基于USB接口程控仪器的虚拟测试平台

　摘 要： 介绍一种利用USB接口组成的程控仪器" title="程控仪器">程控仪器 虚拟测试平台" title="测试平台">测试平台 ，给出了平台的基本构成和在LabVIEW环境下测试软件的设计思想，并以RLC串联谐振电路特性测试为例，介绍了该平台的开发和应用方法。
　关键词： USB接口； 程控仪器； 自动测试； LabVIEW

　　随着电子制造自动化技术的发展，电子产品生产加工过程的人力直接投入大大减小。接踵而来的技术问题是如何高效、准确地进行电路特性测试与故障分析，它将成为电子工程师们要掌握的主要技能之一。为此，在电子设计、开发直至生产工作过程中，电路与系统的分析测试技术已成为不可缺少的重要内容。特别是在一些枯燥、单调或人手莫及、危险的工作场合，采用各种程控仪器建立自动测试系统尤为重要。
　　虚拟测试平台改变了传统的以硬件为主体的电子测试自动化模式，无论是将数据采集单元装在计算机内构成所谓的虚拟仪器，还是将微处理器装在测试仪器中构成程控仪器，由于充分发挥了软件的强大功能，使电子测试自动化系统的构建成本日益降低，大大扩展了其应用范围。
　　而利用程控仪器、测试总线、计算机和测试软件的有机结合，组成通用的虚拟测试平台，实现电路、器件和系统的自动分析测试，无论在教学还是在科研方面都将具有普遍的实用意义。测试数据一旦传输到了计算机，那么虚拟的、仿真的、图形化的和数据管理等各种计算机处理功能都将得到发挥，成为构建现代化实验室和研究室的重要内容。如果同时再充分发挥网络的信息共享技术，实现网络测试系统，还可减少贵重仪器的配备数量，进一步提高设备使用效率，实现人力资源和设备资源的合理配置。
1 虚拟测试平台的硬件组成
　　作为一个实例，本文介绍的测试平台的硬件由主机和程控仪器群两部分组成。一般实验室条件下采用PC机作为主控设备，通过通用的标准测试总线与程控仪器连接。
　　本系统采用USB作为接口总线，这是近年来程控仪器已经形成的主流技术之一。程控仪器需要根据测试功能和接口功能配置来选定，在这里使用一种性价比较高的国产程控信号源DG2041A和程控数字万用表" title="数字万用表">数字万用表 DM3063来构建虚拟测试系统。该系统可用于双端口电网络的输入输出特性分析和测试，并且测试结果可以通过计算机软件完成存储、作图、显示及各种数据处理。
1.1 程控仪器介绍
　　DG2041A是普源精电公司（RIGOL）推出的函数/任意波形发生器，它采用DDS直接数字合成技术，输出十种标准波形（如正弦波、方波、锯齿波、脉冲、噪声、指数上升、指数下降、Sin(x)/x、心电图波、直流等），也可以100MS/s采样率、14位垂直分辨率和512K采样点存储深度生成用户自行定义的任意波形。它还具有丰富的调制输出功能，如调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)、频移键控(FSK)、脉宽调制(PWM)、扫频" title="扫频">扫频 (SWEEP)、突发(BURST)等。该仪器可有USB、RS-232、GPIB、LAN多种程控接口配置及多种语言用户界面和嵌入式帮助系统。DG2041A的仪器图及相关图示如图1、图2所示。

　　DM3063普源精电公司（RIGOL）推出的数字万用表，它的读数分辨率达到6 1/2位，而降低分辨率后采样速率又可提高到1MS/s。该仪器的数据存储深度为2M readings，具有26种测量功能：可进行直流电压和电流、交流电压和电流、两线和四线电阻、电容及频率、周期、比率的测量，还可进行最大值、最小值、平均值和消零等数学运算，并具有数据采集、记录、巡检和编程自动测量功能。DM3063内置10组设置存储、10组数据存储、10组任意传感器存储，有GPIB、LAN、RS-232和USB多种接口配置。DM3063仪器图及模块内部图如图3、图4所示。

1.2 USB接口
　　USB的全称是Universal Serial Bus，即通用串行总线，它使用4针扁平标准插头。由于只通过单一线缆与计算机进行连接，即插即用，在一般条件下采用USB作为测试总线有以下特点：
　　（1）真正的即插即用，通过标准的低成本线缆将程控仪器和PC的USB端口相连，并且计算机会自动识别该设备，极大地减少了系统启动时间。
　　（2）高传输速率，理论最高速率为480MB/s，与现有的RS232串口相比具有明显的优势。
　　（3）容易扩展，使用低成本的扩展集线器和USB线缆，最多能连接127台程控仪器到一个USB端口上。
　　（4）可热插拔，USB程控仪器能在计算机运行中随时
　　安装或移除，不需要关闭计算机。
　　通过软件编写USB驱动程序即可方便地程控带有USB接口的测试测量仪器。
2 平台的应用软件
　　本程控测试平台使用了美国NI公司的LabVIEW 软件实现上位机的控制功能。LabVIEW是一种图形化编程语言，近年来已经广泛地被工业界、学术界和实验室所接受，成为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
　　LabVIEW程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标/接线端口。前面板是LabVIEW程序交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真实意义的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指标量进行控制。图标/接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使LabVIEW得以实现层次化、模块化编程。
　　LabVIEW提供了大量的函数库和高级的分析子VI，用户只需调出代表仪器功能、操作、数据处理、输出显示的图标，输出相关的配置参数，连接好类似数据流程的框图，就完成了全部的编程工作。根据用户的需要，还可以自己编写程序，通过LabVIEW提供的动态链接库" title="动态链接库">动态链接库 进行调用。它是目前在实验室中应用广泛、功能非常强的图形化软件开发集成环境。
3 虚拟测试平台结构及工作过程
　　虚拟测试平台的组成结构如图5所示。图5中，计算机通过USB接口发布测试控制命令，并分时地读回仪器的测试结果。在本例中由信号发生器产生激励信号，数字万用表测量电路的输出响应，命令和数据通过USB接口进行传输。计算机能够将得到的测量数据快速地进行处理、存储及打印， 并对测试结果做出正确的分析判断。

4 电路的特性测试实例
　　RLC串联谐振电路在正弦信号激励下，根据电阻、电感和电容参数的不同产生简谐振动、阻尼振动和强迫振动。当正弦电源频率达到某一频率时，电路的电流达到最大值，即产生谐振现象。电子技术中常用串联谐振作为频率调谐电路，利用谐振原理制成的传感器，可用于测量液体密度及飞机油箱内液位高度等。
　　串联谐振回路的电压转移函数H(jω)与频率相对值的曲线为幅频特性曲线，它可用来衡量频率响应特性，是谐振电路的重要指标。
　　上述的虚拟测试平台即可对RLC电路的幅频特性进行测量。测试过程如下：首先由计算机来控制函数信号发生器（DG2041A）输出等幅的频率扫描信号，并设定信号的频率范围及扫频时间，以此作为RLC串联谐振电路的输入。同时计算机控制数字万用表（DM3064）对RLC电路的信号输出幅值进行逐点读取并实时记录，得到输出的频率点及对应的电压幅值组成的曲线，即幅频响应特性曲线。下面从三个部分来介绍测量RLC电路特性的具体实现过程。
4.1 对仪器进行初始化
　　对RLC电路特性的测试测量第一步是要对两个仪器进行初始化。在本虚拟测试平台中，在LabVIEW下通过调用动态链接库来驱动DG2041A和DM3064，从而实现对硬件的快速测量。创建并编写DLL的具体实现方法如下。
　　首先建立一个Win32 Dynamic-link Library(动态链接库)的工程，然后在新建的File（文件）中写入自己所要的函数，在函数之前要加上extern 'C'，作用是告诉C++编译器以C Linkage方式编译。这时生成一个.DEF文件，文件中的第一个语句必须是LIBRARY语句，通LIBRARY语句将此.DEF文件标识为所属DLL，LIBRARY语句的后面是DLL的名称，链接器会将此名称放到DLL的导入库中。EXPORTS语句列出导出函数的名称，编译后就生成了DLL文件。 在LabVIEW的VI中，经过互连接口->库与可执行程序->调用库函数节点的方法，添加库函数，右击并在配置中选择函数路径和调用的函数，调用规范为C（如果调用API，一般选择stdcall（WINAPI)），然后在参数项中添加函数中输入输出的参数，设置完毕就可以使用了。LabVIEW的调用动态链接库模块的界面和程序如图6、图7所示。

动态链接库调用成功也就意味着可以驱动有USB接口的程控仪器，接下来就可以利用LabVIEW强大的数据处理能力以及友好的人机界面，根据自己的需要进行设计了。
4.2 测量电路及数据处理
通过RIGOL提供的命令集，对仪器进行相应的控制，如信号的产生、设定扫频时间和频率幅值以及测量电压值等。图8为计算机向信号发生器发送命令的VI图，通过人机界面中人为选定各值，程序后台将设定的值以及单位嵌入到命令中，以字符串的形式通过调用的动态链接库将命令发送给仪器。其中设置的值有起始频率、终止频率、信号电压、扫频模式和扫频周期等。

　　信号发生器开始产生扫频信号后，数字万用表开始测试北侧电路的输出信号，即循环采集电路中的信号频率以及该频率下电路输出的电压，并将采集来的频率和电压值一一存入数组中。以程序循环控制采集数字万用表测得的电压值为例，程序图如图9所示。通过DLL调用，向仪器发送测量交流电的命令，再调用取电压值的函数，通过数值转换和数值插入等方法，将所测电压值存到名为“输出电压”的一维数组中，以相同的方法测量频率，得到名为“频率”的一维数组。将两个数组一对一地组成一个新的二维数组，然后将其进行图形化显示。

4.3 测量结果及分析
　　实际测量的人机交互界面如图10所示，界面下方的窗口用于显示试验电路的幅频特性。为了便于分析和对比，图中给出三条曲线，其中实线为虚拟仪器自动进行实际测试的结果；另一条较细的虚线为手动逐点测试得到的幅频特性曲线，二者比较接近。偏下一条较粗的虚线由计算机的理论计算值生成。根据以上结果可以进行一些特性分析，例如自动和手动测试的微小偏差是否由操作原因所至，而理论与实测的系统偏差是否由器件的标称误差引起等等。

　　利用LabVIEW强大的数据处理及图形显示能力，本软件还提供了理论测量、手动测量、存盘、控制信号发生器产生任意波形、测量电压、电流、电阻和频率等功能。根据每个测试人员需求的不同，可以自行设计人机交互界面。
通过以上简单的实验室应用特例可见，利用程控仪器搭建虚拟测试平台来测试硬件电路，分步循环实时提取电压值和频率值，并画出幅频特性图，直观地体现了测试结果。这种方法改变了以往繁琐的手动测量和读数描点过程，既节省了测试测量时间，又提高了测试测量的精度，使整个实验测量过程变得方便快捷。

参考文献
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