基于IVI驅動的真空熱試驗數據采集系統軟件開發

朱 熙，劉 波，吳東亮，安萬慶，王擎宇（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

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基于IVI驅動的真空熱試驗數據采集系統軟件開發

朱 熙，劉 波，吳東亮，安萬慶，王擎宇
（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

摘要：目前國內大型空間環境模擬器配備了多種型號的數據采集系統，主要負責完成對多種數據信號的綜合測試。文章以Keithley 3706數據采集系統為設計對象，在VB6.0的開發環境中設計了基于IVI驅動的數據采集軟件，給出了IVI驅動的設計過程及軟件代碼。實踐表明，IVI驅動的引入提高了數據采集系統的開發效率，降低了研制成本，實現了數據采集系統的硬件無關性。

關鍵詞：真空熱試驗；數據采集系統；軟件設計；IVI驅動

http://www.bisee.ac.cnE-mail: htqhjgc@126.comTel:(010)68116407, 68116408, 68116544

0　引言

真空熱試驗數據采集系統是空間環境模擬器測控系統的重要分系統，在航天器空間環境試驗過程中負責協助完成對多種數據信號的綜合測試，包括溫度、熱流、電壓、電流等[1]，為溫度監視及控制提供依據。因真空熱試驗具有長時間連續運行的特點，要求數據采集系統具有很高的可靠性和過程能力。

隨著空間環境模擬實驗對數據采集的要求越來越高，包括采集點數更多、速度更快、穩定性更高等，目前國內大型空間環境模擬器的數據采集系統配備了Agilent 4411、Keithley 2750、Keithley 3706等多種型號測量儀器。不同型號的測量儀器只能使用其專用的測試軟件，不具備測量儀器硬件的互換性和測試軟件的通用性。而對作為測試系統核心的測試軟件，真空熱試驗數據采集系統工程師們研究的重點主要是對現有的軟件進行改進，使得其在測量儀器更新換代后可直接應用于新的測試系統，從而延長數據采集系統的壽命，降低測試軟件維護開發成本。我們將IVI（Interchangeable Virtual Instrument）技術應用于該采集系統，基本實現了其與測試儀器的硬件無關性。

本文以Keithley 3706數據采集儀器（以下簡稱3706數采儀器）為設計對象，提出了一種基于IVI驅動的數據采集系統的軟件設計方法。

1　系統介紹

1.1總體架構

由3706數采儀器構成的數據采集系統如圖1所示，衛星上熱電偶、熱流計等傳感器通過電纜匯集于容器內接插件，通過穿墻插頭將信號引至容器外的數采儀器上[2]；數采儀器配置在數據采集現場，服務器和客戶端計算機配置在集中控制室，它們之間以LAN接口通過交換機進行通信；數據采集計算機將測量數據保存在本地以及主服務器中，主服務器將測量數據發布到各監視計算機上。每臺3706數采儀器具備獨立的IP地址，測試軟件通過發送指令控制數采儀器，可以并行采集。

圖1　數據采集系統結構圖Fig. 1　Configuration diagram of the data acquisition system

1.23706數采儀器特點

3706數采儀器是首款達到LXI-B級標準的系統儀器，LXI是以太網技術在儀器領域的擴展，具有其他平臺不可超越的優勢；可選配的高性能集成DMM能夠實現快速、低噪聲測量，分辨率可達7位半，具有高穩定性、高精度以及高靈敏度測試等優點；支持13種內置測量功能，包括直流/交流電壓、直流/交流電流、兩線電阻、四線電阻等[3]。通過安裝不同的多路轉換開關模塊，3706數采儀器可以組成不同測量能力的多路數據采集系統。根據航天器真空熱試驗的測量需求，選擇3721多路轉換開關模塊，每塊開關具有40路雙線制測量通道（或20路四線制測量通道）以及2路電流測量通道。本數據采集系統包含10臺3706數采儀器，每臺儀器安裝了5塊3721多路轉換開關，可以進行1960路雙線制測量、20路四線制電阻測量以及20路電流測量的組態配置。

2　基于IVI驅動的程序設計

2.1IVI儀器驅動特點

隨著總線技術的發展，儀器驅動器已經成為組建測試系統、設計測試軟件、完成儀器控制的一個重要工具。從目前儀器驅動器技術發展現狀來看，其設計格式、接口軟件等相關技術問題有了統一標準，但更換不同型號的測量儀器時需要修改測試程序，以適應新的儀器及儀器驅動器。為了提高儀器的互換性和程序開發效率，NI、Tektronix等公司成立了IVI基金會[4]。該基金會為儀器驅動程序制定了新的編程接口標準，在符合該標準驅動的基礎上設計完成的測試軟件實現了與測試儀器的無關性。IVI儀器驅動器主要有以下優點：

1）使測量儀器具備可互換性[5]。IVI儀器驅動器可被置于包含不同儀器的多種儀器系統中，當采集系統更換不同類型的儀器時，在程序中只需更新該儀器的驅動，測試系統開發者在編寫軟件時可以做到最大程度地與硬件無關。

2）具備狀態緩存功能。IVI驅動器能夠自動對儀器當前的狀態進行緩存，在下一周期測量時不需要重新設置儀器參數。每次測量時對儀器狀態進行檢查，只有當參數設置改變時，才將設置參數發送給儀器。這樣可以避免不必要的參數重置，從而改善儀器測量性能。

3）具備仿真功能。該功能可以實現在不使用儀器時，在程序中調用儀器驅動器，為儀器開發應用程序代碼，并檢查輸入參數以及產生仿真的輸出結果[6]。IVI驅動程序結構如圖2所示。圖中，IVI儀器類驅動器是一組與儀器屬性無關的函數，用于控制某一類型的儀器，提供儀器可互換的IVI驅動。IVI特定的儀器驅動器是包含了一組控制某一特定儀器信息的函數，一般由儀器生產商提供該儀器的IVI特定驅動器。IVI引擎完成由儀器類驅動器到特定的儀器驅動器的映射功能。IVI配置文件中包含了儀器類驅動器以及特定的儀器驅動器的信息。IVI驅動程序流程如下：測試程序調用IVI儀器類驅動程序，IVI儀器類驅動程序調用IVI引擎或IVI特定的儀器驅動器通過VISA I/O來控制具體的儀器設備。在IVI驅動程序的工作機制中，當采集系統更換不同類型的儀器時，只需安裝該儀器的IVI特定驅動器，修改相應的IVI配置文件，而不用對測試程序進行任何改動即可測試，實現了測試硬件的互換性以及測試軟件的硬件無關性。屬性名稱都以Ke37XX為前綴開頭。

2）數采儀器初始化設置

儀器初始化設置主要功能是清空數采儀器的寄存器中的內容，其代碼如下：

driver(DVM(1)).Initialize

TCPIP::169.254.50.1::INSTR, False, False

2.2IVI驅動程序設計

IVI基金會主要對數字多用表、示波器、任意波形發生器、開關、電源、功率計、射頻信號發生器以及頻譜分析儀這8類儀器制定了驅動程序[7]。IVI類驅動器為這8類儀器固有的函數和屬性，在測試軟件中可直接調用該類驅動器。IVI特定的儀器驅動器由該儀器生產商提供，在開發測試軟件前應先安裝該儀器的特定驅動器然后進行調用。

目前，實現IVI驅動有2種方法，即IVI-C和IVI-COM[8]。IVI-C是基于VPP規范和標準的編程模型，只能通過LabWindows/CVI開發環境生成；IVI-COM是基于COM（component object model）組件對象模型，可以通過VB、VC++、LabView、Delphi、LabWindows/CVI等不同開發環境生成，其兼容性和可移植性較好[9]。本文采用VB6.0開發環境實現3706數采系統的IVI-COM驅動，具體步驟如下。

1）引入IVI驅動

為了在測試程序中使用IVI驅動，就必須先配置系統以使得IVI驅動可以與具體的儀器驅動相交互。首先安裝Keithley 3700系列的IVI驅動，即“Ke37XX.msi”；安裝完畢后，在計算機上生成數字多用表的IVI類驅動器以及3700系列的IVI特定儀器驅動器；在VB環境下添加IVI驅動庫，即“IVI ke37XX 2.1Type Library”，該驅動庫為IVI特定的儀器驅動器，其生成的所有驅動器函數以及

driver(DVM(1)).status.Clear

driver(DVM(1)).Channel.OpenAll

DVM(1)表示該數采儀器為第1臺儀器，代碼在這里表示對IP為169.254.50.1的數采儀器進行初始化設置，然后清空儀器狀態寄存器中的內容，最后將所有通道置為開啟狀態。

3）儀器通道參數設置

通道參數包括測量信號類型以及測量量程。通道參數設置代碼如下：

driver(DVM(1)).Scan.CreateScanList 1001, dmm_dcvolts

driver(DVM(1)).Measurement.Range = 0.1

代碼在這里表示對第1臺數采儀器的1001通道進行設置，測量類型為直流電壓，測量最大值為0.1V。在設置通道參數時，可以同時對某臺儀器的多個通道進行參數設置，例如需要對1001至1040總共40個通道進行參數設置，在代碼中可以用字符串“1001：1040”傳遞給函數。

4）數采儀器參數設置

儀器參數包括AD轉換器積分時間和寄存器參數。AD轉換器積分時間的設置直接關系到數據采集的速度與精度：積分時間長則采集的精度較高，但采集速度將會下降；積分時間短則采集速度快，但噪聲將會增加，從而降低采集的精度。因此應根據使用需求選用合理的積分時間，一般選用1～5 PLC。積分時間與噪聲關系如圖3所示。

圖2　IVI驅動程序結構示意圖Fig. 2　Structure diagram of the IVI driver

積分時間設置代碼如下：

driver(DVM(1)).Measurement.Nplc = 3#

代碼在這里表示第1臺儀器的AD轉換積分周期為3 PLC（0.06s）。

寄存器參數主要是設置每次采集時寄存器可存放數據的字節數，其設置代碼如下：

driver(DVM(1)).Measurement.Buffer.Create "mybuffer", 10000

代碼在這里表示第1臺儀器的寄存器可存儲10000個字節的字符數。

5）數據采集

當進行多通道數據采集時，向儀器發送通道的測量類型指令，儀器判斷當前設置與函數所要求的值是否一致，當兩者一致時延用當前設置，而不需要對所有參數進行重新配置，這樣相應地減少了數采程序與數采儀器的通信操作次數，同時實現了對數采程序控制方式的優化。數據采集代碼如下：

driver(DVM(1)).Scan.CreateScanList 1001:1040, dmm_dcvolts

driver(DVM(1)).Scan.ExecuteBackground "mybuffer"

代碼在這里表示對第1臺儀器的1001至1040通道設置為測量直流電壓類型，然后對這些通道進行數據采集。

3　上位采集軟件

通過對IVI驅動程序的研究，采用VB6.0編寫3706數據采集系統的上位數采軟件（流程如圖4所示）。軟件的核心部分是利用IVI驅動完成對3706數采儀器和多路轉換開關的控制。軟件采用dmm.scan儀器測量模式進行數據采集，在程序中首先對所有的測量通道信息進行分析，然后根據不同的測量信息要求進行分組，在每個數據采集周期中以組為單位整體循環發送Scan指令，采集結束后將該測量分組的數據整體讀回，然后進行數據處理、保存。

本系統采用連續掃描的方式進行數據采集，以60 s為采樣周期采集全部溫度測點的電壓值（mV），按熱電偶的分度表轉換成相應的溫度值，將測量數據保存到本機的硬盤上及服務器中，可供其他用戶調用，實現數據共享。終端界面顯示各測量點的原始測量值以及計算結果值，并可以切換不同數采儀器以及同一臺數采儀器不同板卡的顯示界面。當測量結果值超出上下限時會顯示報警。

圖4　上位軟件流程Fig. 4　The flow chart of host computer program

4　結束語

本文基于IVI驅動，對3706數據采集系統進行了軟件設計。IVI驅動的引入大大提高了系統的開發效率、降低了研制成本。當更換儀器類型時，只需安裝該儀器的IVI驅動即可使采集軟件正常運行，實現了采集系統與采集儀器硬件的無關性，為儀器互換提供了手段。該3706數據采集系統在開發完成后，進行了有載調試，系統運行穩定可靠，測量數據準確無誤，現已投入到航天器型號試驗中。

參考文獻（References）

[1] 吳大軍. 吉時利2750在真空熱試驗測量系統中的應用[J].航天器環境工程, 2006, 23(2): 115-118 Wu Dajun. Application of Keithley2750 to the measurement system in vacuum thermal test[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(2): 115-118

[2] 孫興華, 蘇新明, 陶濤. 真空熱試驗熱電偶測溫參考點分析改進[J]. 航天器環境工程, 2012, 29(5): 522-526 Sun Xinghua, Su Xinming, Tao Tao. Analysis and improvement of temperature reference equipment forthermocouple in vacuum thermal tests[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2012, 29(5): 522-526

[3] Keithley Insmunents, Inc. Series 3700 system switch/multimeter user’s manual[G]

[4] 秦紅磊, 路輝, 郎榮玲. 自動測試系統—硬件與軟件技術[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 322-323

[5] 賈海明, 安幼林. 功能封裝的儀器驅動程序可互換性實現技術[J]. 兵工自動化, 2009, 28(11): 79-82 Jia Haiming, An Youlin. Function of instrument package driver technology interchangeability[J]. Ordnance Industry Automation, 2009, 28(11): 79-82

[6] 李木飛, 龔明. 基于IVI模型的通用虛擬儀器驅動程序的開發[J]. 制導與引信, 2009, 30(4): 33-37 Li Mufei, Gong Ming. Development of general virtual instrument driver programme based on IVI model[J]. Guidance & Fuze, 2009, 30(4): 33-37

[7] IVI Foundation. IVI-3.1: driver architecture specification[G], 2011

[8] 趙濤, 彭喜源, 石仁利. IVI-COM儀器驅動程序的研究及應用[J]. 計算機測量與控制, 2008, 16(12): 1972-1974 Zhao Tao, Peng Xiyuan, Shi Renli. Research and application on IVI-COM instrument driver[J]. Computer Measurement & Control, 2008, 16(12): 1972-1974

[9] Mueller J. IVI 驅動程序標準[J]. 國外電子測量技術, 2013, 32(6): 11-17 Mueller J. IVI driver standards[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2013, 32(6): 11-17

（編輯：馮 妍）

Software development based on IVI driver for data acquisition system used in thermal vacuum test

Zhu Xi , Liu Bo, Wu Dongliang, An Wanqing, Wang Qingyu
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:At present, a large space environment simulator is equipped with multiple models of data acquisition systems, responsible for a comprehensive test of a variety of data signals. With the Keithley3706 data acquisition system as the object, this paper discusses the principle and the composition of a data acquisition system. Based on the research of the IVI driver, an acquisition software is designed in the VB6.0 development environment. The design process of the IVI driver and the software code are presented. It is shown that the development efficiency is improved with the introduction of IVI driver, and the cost of research is notably reduced. The hardware independence of the data acquisition system is realized.

Key words:vacuum thermal test ; data acquisition system; software design; IVI driver

作者簡介：朱 熙(1985—)，男，碩士學位，主要研究方向為航天器環境試驗測控技術。E-mail: zhuxi198533@126.com。

基金項目：北京衛星環境工程研究所自主研發項目“真空熱試驗測控系統集中控制技術”

收稿日期：2015-05-11；修回日期：2016-03-30

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.015

中圖分類號：TP216

文獻標志碼：B

文章編號：1673-1379(2016)02-0194-05