基于GPIB的電源自動化管理在武器產品測試中的應用

楊東升

中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009

引 言

電源組件提供產品在實驗中所需的直流和交流電源，包含多個程控直、交流電源。以往的試驗系統(tǒng)對電源的管理相對簡單，試驗中必須由專門人員監(jiān)察電源電流是否正常，若電流出現異常時，人為斷開電源以保護產品。試驗系統(tǒng)存在操作人員多、緊急情況響應速度慢、數據利用不充分等問題。

本文通過GPIB總線，把總控制臺計算機和多臺程控電源連接，組成以計算機為控制核心的網絡化自動電源管理系統(tǒng)。本文詳細闡述了利用GPIB/GPIB-488.2函數庫和SCPI命令集對電源控制的原理。通過軟件設計實現對各路輸出電源進行實時監(jiān)控；讀取、記錄電源流數據等功能。

1 GPIB總線技術概述

GPIB接口也稱作HP-IB ,是上世紀六七十年代美國惠普公司發(fā)明的一種通用儀器接口系統(tǒng), IEEE 將其完善并推廣為行業(yè)標準——IEEE488。GPIB接口一般傳輸速率大約為1MB/s,在測試領域有廣泛應用[1]。

GPIB 是一種數字化并行總線,共有24根,包括16 根信號線、8 根地址線。16 根信號線又包括8根數據線、5 根控制線和3根握手線。8根數據線為DIO1～DIO8；5根控制線分別為ATN (Attention)，IFC(Interface Clear)，REN（Remote Enable），EOI（End Or Identify），SRQ（Service Request）；3根握手線分別 為 DAV（Data Valid），NRFD（Not ReadyFor Data），NDAC（Not Data Accept）[2]。

利用GPIB接口可以將多臺帶有GPIB接口的儀器組合形成較大的自動測試系統(tǒng)，系統(tǒng)組建和拆散靈活。基于GPIB總線的測試系統(tǒng)便于擴展傳統(tǒng)儀器的功能，可在計算機的控制下對測試數據進行靈活的傳輸、處理、綜合、利用和顯示，使原來儀器采用硬件邏輯很難解決或無法解決的問題迎刃而解[3]。

2 電源自動管理硬件系統(tǒng)設計

電源自動管理系統(tǒng)硬件組成包含以下四部分：多路直流、交流供電電源；GPIB接口；控制計算機系統(tǒng)；若干GPIB電纜。

各部分的作用為：直流、交流供電電源為武器產品正常工作提供能源；控制用計算機系統(tǒng)用于控制電源輸出，讀取并存儲電源工作電壓、工作電流數據，是電源自動管理系統(tǒng)的控制核心；GPIB接口以及GPIB電纜為控制信號和數據信號的傳輸提供物理層支持。

利用GPIB電纜把帶有GPIB接口的程控電源和主控計算機聯接成網絡化的電源自動管理系統(tǒng)。GPIB系統(tǒng)的連接方式可以是線型、星型或者混合拓撲型。電源自動管理系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 電源自動管理系統(tǒng)硬件組成框圖

系統(tǒng)網絡連接好后，需要對系統(tǒng)的每個GPIB設備分配1～31之間任意數值的地址，各設備地址不能沖突。

3 電源自動管理系統(tǒng)軟件設計方法

本系統(tǒng)利用NI公司LabWindowsCVI軟件作為開發(fā)工具，利用GPIB/GPIB-488.2函數庫和可程控儀器標準命令集SCPI(Standard commands for programmable instruments)實現了對電源設備的自動控制。

3.1 通過GPIB總線對程控電源控制及測量的軟件實現原理

通過GPIB總線實現對程控電源控制以及測量是電源自動管理系統(tǒng)軟件設計的核心。利用GPIB/GPIB-488.2函數庫和SCPI命令集可以實現通過GPIB總線對程控電源的輸出控制以及測試等功能。

GPIB/GPIB-488.2函數庫共包含10個子類，具有打開/關閉GPIB設備、配置總線、讀/寫I/O、控制GPIB設備、控制總線等功能。

SCPI是架構在IEEE488.2上的可程控儀器標準指令集。整個SCPI 命令可分為兩個部分,一是IEEE488.2 公用命令,另一部分是SCPI 儀器特定控制命令。公用命令用來控制重設、自我測試和狀態(tài)操作，與特定測量無關；SCPI中的儀器特定控制命令是與儀器控制測量相關的[4]。

SCPI給出了描述儀器功能的 “樹型網絡”通用儀器模型，根據測試和控制需要，沿著“樹型網絡”從樹頂開始向下尋找各分支，找到了系統(tǒng)具體的功能塊，將多個儀器功能的助記符連起來構成一個復合詞，而助記符之間用冒號隔開，以得到一個完整的功能的SCPI 的指令。SCPI 的指令結構示意如圖2所示，圖2中A、B、C、D、E、分別表示各功能的助記符，圖2 中子功能1的 SCPI指令為 A：C：E[5]。

圖2 SCPI指令結構示意圖

以下舉例說明利用GPIB/GPIB-488.2函數庫和SCPI命令集實現通過GPIB總線對程控電源的輸出控制以及測試。設置電源的GPIB地址為Dev_Addr_n。

a) 控制設備的輸出狀態(tài)：

b) 設置電源輸出電壓45V的實現：

c) 讀取設備的電流直流輸出大小：

GPIB/GPIB-488.2函數庫和SCPI命令集是實現電源設備的自動控制的基礎，利用兩個標準函數集可實現GPIB總線對標準程控設備的控制。

3.2 電源自動管理系統(tǒng)原理設計

在利用兩個標準函數集實現對標準程控設備的控制的基礎上,本系統(tǒng)運用LabWindowsCVI軟件，設計開發(fā)了符合武器產品試驗需求的電源自動管理系統(tǒng),使系統(tǒng)具備以下的功能：實現對各個電源電流、電壓的輸出控制；各路輸出電源進行實時檢測、監(jiān)控，保證產品的安全；讀取記錄電源的電流數據，為試驗分析提供電源歷史數據。

電源管理系統(tǒng)是武器產品測試軟件系統(tǒng)中的子單元,電源管理軟件流程要與武器產品測試流程相適應。根據武器產品測試流程，電源管理系統(tǒng)分為3個子功能模塊：電源初始化、電源輸出控制、電源監(jiān)視。各個子功能模塊的原理框圖以及電源自動管理系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 電源自動管理系統(tǒng)工作流程圖

電源自動管理系統(tǒng)工作流程如下所述：

a) 試驗開始，根據試驗項目初始化電源，通過GPIB總線配置多路電源的工作狀態(tài)，配置內容包括：電源是否工作、電源輸出電壓，最大輸出電流等，配置完成后返回電源初始化好，返回主測試程序；

b) 通過人際友好界面獲得“武器產品加電”指令，控制電源輸出狀態(tài)為“ON”，啟動電流采集計時器中斷，返回主測試程序；

c) 在主程序運行中，電流采集計時器定時產生中斷，并進入電源監(jiān)視程序塊，實現對電流的采集、保存和正確性判讀。若出現非正常電流數據，啟動自動斷電計時器，連續(xù)測得數個非正常電流數據后，斷開電源供電；

d) 通過人際友好界面獲得“武器產品斷電”指令，控制電源輸出狀態(tài)為“OFF”，終止電流采集計時器，返回主測試程序。

4 結束語

應用以往的試驗系統(tǒng)進行試驗時，必須由專門人員監(jiān)察電源電流是否正常，若電流出現異常時，人為斷開電源以保護產品。試驗系統(tǒng)存在操作人員多、緊急情況響應速度慢、數據利用不充分等問題。采用GPIB總線技術可以實現計算機對程控電源設備的自動控制，采用GPIB電纜組成網絡化的電源系統(tǒng)，充分利用計算機軟件功能實現多種實用的電源控制測試功能，使測試電源系統(tǒng)實現自動化管理，解決電源管理中的實際問題。

[1]王瑩,陳健.基于GPIB總線的自動測試系統(tǒng)[J].廣東工業(yè)大學學報,2005,22(3)：68-69

[2]毛義梅,張 晶.基于GPIB接口總線的虛擬儀器設計[J].儀器儀表學報,2001,22(4)：281-283

[3]李建華等.數據接口總線GPIB 及其應用[J].中國測試技術,2004,30(6)：63-66

[4]史君成等.LABWindows虛擬儀器設計[M].北京：國防工業(yè)出版社,2007

[5]井濤,郭永瑞. 一種實用的SCPI 語法分析設計方法[J].國外電子測量技術,2006,25(2)：42-44