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隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各類(lèi)實(shí)驗研究的對象和方法也越來(lái)越復雜，相對應的實(shí)驗系統及實(shí)驗平臺的復雜度也成幾何增長(cháng)。傳統的人工操作在精確度及重復性上已遠遠不能滿(mǎn)足要求。于是儀器設備的高度可集成化和可自動(dòng)化已成為當代儀器必不可少的特性。但不同實(shí)驗系統所要求的測量參數和步驟均不同，因此所需要的實(shí)驗儀器系統同時(shí)也應該是可模塊化并且可自主集成的。虛擬儀器(VIs)概念的提出使得可以利用傳統的儀器設備來(lái)搭建不同的實(shí)驗平臺。并且由于VI是可編程和可程控的，這樣可以依據不同的實(shí)驗要求來(lái)改變實(shí)驗平臺的設計�；赩I的平臺相比較于商業(yè)化的集成平臺有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)勢：a．利用各類(lèi)傳統儀器即可搭建復雜的系統；b．平臺的功能可以通過(guò)程序的改變而簡(jiǎn)單地變換；c．在避免復雜的重復性測量工作的同時(shí)，實(shí)驗的準確性也得到了顯著(zhù)的提高。 1 精密阻抗分析系統的搭建 Agilent 4294A精密阻抗分析儀主要應用于測量材料的各類(lèi)電阻、電抗、電容等參數。其高精度、可多次掃描和多參數設置使得其被廣泛應用于各類(lèi)半導體薄膜材料、納米材料和工程材料的特性測試。然而他在實(shí)驗系統的搭建中很難被集成，其主要原因是：a．缺乏方便的儲存載體；b．掃描測量需要人工進(jìn)行大量反復的數據記錄；c．單次掃描無(wú)法自動(dòng)重復進(jìn)行。但4294A內部已集成HP公司開(kāi)發(fā)的IBASIC語(yǔ)言系統以及多個(gè)移位寄存器來(lái)進(jìn)行狀態(tài)儲存和識別，同時(shí)配備有 GPIB接口，因此可以利用PCI轉接GPIB卡來(lái)使4294A同個(gè)人電腦進(jìn)行數據通信及存儲。 在對于VI的設計上，選用NI公司開(kāi)發(fā)的Labview軟件。作為NI公司推出的第一款VI設計軟件，由于其高度的通用性以及高效的人機交互界面，Labview已被廣泛應用于各類(lèi)實(shí)驗儀器平臺的搭建和設計。利用Labview 8．0來(lái)進(jìn)行GPIB口地址選擇、指令輸送接收、儀器參數設定、測量指令觸發(fā)、波形繪制以及數據存儲功能的實(shí)現。 在連接上，利用ADLINK PXI-3488 GPIB卡以及GPIB專(zhuān)用通信數據線(xiàn)來(lái)實(shí)現。因此實(shí)驗系統的搭建如圖1所示。 2 Labview實(shí)驗程序的編寫(xiě) 需要利用Labview來(lái)完美實(shí)現Agi lent 4294A的各個(gè)功能。利用GPIB口可以將PC同4294A連接起來(lái)，并利用SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)指令來(lái)對儀器進(jìn)行狀態(tài)查詢(xún)和程序控制。4294A擁有儲存儀器狀態(tài)的一套完整的狀態(tài)寄存器。因此通過(guò)調用查詢(xún)寄存器不同位的數值就可以判斷測量參數設定是否完畢，掃描是否啟動(dòng)或停止，以及數據是否讀入。4294A的寄存器結構是一個(gè)典型的層級結構，如圖2所示。通過(guò)對事件寄存器以及狀態(tài)位寄存器相應位的查詢(xún)即可知道儀器詳細的操作狀態(tài)。 對于儀器控制部分的程序編寫(xiě)，主要分為以下幾個(gè)部分：a．儀器參數設定部分；b．圖形繪制和數據顯示部分；c．數據記錄及儲存部分。 2．1 儀器參數設定程序 對于4294A的自動(dòng)控制首先要實(shí)現對其面板參數的程序化控制，因此需要構建一個(gè)虛擬前面板來(lái)模擬儀器的控制面板，同時(shí)在程序設計部分妻實(shí)現對各個(gè)參數的設定和調整。參數設置虛擬前面板及其對應的程序框圖如圖3和4所示。 從圖4可以看出，首先對于連接于不同GPIB地址的4294A儀器，我們可以利用面板右下方的地址搜索欄來(lái)找尋到所需要的儀器地址。之后，利用不同的輸入變量類(lèi)型及SCPI對普通字符串的轉換將晦澀的機器讀取命令轉換成簡(jiǎn)易識別的命令選項呈現在參數設置前面板中，用戶(hù)只需要通過(guò)前面板上的簡(jiǎn)單命令選擇，即可以向儀器發(fā)出SCPI命令代碼。然而由于4294A從GPIB口讀取數據需要考慮時(shí)延的問(wèn)題，同時(shí)設計了一個(gè)用于識別SCPI指令的顯示框。在確認命令輸入無(wú)誤后，即可點(diǎn)擊"寫(xiě)入命令到4294A中"按鈕來(lái)完成參數的設置。 當點(diǎn)擊了該按鈕后，由于大量GPIB口寫(xiě)入的SCPI命令需要一定的時(shí)間來(lái)完成，同時(shí)還需考慮Labview程序本身存在的延時(shí)，我們必須保證在進(jìn)行后續操作之前，這些寫(xiě)入的命令已執行完畢。對于輸入命令是否完成，我們需要對SRQ中的只讀狀態(tài)寄存器層進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，并讀取相應位置的狀態(tài)，當該位的返回值為l 的時(shí)候，則證明數據寫(xiě)入完畢，可以執行下步操作。這一過(guò)程相應的程序框圖如圖5所示。 從圖5中還可以看出，在利用SCPI命令"*OPC?"命令讀取狀態(tài)寄存器中命令寫(xiě)入狀態(tài)位的數值并判斷其為1后，還將繼續進(jìn)行掃描次數的設定，利用條件結構和While循環(huán)來(lái)實(shí)現單次掃描或多次掃描間的選擇和切換。同樣，在掃描參數設定的模塊中，也設計有一個(gè)SCPI命令的顯示窗口，在判斷命令正確無(wú)誤后，則可以點(diǎn)擊"START"按鈕，通過(guò)GPIB口人工向儀器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號，從而開(kāi)始數據的測量。 2．2 圖形繪制和數據顯示程序 4294A一個(gè)重要的性能即是顯示所測量數據，如電阻、電容、介電損耗等特性的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。因此，我們在記錄儀器數據的同時(shí)，還需要添加圖形繪制模塊，這樣不僅可以驗證程序的準確性，同時(shí)也增加了程序的實(shí)用性。該部分的前面板及程序如圖6、7所示。 2．3 數據記錄及儲存程序 在測量結束，圖形繪制完畢后，還需要將所有的數據進(jìn)行保存，以便進(jìn)行后續結果的分析，如介電常數的計算等。實(shí)驗數據的保存部分程序框圖如圖8所示。 可見(jiàn)，利用一個(gè)膠片結構，數據A、數據B、及掃描參數被分別進(jìn)行存儲。因為所讀取出來(lái)的數據是一個(gè)雙精度實(shí)數的數組類(lèi)型，我們需要利用一個(gè)While循環(huán)及一個(gè)數組轉換為動(dòng)態(tài)數據單元來(lái)把數據逐個(gè)寫(xiě)入。當寫(xiě)入結束后，再將所有數據保存為一個(gè)．1vm格式的文件。該文件可以被各類(lèi)文檔編輯類(lèi)程序打開(kāi)并修改，十分便于后處理。 3 實(shí)驗結果驗證及分析 為了對實(shí)驗程序進(jìn)行可行性及準確度的確認，我們將虛擬前面板繪制出的圖形(圖9)、記錄數據進(jìn)行后處理所繪制的圖形(圖10)以及儀器本身面板所顯示的圖形(圖11)這3者進(jìn)行了對比，如圖所示。 可見(jiàn)，3個(gè)圖形在數據A和數據B 的波形及數據精度上都十分吻合。這證實(shí)了該自動(dòng)化控制程序的準確性和實(shí)用性。 4 總結 利用Labview程序及GPIB接口通信，成功實(shí)現了自動(dòng)化精密阻抗分析系統的搭建。結果表明，此平臺的精度和準確性都完美保留了原儀器的性能；同時(shí)，還實(shí)現了大量數據重復測量的自動(dòng)化。此平臺中的GPIB卡還擁有15個(gè)外接接口，即意味著(zhù)還可以連接15臺其它儀器進(jìn)行更加復雜的自動(dòng)化實(shí)驗平臺的搭建。同時(shí)，利用Labview程序的Web功能，我們甚至可以利用internet或LAN來(lái)實(shí)現對該系統的遠程控制。 |
