基于多总线的自动检定／校准测试系统设计

    随着测试和测量领域中计算机技术的不断渗透，仪器系统中将更多地采用目前流行的总线类型，如通用接口总线(GPIB)和串行接口总线，以及新近出现的以太网、USB和IEEE 1394等通信总线。电子仪器的数量和类型正在日益增加，增强了计量检测部门检定／校准工作的难度与强度。需要建立能够自动检定／校准电子仪器的测试系统，从而快速、准确地对电子仪器进行检定／校准。
    自动检定／校准电子仪器的系统中将涉及到多种接口总线类型的仪器，各种仪器的供应商也不同。目前各大电子仪器制造公司已推出了一些具有代表性的自动检定／校准软件系统产品。但存在一些不足：(1)必须使用特定型号的GPIB接口卡作为计算机和仪器之间的互连接口设备；(2)有些软件是针对使用特定公司的电子测量仪器作为标准仪器而设计的检定／校准系统，存在通用性问题。这些原因使自动检定／校准系统的应用受到限制。为此，解决多种接口总线类型的仪器与计算机之间的直接通信，使检定／校准测试系统软件具有通用性，构建基于多总线的自动检定／校准测试系统是能够满足计量部门电子仪器自动检定／校准的解决方案。

1 自动检定／校准测试系统设计方案
1．1 系统硬件组成
    自动检定／校准测试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。典型的系统硬件组成，如图1所示。以示波器的检定／校准为例，其中，控制计算机选择带有GPIB，RS232，VXI，USB，LXI接口的微型计算机。示波器为系统中的被检仪器，用于测量标准仪器输出的信号。系统中的标准源仪器输出标准信号。所有这些仪器必须是带有互连接口的可程控仪器。

    组建检定／校准系统时，根据仪器的不同接口类型选择仪器与控制计算机的连接方式。可以通过接口卡直接与计算机相连，或者使用桥接器、接口转换器连接仪器。配备有USB接口的仪器，可以方便的连接在计算机的USB接口上。LXI接口仪器可以连接在与控制计算机相连的交换机上，也可以将其他接口仪器通过转换器转化为LAN接口后连接至LAN集线器或交换机上。灵活的硬件连接方式，便于快速组建检定／校准系统。
1．2 系统互连总线
    过去20多年间，自动化仪器系统中已广泛使用IEEE 488和通用接口总线GPIB。近年来，电脑配备均提供以太网络、USB(通用序列总线)等接口。这些新的总线具有多项优良特性：易于使用(USB)、连结(以太网络)。GPIB是专为仪器控制应用而设计的，拥有更强的功能与广泛的使用者基础，GPIB在未来的许多年仍会继续存在。因为没有一种总线技术能够在仪器控制工业中位居于主导地位，制造厂商对于总线的集成速度缓慢。现今仅有数个仪器制造厂商在所制造的仪器中内建USB或以太网络选择界面。随着PC技术的发展，将有更多新的总线可以应用于仪器控制。考虑到PC技术的迅猛发展，而测试测量仪器的生命周期相对较长，计量部门所组建的检定／校准／测试系统，需要兼容多厂商多总线类型的仪器。
    研究了在可程控测量仪器中广泛使用的测量仪器总线，并根据各种接口在仪器控制领域的应用情况，文中主要采用GPIB，RS232，VXI，USB，LXI总线作为自动检定／校准测试系统的互连总线。

2 自动检定／校准测试系统软件设计
    自动检定／校准测试系统软件要能适应对不同厂家、不同型号、不同接口的仪器的自动检定／校准。为了提高软件的通用性，将检定／校准流程与系统软件分开，系统软件可以为不同的仪器编辑检定／校准流程并存放在数据库中；系统执行检定／校准时，从数据库读取相应的检定／校准流程，实现对不同仪器的检定校准。按照上述功能需求，多总线自动检定／校准测试系统软件由检定／校准管理层、检定／校准执行层、数据库管理系统、I／O接口层组成，系统软件结构框架图，如图2所示。

2．1 多总线仪器硬件兼容的实现方案
    如图2中VISA接口子层是实现仪器统一编程接口的核心。VISA详细规范了虚拟仪器I／O接口软件的组成、内部结构与实现规则，而符合此规范的虚拟仪器I／O接口函数就是VISA库。VISA库对于仪器驱动程序开发者来说是一个可调用的操作函数集，它驻留于计算机系统之中执行仪器的特殊功能，为计算机与仪器提供软件层连接，以实现对仪器的程控。
    可程控仪器标准命令(SCPI-Standard Com-mands for Programmable Instruments)于1990年提出。SCPI联盟致力于开发计算机和测试系统间的通用接口语言。SCPI是为测试测量仪器而设计的一种可读的ASCII码仪器命令语言SCPI为各类程控仪器提供了通用的语言和语法规则，它独立于硬件，其字符串可以通过任何仪器接口发送，它的命令可由C，C++，Visual Basic等任何一种编程语言发出。
    I／O接口层是实现系统兼容多总线类型仪器的主要层次。通过对仪器应用命令和操作以及I／O进行标准化，使得仪器应用程序的开发与仪器接口无关。该层可细分为4个子层，分别是：VISA接口层、标准命令层SCPI、仪器驱动程序及函数层。其中，VISA与SPCI层是I／O接口与命令接口层，函数定义与驱动程序构成应用编程接口层。I／O接口层实现了仪器和通信协议对仪器应用编程的透明，也就是说，这一层与通信协议及仪器本身是无关的。
2．2 引入独立于软件的测量流程，增加软件的通用性
    测量流程即检定步骤，是完成一台仪器检定／校准过程中，测试系统中各个仪器所需要依次进行的一步一步操作。测量流程中包含检定／校准项目、测量点、所使用仪器的功能、量程设置等信息，测试流程随着检定／校准时使用的仪器、检定／校准项目等具体情况的变化而有很大的不同。数据库管理系统合理、有效地组织、管理检定／校准过程中涉及到的信息和数据。自动检定／校准软件用到被检和标准仪器的程控指令、检定／校准项目和测量点、误差上下限、检定／校准结果等各种信息和数据以测量流程的形式全部存入数据库中，软件通过访问数据库中存储的测量流程来控制仪器。自动检定／校准软件的源代码中不涉及具体的仪器信息，使软件具有对不同类型和型号的可程控仪器的兼容性。
    如图2所示，检定／校准执行层，它主要由检定／校准流程编辑模块、检定／校准流程解释执行模块和程控指令测试模块组成。编辑模块的主要功能是根据不同的仪器编辑检定／校准检定校准流程，并存储在数据库中。检定／校准流程解释执行模块根据系统中接入的仪器选择相应的检定／校准流程，并解释执行该流程，完成对仪器的自动检定／校准，仪器自动检定／校准过程，如图3所示。程控指令测试模块用于直观的验证程控指令的功能，从而保证检定／校准流程中使用的程控指令的正确性。

    引入独立于软件的测量流程，增强了软件的通用性。系统中的测量标准和被测仪器可以替换成其他仪器，而软件不需要变更，很好地保护了测试系统的软件投资。根据需要选用不同的测试仪器，可以方便的组建适用于不同仪器的计量测试系统。软件对不同仪器的检定／校准，只在测量流程中区别开。以简单的格式规定测量流程，使计量人员能方便的编写出测量流程。这种方法避免了以往自动检定／校准软件系统产品的缺点，可以同时发挥软件人员和计量人员各自的长处，满足计量部门的需求。
    检定／校准管理层，它帮助用户组建自动测试系统，主要完成对检定／校准过程中测量数据的分析处理，以及按照用户的要求输出检定结果。例如把测量结果数据存储起来，并以检定／校准证书的形式打印。

3 结束语
    文中提出了一种基于多总线的自动检定／校准测试系统设计方案，解决了多总线自动检定／校准测试系统中不同总线类型的仪器硬件兼容问题，引入独立于软件的测量流程，增加了软件的通用性。本系统具有易于组建、互换性强、开放性好的特点，能有效地兼容不同接口类型的各种仪器，保护了系统的软件投资。系统能较好地满足当前计量部门的需求，适用于组建各种不同仪器组成的计量测试系统。