虛擬儀器應用設計(陳棟)第8章

第8章儀器控制8.1儀器控制系統(tǒng)的構成8.2GPIB8.3串口通信8.4VISA8.5儀器驅動程序本章小結

8.1儀器控制系統(tǒng)的構成

儀器控制是指通過PC上的軟件遠程控制儀器控制總線上的一臺或多臺儀器。一個完整的儀器控制系統(tǒng)由軟件、總線和硬件三部分組成，如圖8.1所示。圖8.1儀器控制系統(tǒng)下面對圖8.1作一個簡要的說明：

(1)軟件：用于控制儀器的I/O軟件和應用程序開發(fā)環(huán)境。例如，LabVIEW、LabWindows/CVI、MeasurementStudio等。

(2)總線：總線硬件選擇面廣，與儀器連接簡單方便。用于儀器控制的總線有很多種，例如，USB、以太網、GPIB、PCI和火線等。儀器自身通常支持其中的一種或多種，通過這些總線控制該儀器。PC通常也提供多種用于儀器控制的總線選擇。如果PC本身不支持儀器可用的總線，可以增加一個插卡或一個外部轉換器。

(3)硬件：一般是兩種測量儀器，獨立式儀器和模塊化儀器。用戶可以根據(jù)不同的測量需要進行選擇。

8.2GPIB

8.2.1概述

通用接口總線(GeneralPurposeInterfaceBus，GPIB)是由IEEE協(xié)會(InstituteofElectricalandElectronicEngineers)規(guī)定的一種ANSI/IEEE488標準。GPIB為PC機與可編程儀器之間的連接系統(tǒng)定義了電氣、機械、功能和軟件特性。

GPIB是專為儀器控制應用而設計的，最初由HP公司提出。IEEE488標準的誕生致使1975年產生了GPIB在電氣﹑機械與功能規(guī)格方面的標準；在1987年ANSI/IEEE標準488.2更明確地定義了控制器與儀器通過GPIB通信的方法，使先前的規(guī)格更加完備。GPIB是一種數(shù)字8位并行通信接口，傳輸速率達8?MB/s?？偩€提供的一個控制器在20?m的排線長度內最多可連結14個儀器。由于GPIB擁有強大的功能和廣泛的使用者基礎，因此在未來的許多年內仍會繼續(xù)存在。8.2.2GPIB系統(tǒng)組成

圖8.2顯示了一個典型的GPIB系統(tǒng)。雖然GPIB是將數(shù)據(jù)導入計算機的一種方法，但這與使用插入計算機中的板卡進行數(shù)據(jù)采集還是不同的。通過一個特殊的協(xié)議，GPIB可以與另外的計算機或儀器實現(xiàn)對話，而數(shù)據(jù)采集則將信號直接連接在計算機中的數(shù)據(jù)采集卡上。圖8.2一個典型的GPIB系統(tǒng)當系統(tǒng)工作時，在測試過程的不同階段，同一臺儀器可行使不同的職能，按儀器所起的作用可將GPIB設備分為以下三類：

(1)講者：向一個或多個聽者發(fā)送數(shù)據(jù)消息。

(2)控制器：由計算機擔任，通過向所有的設備發(fā)送命令來管理GPIB上的信息流。

(3)聽者：接收講者發(fā)來的數(shù)據(jù)消息。

一個GPIB設備可以屬于多個分類。例如，數(shù)字電壓萬用表既可以作為講者，也可以作為聽者?？刂破鞯淖饔门c計算機中央處理器的作用類似。在一個GPIB系統(tǒng)中允許有多個控制器，但在任意時刻僅能有一個控制器起作用，即在總線上發(fā)送接口消息和命令。8.2.3GPIB消息

測試系統(tǒng)的核心是信息傳遞，儀器間通過接口總線傳輸?shù)母鞣N信息在GPIB系統(tǒng)中稱之為消息，因此儀器之間的通信就是發(fā)送和接收消息的過程。GPIB傳送兩類消息：接口消息和器件消息。

(1)接口消息。接口消息用于管理接口本身的消息，可以實現(xiàn)如總線初始化、設備尋址或地址釋放以及為遠程或本地編程設置設備模式的任務，通常也稱為命令消息。

(2)器件消息。器件消息是指與器件功能相關的消息，通常稱為數(shù)據(jù)消息，例如程序指令、測量結果、機器狀態(tài)和數(shù)據(jù)文件。器件消息是指由講者發(fā)送聽者接收的消息。8.2.4總線構成

GPIB是一個數(shù)字式的24線并行總線，包括16條信號線和8條接地線。16條信號線可以分為3組：8條雙向數(shù)據(jù)線、5條接口管理線和3條數(shù)據(jù)傳送控制線(握手線)，如圖8.3所示。GPIB使用8位并行、字節(jié)串行的雙向異步通信方式進行數(shù)據(jù)傳遞。由于GPIB的數(shù)據(jù)單位是字節(jié)(8位)，因此數(shù)據(jù)一般以ASCII碼字符串方式傳送。信號線采用TTL負邏輯電平，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達1?MB/s。圖8.3GPIB總線

(1)?8條數(shù)據(jù)線(DIO1～DIO8)：既可以傳送數(shù)據(jù)消息，也可以傳送命令消息。

(2)?5條接口管理線：管理通過接口從設備進入計算機中的信息流。

①ATN(Attention)：注意線。

②SRQ(Service)：服務請求線。

③EOI(EndOrIdentify)：結束或識別線。

④REN(RemoteEnable)：遠程使能線。

⑤IFC(InterFaceClear)：接口清除線。

(3)?3條握手線：為保證系統(tǒng)能準確無誤的進行雙向異步通信，在GPIB系統(tǒng)中采用三線掛鉤技術，通過3條握手線進行彼此聯(lián)絡。三線掛鉤參與每個消息字節(jié)的傳遞過程，用以保證速率不同的設備之間進行可靠通信，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送速度由速度最慢的設備決定。

3條握手線的含義如下：

①DAV(DataValid)：數(shù)據(jù)有效信號線。當DAV=1(低電平)時，DIO線上的數(shù)據(jù)有效。

②NRFD(NotReadyForData)：未準備好接收數(shù)據(jù)線。當NRFD=1時，表示至少有一個設備未準備好接收數(shù)據(jù)。當各接收設備都準備好接收數(shù)據(jù)時，NRFD=0(高電平)。③NDAC(NotDataAccepted)：未接收到數(shù)據(jù)線。當NDAC=1時，表示至少有一個設備還未接收到數(shù)據(jù)。當所有接收設備都接收到數(shù)據(jù)時，NDAC=0(高電平)。8.2.5GPIB函數(shù)

GPIB函數(shù)位于函數(shù)選板【儀器I/O】/【GPIB】中，包含10個函數(shù)和488.2子選板，如圖8.4所示。LabVIEW的GPIB程序可以自動處理尋址和大多數(shù)其他總線管理功能。大多數(shù)的GPIB應用程序只需要從儀器讀、寫數(shù)據(jù)。下面介紹一下GPIB的讀取和寫入函數(shù)，其他GPIB函數(shù)的具體應用實例可參照LabVIEW自帶的范例。圖8.4GPIB函數(shù)選板

1．GPIB寫入函數(shù)

該函數(shù)將數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)寫入地址字符串指定的設備中，其圖標如圖8.5所示。模式指定如何結束GPIB寫入過程，如果在超時毫秒輸入端指定的時間內操作未能完成，則放棄此次操作函數(shù)。

圖8.6中GPIB寫入函數(shù)把“VDC；MEAS1？；”字符串寫入地址等于2的GPIB設備中，采用默認值模式為0，超時毫秒為25000。圖8.5GPIB寫入函數(shù)圖8.6使用GPIB寫入函數(shù)

2．GPIB讀取函數(shù)

該函數(shù)從地址字符串中的GPIB設備中讀取數(shù)量為字節(jié)總數(shù)的字節(jié)，讀取的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)端輸出。用戶必須把讀取的字符串轉換成數(shù)值數(shù)據(jù)后，才能進行數(shù)據(jù)處理，例如進行曲線顯示。函數(shù)圖標如圖8.7所示。

圖8.8中GPIB讀取函數(shù)從地址等于2的設備中讀取20個字節(jié)的數(shù)據(jù)。該程序使用的默認值模式為0，超時毫秒為25000。如果讀夠了20個字節(jié)，或檢測到EOI，或超出25000?ms時間，讀取過程將結束。圖8.7GPIB讀取函數(shù)圖8.8使用GPIB讀取函數(shù)

說明：GPIB讀取函數(shù)遇到下列情況之一則中止讀取數(shù)據(jù)：①程序已經讀取了所要求的字節(jié)數(shù)；②程序檢測到一個錯誤；③程序操作超出時限；④程序檢測到結束信息(由EOI發(fā)出)；⑤程序檢測到結束字符EOS。

8.3串口通信

8.3.1概述

串口通信是一種常用的數(shù)據(jù)傳輸方法，用于計算機與外設(如圖8.9所示)或者計算機與計算機之間的通信。由于大多數(shù)計算機和GPIB儀器都有內置的RS-232C串行通信接口，因此串口通信非常流行。然而，與GPIB不同，一個串口只能與一個設備進行通信，這對某些應用來說是一個限制。串口通信中發(fā)送方將要傳送的數(shù)據(jù)通過一條通信線路，一位一位地傳送到接收方，數(shù)據(jù)傳輸速度很慢，所以串口通信只適用于速度較低的測試系統(tǒng)。圖8.9計算機與外設的串口通信串口通信的關鍵是如何保證通信雙方準確無誤地進行數(shù)據(jù)傳輸。為了確保通信成功，除硬件連接必須保證正確外，通信雙方必須在軟件上有一系列的約定，通常稱為軟件協(xié)議。軟件協(xié)議包括數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)格式、校驗方法、握手方式等內容。作為發(fā)送方，必須知道什么時候發(fā)送信息，發(fā)什么，對方是否接收到，接收的內容有無錯誤，若有錯誤要不要重發(fā)，怎么通知對方發(fā)送結束等；作為接收方，必須知道對方是否發(fā)送了信息，發(fā)的是什么，收到的信息是否有錯，如果有錯怎么通知對方重發(fā)，怎么判斷結束等。以上的約定必須在編程之前確定下來。一些外設需要用特定字符來結束傳送給它們的數(shù)據(jù)串，常用的結束字符是回車符、換行符或分號等。8.3.2串口通信函數(shù)

串口通信函數(shù)位于函數(shù)選板【儀器I/O】/【串口】中，如圖8.10所示。函數(shù)列表如表8-1所示。

圖8.11所示為串口通信的操作流程。

串口的應用實例可參照LabVIEW自帶的范例BasicSerialWriteandRead.vi。圖8.10串口通信函數(shù)選板圖8.11串口通信操作流程

8.4VISA

8.4.1概述

虛擬儀器軟件架構(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture，VISA)是VXIplug&Play系統(tǒng)聯(lián)盟的35家最大的儀器儀表公司所統(tǒng)一制定的I/O接口軟件標準及其相關規(guī)范的總稱。它的目的是通過減少系統(tǒng)的建立時間來提高效率。隨著儀器類型的不斷增加和測試系統(tǒng)復雜化的提高，人們不希望為每一種硬件接口都要編寫不同的程序，因此I/O接口無關性對于I/O控制軟件來說變得至關重要。當用戶編寫完一套儀器控制程序后，總是希望該程序在各種硬件接口上都能工作，尤其是對于使用VXI儀器的用戶。VISA的出現(xiàn)使用戶的這種希望成為可能，通過調用相同的VISA庫函數(shù)并配置不同的設備參數(shù)，就可以編寫控制各種I/O接口儀器的通用程序。通過VISA用戶能與大多數(shù)儀器總線連接，包括GPIB、USB、串口、PXI、VXI和以太網。而無論底層是何種硬件接口，用戶只需要面對統(tǒng)一的編程接口——VISA。VISA本身并不能提供儀器編程能力，它調用底層代碼來控制硬件的高層應用編程接口(API)，根據(jù)所使用的儀器類型調用相應的驅動程序。

由于VISA是開發(fā)儀器驅動程序的工業(yè)標準，所以NI公司開發(fā)的大多數(shù)儀器驅動程序都是用VISA編寫的。8.4.2VISA的優(yōu)點

使用VISA有很多優(yōu)點，它方便用戶在不同的平臺對不同類型的儀器進行開發(fā)移植及升級測控系統(tǒng)。

(1)?VISA是工業(yè)標準。VISA是整個儀器行業(yè)用于儀器驅動程序的標準API，用戶可以用一個API控制包括GPIB、VXI、串口、USB等不同類型的儀器。

(2)?VISA提供了接口獨立性。無論儀器使用什么樣的接口類型，VISA都用同樣的操作方式與其通信。例如，無論儀器使用的是串口、GPIB接口還是VXI接口，對于一個基于消息的儀器，寫入ASCII字符串的VISA指令都是相同的，因此VISA具有與接口類型無關的特性。這使得VISA更易于在不同的總線接口之間切換，也意味著那些需要為不同接口的儀器編程的用戶只需學習一種API就行了。

(3)?VISA提供了平臺獨立性。把VISA設計成使用VISA函數(shù)調用，很容易把一個平臺上的VISA移植到另一個平臺上。為了保證與平臺無關，VISA嚴格定義了它的數(shù)據(jù)類型，如一個整型變量的字節(jié)數(shù)，在任何一個平臺都是相同的，它的字節(jié)數(shù)大小不會對VISA程序產生影響。VISA函數(shù)調用以及它們的關聯(lián)參數(shù)都可以在任何平臺上通用。用它編寫的軟件可以移植到其他的平臺上并重新編譯。一個LabVIEW程序可以移植到任何一個支持LabVIEW的平臺上。

(4)適應未來發(fā)展。VISA在未來的儀器控制應用中很可能被采用。8.4.3VISA函數(shù)

VISA函數(shù)位于函數(shù)選板【儀器I/O】/【VISA】中，如圖8.12所示。

可以使用VISA函數(shù)與GPIB設備通信，程序框圖如圖8.13所示。圖8.12VISA函數(shù)選板圖8.13VISA通信程序框圖

8.5儀器驅動程序

8.5.1概述

儀器驅動程序是一個用于控制特定儀器的軟件。使用儀器驅動程序避免了學習每個儀器復雜而低級的編程命令。LabVIEW儀器驅動程序是一組LabVIEWVI，用于與使用

了VISAI/O功能函數(shù)的儀器進行通信。每個VI都對應一個操作步驟，如設置屬性、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)和啟動儀器等，這樣用戶就無需學習復雜的、底層的、針對每個儀器的編程指令。

圖8.14所示為典型標準儀器驅動程序結構模型圖。圖8.14典型標準儀器驅動程序結構模型8.5.2查找和安裝儀器驅動程序

LabVIEW儀器驅動程