基于Labview的自動(dòng)化精密阻抗分析系統(tǒng)

　0 引言
　　
　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各類實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象和方法也越來越復(fù)雜，相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的復(fù)雜度也成幾何增長。傳統(tǒng)的人工操作在精確度及重復(fù)性上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。于是儀器設(shè)備的高度可集成化和可自動(dòng)化已成為當(dāng)代儀器必不可少的特性。但不同實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所要求的測量參數(shù)和步驟均不同，因此所需要的實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)同時(shí)也應(yīng)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(tǒng)的儀器設(shè)備來搭建不同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。并且由于VI是可編程和可程控的，這樣可以依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求來改變實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)?；赩I的平臺(tái)相比較于商業(yè)化的集成平臺(tái)有著顯著的優(yōu)勢：a．利用各類傳統(tǒng)儀器即可搭建復(fù)雜的系統(tǒng)；b．平臺(tái)的功能可以通過程序的改變而簡單地變換；c．在避免復(fù)雜的重復(fù)性測量工作的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性也得到了顯著的提高。
　　
　　1 精密阻抗分析系統(tǒng)的搭建
　　
　　Agilent 4294A精密阻抗分析儀主要應(yīng)用于測量材料的各類電阻、電抗、電容等參數(shù)。其高精度、可多次掃描和多參數(shù)設(shè)置使得其被廣泛應(yīng)用于各類半導(dǎo)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(yàn)系統(tǒng)的搭建中很難被集成，其主要原因是：a．缺乏方便的儲(chǔ)存載體；b．掃描測量需要人工進(jìn)行大量反復(fù)的數(shù)據(jù)記錄；c．單次掃描無法自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行。但4294A內(nèi)部已集成HP公司開發(fā)的IBASIC語言系統(tǒng)以及多個(gè)移位寄存器來進(jìn)行狀態(tài)儲(chǔ)存和識(shí)別，同時(shí)配備有GPIB接口，因此可以利用PCI轉(zhuǎn)接GPIB卡來使4294A同個(gè)人電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)通信及存儲(chǔ)。
　　
　　在對(duì)于VI的設(shè)計(jì)上，選用NI公司開發(fā)的Labview軟件。作為NI公司推出的第一款VI設(shè)計(jì)軟件，由于其高度的通用性以及高效的人機(jī)交互界面，Labview已被廣泛應(yīng)用于各類實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)的搭建和設(shè)計(jì)。利用Labview 8．0來進(jìn)行GPIB口地址選擇、指令輸送接收、儀器參數(shù)設(shè)定、測量指令觸發(fā)、波形繪制以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)。
　　
　　在連接上，利用ADLINK PXI-3488 GPIB卡以及GPIB專用通信數(shù)據(jù)線來實(shí)現(xiàn)。因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建如圖1所示。

　　
　　2 Labview實(shí)驗(yàn)程序的編寫
　　
　　需要利用Labview來完美實(shí)現(xiàn)Agi lent 4294A的各個(gè)功能。利用GPIB口可以將PC同4294A連接起來，并利用SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)指令來對(duì)儀器進(jìn)行狀態(tài)查詢和程序控制。4294A擁有儲(chǔ)存儀器狀態(tài)的一套完整的狀態(tài)寄存器。因此通過調(diào)用查詢寄存器不同位的數(shù)值就可以判斷測量參數(shù)設(shè)定是否完畢，掃描是否啟動(dòng)或停止，以及數(shù)據(jù)是否讀入。4294A的寄存器結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的層級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過對(duì)事件寄存器以及狀態(tài)位寄存器相應(yīng)位的查詢即可知道儀器詳細(xì)的操作狀態(tài)。

　　
　　對(duì)于儀器控制部分的程序編寫，主要分為以下幾個(gè)部分：a．儀器參數(shù)設(shè)定部分；b．圖形繪制和數(shù)據(jù)顯示部分；c．?dāng)?shù)據(jù)記錄及儲(chǔ)存部分。

　
　　2．1 儀器參數(shù)設(shè)定程序
　　
　　對(duì)于4294A的自動(dòng)控制首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)其面板參數(shù)的程序化控制，因此需要構(gòu)建一個(gè)虛擬前面板來模擬儀器的控制面板，同時(shí)在程序設(shè)計(jì)部分妻實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整。參數(shù)設(shè)置虛擬前面板及其對(duì)應(yīng)的程序框圖如圖3和4所示。

　　
　　從圖4可以看出，首先對(duì)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找尋到所需要的儀器地址。之后，利用不同的輸入變量類型及SCPI對(duì)普通字符串的轉(zhuǎn)換將晦澀的機(jī)器讀取命令轉(zhuǎn)換成簡易識(shí)別的命令選項(xiàng)呈現(xiàn)在參數(shù)設(shè)置前面板中，用戶只需要通過前面板上的簡單命令選擇，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(shù)據(jù)需要考慮時(shí)延的問題，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)用于識(shí)別SCPI指令的顯示框。在確認(rèn)命令輸入無誤后，即可點(diǎn)擊"寫入命令到4294A中"按鈕來完成參數(shù)的設(shè)置。
　　
　　當(dāng)點(diǎn)擊了該按鈕后，由于大量GPIB口寫入的SCPI命令需要一定的時(shí)間來完成，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(xù)操作之前，這些寫入的命令已執(zhí)行完畢。對(duì)于輸入命令是否完成，我們需要對(duì)SRQ中的只讀狀態(tài)寄存器層進(jìn)行訪問，并讀取相應(yīng)位置的狀態(tài)，當(dāng)該位的返回值為l的時(shí)候，則證明數(shù)據(jù)寫入完畢，可以執(zhí)行下步操作。這一過程相應(yīng)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)寄存器中命令寫入狀態(tài)位的數(shù)值并判斷其為1后，還將繼續(xù)進(jìn)行掃描次數(shù)的設(shè)定，利用條件結(jié)構(gòu)和While循環(huán)來實(shí)現(xiàn)單次掃描或多次掃描間的選擇和切換。同樣，在掃描參數(shù)設(shè)定的模塊中，也設(shè)計(jì)有一個(gè)SCPI命令的顯示窗口，在判斷命令正確無誤后，則可以點(diǎn)擊"START"按鈕，通過GPIB口人工向儀器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，從而開始數(shù)據(jù)的測量。
　　
　　2．2 圖形繪制和數(shù)據(jù)顯示程序
　　
　　4294A一個(gè)重要的性能即是顯示所測量數(shù)據(jù)，如電阻、電容、介電損耗等特性的實(shí)時(shí)曲線。因此，我們?cè)谟涗泝x器數(shù)據(jù)的同時(shí)，還需要添加圖形繪制模塊，這樣不僅可以驗(yàn)證程序的準(zhǔn)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(shù)據(jù)記錄及儲(chǔ)存程序
　　
　　在測量結(jié)束，圖形繪制完畢后，還需要將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便進(jìn)行后續(xù)結(jié)果的分析，如介電常數(shù)的計(jì)算等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存部分程序框圖如圖8所示。

　　
　　可見，利用一個(gè)膠片結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)A、數(shù)據(jù)B、及掃描參數(shù)被分別進(jìn)行存儲(chǔ)。因?yàn)樗x取出來的數(shù)據(jù)是一個(gè)雙精度實(shí)數(shù)的數(shù)組類型，我們需要利用一個(gè)While循環(huán)及一個(gè)數(shù)組轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)單元來把數(shù)據(jù)逐個(gè)寫入。當(dāng)寫入結(jié)束后，再將所有數(shù)據(jù)保存為一個(gè)．1vm格式的文件。該文件可以被各類文檔編輯類程序打開并修改，十分便于后處理。
　　
　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證及分析
　　
　　為了對(duì)實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行可行性及準(zhǔn)確度的確認(rèn)，我們將虛擬前面板繪制出的圖形(圖9)、記錄數(shù)據(jù)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(duì)比，如圖所示。

　　
　　可見，3個(gè)圖形在數(shù)據(jù)A和數(shù)據(jù)B 的波形及數(shù)據(jù)精度上都十分吻合。這證實(shí)了該自動(dòng)化控制程序的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。
　　
　　4 總結(jié)
　　
　　利用Labview程序及GPIB接口通信，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化精密阻抗分析系統(tǒng)的搭建。結(jié)果表明，此平臺(tái)的精度和準(zhǔn)確性都完美保留了原儀器的性能；同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)重復(fù)測量的自動(dòng)化。此平臺(tái)中的GPIB卡還擁有15個(gè)外接接口，即意味著還可以連接15臺(tái)其它儀器進(jìn)行更加復(fù)雜的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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來實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。