具包，支持Windows操作系統中任何基于OBDC的數據庫[6]。

4 結束語

通用儀器儀表綜合檢定系統采用虛擬儀器技術，基于LabVIEW和PXI總線平臺實現通用儀器現場檢測。該系統機動靈活、準確可靠、通用性強、可擴展性好，尤其適用于相對難以拆卸的艦船通用儀器儀表的現場檢測，推廣應用前景廣泛。

[1] 管士亮.虛擬儀器總線技術的發展及其前景[J].中國現代教育裝備，2005（7）：15-17.

[2] 戴鵬飛，等.測試工程與LabVIEW應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[3]吳成東，孫秋野，等.LabVIEW虛擬儀器程序設計及應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]張小琴，林建輝.LabVIEW環境下的GPIB總線虛擬儀器開發[J].中國測試技術，2004，30（1）：53-55.

[5] 張麗梅，朱保安.基于LabVIEW和PXI平臺設計便攜式多用表檢測系統[J].計量與測試技術，2009，36（5）：9-11.

[6] 吳松濤，龔家偉.在LabVIEW中利用LabSQL實現數據庫訪問[J].國外電子測量技術，2006（4）：53-56.

[7] 伏金春，李志武.基于PXI總線技術的數據采集系統設計與實現[J].儀器儀表用戶，2006，13（2）：30-31.

[8]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.