自動化設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集軟件LabMeasure

李壯志，李玉現(xiàn)，白彥魁

(河北師范大學(xué) a.物理科學(xué)與信息工程學(xué)院；b.物理國家級實驗教學(xué)示范中心；c.河北省新型薄膜材料實驗室，河北 石家莊 050024)

1 軟件設(shè)計背景

現(xiàn)代化科技實驗室在進行物理量數(shù)據(jù)采集時通常需要使用多種型號的測量儀表，早期的測量儀表一般是用手動方法進行操作，在長時間的測量過程中，需要操作人員不間斷地操作，勞動強度大，容易出現(xiàn)記錄錯誤，另外也容易損壞儀表硬件. 在數(shù)字集成電路技術(shù)發(fā)明以后，高級儀表開始配備自動化測量控制接口，其中重要的規(guī)范是惠普(HP)公司聯(lián)合其他儀表生產(chǎn)商推出的IEEE488接口協(xié)議(HP-IB)，應(yīng)用此協(xié)議的接口后來一般改稱為通用接口總線(GeneralPurposeInterfaceBus,GPIB)[1]. 從20世紀70年代開始，大量的高級儀表都設(shè)計有GPIB接口. 通常1臺GPIB接口儀表均具有聽(listen)功能，通過控制機(一般是通用計算機)控制，可以用寫(write)命令向儀表發(fā)送指令，實現(xiàn)儀表前面板的功能，另外通過讀(read)命令，可以將儀表緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入計算機進行處理.

要實現(xiàn)計算機控制的GPIB接口測控系統(tǒng)，通常需要在計算機中插入1張GPIB控制卡，通過GPIB電纜連接儀表，在配置儀表的GPIB地址后，通過編寫的控制程序，計算機可以訪問某臺特定的儀表，通過GPIB協(xié)議，通常1臺計算機最多可以同時控制14臺儀表.

在科研實驗室中，串行通訊(serialcommunication)是也是常用的方式[2]. 該接口是20世紀80年代前后，為了方便個人計算機(PC)與低速設(shè)備通訊而發(fā)展起來的，隨著PC機的快速普及，串行接口(serialinterface)以其成本低廉、使用方便獲得了廣泛應(yīng)用，PC機上配置的一般是RS232串口，在工控領(lǐng)域還有RS422/485接口，RS232和RS422/485接口之間可以通過接口電路進行協(xié)議轉(zhuǎn)換.

盡管GPIB和串行通訊提供了同儀器設(shè)備方便的通訊手段，但由于它們數(shù)據(jù)傳輸率較慢，在工控領(lǐng)域新的高速通訊協(xié)議得到了大力發(fā)展，如20世紀80年代后期，HP和Tekronix等公司成立的VXIbus合作組發(fā)布的VXI總線協(xié)議，HP公司發(fā)布的SICL(StandardInstrumentControlLibrary)協(xié)議，等等. 另外，隨著PC機對高速通訊的要求，Ethernet和USB通訊協(xié)議也獲得了快速發(fā)展，并且它們的使用也擴展到儀器儀表設(shè)備控制領(lǐng)域.

為了確保不同廠商、不同接口標準的儀器能相互兼容、可靠通訊和數(shù)據(jù)交換，需要研制出新的標準，以方便對各種不同儀器設(shè)備的編程控制，為此NI，HP/Agilent，Tekronix等35家全球最大的儀器儀表公司在1993年成立聯(lián)盟，并于1996年2月推出了VISA協(xié)議，該協(xié)議的目標是能夠驅(qū)動95%的已有智能儀器儀表[3]. 通過VISA協(xié)議提供的函數(shù)，可以驅(qū)動具有GPIB，RS232，VXI，Ethernet和USB等各種接口的儀器設(shè)備.

一直以來，對儀表控制軟件的編寫一般有2種方式：一種是使用通用高級編程語言如VisualC++，VisualBasic，Delphi等，設(shè)計程序界面和處理數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲，通過調(diào)用諸如GPIB接口卡驅(qū)動函數(shù)控制儀表，這通常需要較多的編程知識和對GPIB和RS232等總線協(xié)議有較多了解，并且編譯完成的程序只是針對特定的測控系統(tǒng)，操作者無法改變其配置，如果更換測試系統(tǒng)中的某臺儀表或者組建新的系統(tǒng)，則需要重新編寫程序，缺乏靈活性. 另一種方式是使用圖形化編程語言如LabVIEW(使用G語言)[4-5]，它對GPIB和RS232等協(xié)議進行了封裝，相比傳統(tǒng)編程語言有較好的靈活性，但是在測控系統(tǒng)中需安裝體積龐大的專用軟件，并且其價格昂貴，另外它仍需要每個具體測控系統(tǒng)搭建者花費較長時間深入學(xué)習(xí)該編程語言.

LabMeasure軟件中提供了測量控制軟件的另一種編程方式——腳本(script)編程. 對不同的測控要求，控制軟件的編寫不再是傳統(tǒng)的編譯-執(zhí)行方式，而是將具體的控制要求寫成腳本程序，在測控操作運行前完成指令的即時編譯，既增加了測控系統(tǒng)的靈活性，又降低了專用程序編寫的難度.

2 LabMeasure軟件的結(jié)構(gòu)及功能

LabMeasure軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中心部分是腳本集成開發(fā)環(huán)境(script IDE)，用戶在該環(huán)境提供的代碼編輯器中編寫自己的腳本程序. LabMeasure使用Object Pascal 腳本語言編程，該語言遵循傳統(tǒng)的Pascal規(guī)則，并做適度的擴展和簡化. Pascal語言是接近自然語言的高級編程語言，方便學(xué)習(xí)掌握. Object Pascal 腳本語言預(yù)定義數(shù)據(jù)類型包括Boolean，Byte，Cardinal，Double，Int64，Integer，ShortInt，SmallInt，String，Variant，Word；結(jié)構(gòu)類型支持集合、枚舉、靜態(tài)數(shù)組、動態(tài)數(shù)組、記錄、類等；運算符支持算術(shù)運算符、布爾運算符、位邏輯運算符、關(guān)系運算符、運算符優(yōu)先級；條件語句支持If語句和Case語句；循環(huán)語句支持For語句、While語句、Repeat語句、Break和Continue語句；等等. 為了方便調(diào)試腳本程序，在script IDE窗口中帶有詳細的調(diào)試方式和調(diào)試信息的顯示，如步入、步出、運行到當(dāng)前行，以及在任一行設(shè)置斷點等，并可以通過觀察窗口查看變量結(jié)果.

圖1 LabMeasure軟件的構(gòu)成

為了顯示獲得的結(jié)果，LabMeasure軟件提供了終端窗口和二維圖形顯示窗口，終端窗口用于顯示得到的結(jié)果，圖形顯示窗口用來顯示獲得的二維數(shù)據(jù)曲線.

2.1 LabMeasure中支持的常規(guī)函數(shù)

LabMeasure IDE本身支持常用的數(shù)學(xué)函數(shù)和字符串處理等函數(shù)如Cos, Sin, Tan, Abs, Exp, Ln, Copy, Delete等，還提供了用于輸出程序結(jié)果的終端輸出函數(shù)和二維繪圖函數(shù)，以及對所采集的數(shù)據(jù)保存為csv格式文件的存儲函數(shù). 其中的二維繪圖函數(shù)包括：

1)LmSetAxisName(xAxisName: string; yAxisName: string)，該函數(shù)設(shè)置Plot窗口的x和y坐標軸的內(nèi)容.

2)LmPlot(x: double; y: double)，如果沒有啟動Plot窗口，該函數(shù)將動態(tài)創(chuàng)建Plot窗口，并向窗口中的直角坐標系發(fā)送浮點數(shù)x和y，并同時進行顯示. 該直角坐標系的橫軸和縱軸按輸入的數(shù)值自動縮放，直角坐標系的橫軸和縱軸名稱由LmSetAxisName函數(shù)設(shè)置，如果用戶未設(shè)置，則使用缺省設(shè)置“x-Axis”和“y-Axis”.

(3)LmPlotM(x: double; yArr: array of double)，該函數(shù)功能同LmPlot，但可以在1個Plot窗口中以x為橫坐標，以y0[, y1][, y2]…[, y4]等為縱坐標，可以同時繪制最多5條曲線.

除常用函數(shù)外，LabMeasure還內(nèi)置了幾個功能擴展函數(shù)庫，包括系統(tǒng)應(yīng)用函數(shù)庫，數(shù)學(xué)函數(shù)庫及變體類型函數(shù)庫等，對其功能進行擴展.

1)系統(tǒng)應(yīng)用函數(shù)：這些函數(shù)在LabMeasure的SysUtils庫中，該庫提供了文件、字符串、類型轉(zhuǎn)換、時間以及系統(tǒng)方面的函數(shù)共約220個.

2)數(shù)學(xué)函數(shù)庫：這些函數(shù)在LabMeasure的Math庫中，該庫提供算術(shù)、三角、對數(shù)、統(tǒng)計和金融方面的計算函數(shù)共超過100個.

3)變體(variants)類型函數(shù)庫，LabMeasure script語言支持Object Pascal語言規(guī)范的variants類型，使用該類型時涉及到的variants類型函數(shù)在variants函數(shù)庫中.

2.2 LabMeasure軟件內(nèi)置的通訊函數(shù)

現(xiàn)在NI(National Instrument)公司的GPIB板卡在實驗室設(shè)備控制方面應(yīng)用最為廣泛，部分其他公司的產(chǎn)品會和NI板卡保持兼容性，所以在LabMeasure軟件中提供了對NI GPIB函數(shù)的直接支持，包括絕大部分GPIB 488.1函數(shù)和全部的GPIB 488.2函數(shù).

LabMeasure軟件中提供了對RS232通訊函數(shù)的直接支持，包括端口控制、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、端口狀態(tài)查詢等系列串口操作函數(shù)，例如其中的端口控制函數(shù)包括LS_open，LS_close，LS_ioctl，LS_flowctrl，LS_flush，LS_DTR，LS_RTS，LS_lctrl，LS_baud等具體的操作函數(shù)，分別完成串口打開、關(guān)閉、通訊參量設(shè)置等功能.

為了應(yīng)對除GPIB和RS232通訊外其他種類的儀器儀表，LabMeasure軟件提供了對VISA函數(shù)的支持[6-7]. VISA函數(shù)可分6大類，即資源模板函數(shù)和操作函數(shù)、基本I/O操作函數(shù)、格式I/O操作函數(shù)、存儲I/O操作函數(shù)、共享存儲操作函數(shù)和接口特殊操作函數(shù). 由于LabMeasure通過功能函數(shù)庫提供了豐富的字符串操作函數(shù)及格式化函數(shù)，所以不再提供部分格式I/O操作函數(shù)及存儲I/O操作、共享存儲操作函數(shù)，LabMeasure支持除此之外的其他全部VISA函數(shù).

為了方便用戶在連接物理設(shè)備前調(diào)試腳本測控程序，LabMeasure對全部支持的GPIB，RS232和VISA函數(shù)都支持模擬(simulation)方式.

2.3 LabMeasure功能擴展

LabMeasure支持通過2種方式對系統(tǒng)功能進行擴展：一是將需要用到的功能編制成子程序，儲存成LabMeasure script模塊文件，然后在調(diào)用時直接引用該模塊，軟件支持在1個腳本程序中使用最多256個模塊文件. 另一種方式是通過使用其他通用編譯器將需要的功能編譯成動態(tài)鏈接庫，在LabMeasure的腳本程序中先引用該動態(tài)鏈接庫，再調(diào)用其中的函數(shù). 軟件支持對動態(tài)鏈接庫調(diào)用的各種約定，如Pascal約定、C約定等.

3 應(yīng)用示例

LabMeasure采用標準視窗方式編寫，使用方法同常用Windows程序一致，熟悉微軟視窗操作系統(tǒng)的用戶可以快速熟悉其使用.

軟件啟動后，其界面如圖2所示，僅Graph View和Table View功能可用，分別是用圖形方式和圖表方式打開LabMeasure存儲的csv格式文件，除此之外的其他快捷方式都不能使用.

圖2 LabMeasure軟件的啟動界面

在File菜單欄下，通過單擊LM Script可以啟動LmIDE，此時窗口狀態(tài)如圖3(a)所示. 當(dāng)啟動LmIDE時，LabMeasure會檢測計算機中是否安裝了GPIB板卡和/或VISA驅(qū)動，如果發(fā)現(xiàn)，則在LmIDE下側(cè)中間的狀態(tài)欄中顯示，如果沒有發(fā)現(xiàn)，則需要用戶檢測其系統(tǒng)中的GPIB板卡及其驅(qū)動程序和/或VISA驅(qū)動是否正確安裝.

(a)LmIDE啟動窗口 (b)打開腳本程序后的窗口圖3 LmIDE界面

啟動LmIDE后，LabMeasure的菜單欄也會做相應(yīng)的變動，此時可以通過菜單欄或者快捷按鈕新建或者打開LM程序工程. 1個LM工程文件中可以包含多個模塊文件. 圖3(b)中是打開示例文件后的窗口圖，此時將鼠標放置在快捷按鈕上會得到相應(yīng)按鈕的功能提示，這些快捷按鈕僅列舉了一些常用功能，其他更多的功能可以從菜單欄上選擇，單擊相應(yīng)的菜單按鈕即可實現(xiàn)其標題顯示的功能.

圖4是運行簡單的示例程序后的結(jié)果，該程序計算并顯示了由37個點組成的正弦曲線，為了模擬數(shù)據(jù)采集過程，使用delay(延時)函數(shù)每隔20 ms計算1個數(shù)據(jù)點，并將計算結(jié)果顯示在最右側(cè)的終端窗口中，將數(shù)據(jù)曲線顯示在中間的繪圖窗口中. 該例子通過簡單的數(shù)行程序模擬了數(shù)據(jù)采集的過程，可見LabMeasure程序編寫簡單，同時具有較高的編程效率.

圖4 LabMeasure中的窗口

4 結(jié)束語

已經(jīng)在實驗室中使用LabMeasure軟件編程，搭建完成了多種自動化測量系統(tǒng)，包括方塊電阻四探針測試臺、范德堡法薄膜電阻率測試系統(tǒng)、真空場發(fā)射測試系統(tǒng)、高精度塞貝克系數(shù)和電阻率測量系統(tǒng)等，并應(yīng)用于教學(xué)和科研工作.

總之，LabMeasure軟件大幅度降低了科研人員在實驗室中搭建自動化測試系統(tǒng)所需要的知識儲備，學(xué)習(xí)過高級編程語言，具有初級編程經(jīng)驗的人員經(jīng)過短期學(xué)習(xí)，就能夠高效率地搭建適合自己工作需要的自動化測試系統(tǒng).

參考文獻：

[1] 張宜生，王運贛. GPIB通用接口與自動測試系統(tǒng)[M]. 北京:科學(xué)出版社，1989.

[2] 范逸之. Visual Basic與RS-232串行通信控制[M]. 北京:中國青年出版社，2000.

[3] IVI Foundation. www.ivifoundation.org[EB/OL].

[4] Ertugrul N. Labview: for electric circuits, machines, drives, and laboratories[M]. London: Prentice Hall PTR, 2002.

[5] King R H, Introduction to data acquisition with LabView [M]. New York: McGraw Hill Higher Education, 2012.

[6] Agilent Technologies, Inc. Agilent VISA Online Reference [Z]. 2005-2009.

[7] 趙會兵. 虛擬儀器技術(shù)規(guī)范與系統(tǒng)集成[M]. 北京:北京交通大學(xué)出版社，2003.