基于LabVIEW的恒溫晶振自動測試系統*

馬帥帥 鄧嘉輝 雷 潔 肖苗苗

（航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

恒溫晶振通過溫控電路對器件內部的溫度進行控制，從而讓其內部石英諧振器的頻率溫度系數最小，以實現較高的頻率穩定度，恒溫晶振是目前頻率穩定度和精確度最高的晶體振蕩器。在對恒溫晶振的性能進行評判時，頻率穩定度指標是最重要的考量指標［1］，對它的測試要在變溫的條件下進行［2］，因此針對恒溫晶振的測試解決方案必然是一套基于溫箱、矩陣開關、測試儀表、電源等設備的集成方案［3］。

隨著計算機技術的進步，數字化儀器、智能化儀器也得到快速發展。在工程上越來越多的儀器希望與計算機連接并組成智能控制系統，以面對設備種類多、獨立性高、操作復雜的窘境［4～5］。Lab-VIEW作為一種圖形化編程語言，支持Windows系統，并借助于強大的VISA架構，向上/向下都展現出了良好的兼容性，方便工程師快捷地部署解決方案，目前已成為工業控制領域一門重要的編程語言［6～7］。

2 需求分析

本系統是基于試驗室現有設備進行的數字化改造項目，在進行需求分析之前，先對現有設備進行了梳理，設備清單如表1所示。

表1 試驗室現有設備清單

如上表所示，恒溫晶振測試系統是基于Lab-VIEW語言，以矩陣開關和繼電器作為控制裝置，通過溫箱、電源、頻率計的程控指令，實現恒溫晶振的自動測試。

對于頻率穩定性的測試，恒溫晶振一般有如下的測試要求：測量單個晶振某個溫度下的頻率時，當溫箱的溫度達到目標溫度時，還要對器件加電一段固定的時間，再進行測試，依次類推完成M個溫度點下的頻率測試。在測試頻率穩定性之余，還要測試器件的工作電流。

3 系統結構設計

從表1中可看出，恒溫晶振測試系統的硬件平臺包含6種設備，通訊接口有3大類，基于試驗室現有條件搭建了如下的硬件平臺。

圖1 系統硬件平臺

如上圖所示，計算機在整個系統中作為上位機，通過USB-GPIB-HS+、USB轉串口線、網線與儀器設備進行通信，矩陣開關等儀器設備作為下位機，以LabVIEW軟件為上位機軟件平臺，基于它開發測試程序實現各個設備儀器之間的協同工作。

對于系統的軟件結構設計，具體的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

從圖中可看出，軟件的工作流程可以分解為以下步驟。

Step1：程序啟動，設備自檢，為變量m、n賦初值，分別為1、1，同時將其傳遞到下一步；

Step2：執行順序結構，進入while循環1，執行其中的順序結構，在其中嵌套了第二個while循環監控溫箱內部溫度，當溫度達到第m個溫度點時，事件結構進行響應，控制程控電源和繼電器對N個器件同時加電一段固定時間；

Step3：繼續執行順序結構，進入while循環2，依次對矩陣開關的16個射頻通道進行切換，同時控制頻率計對每通道上器件的頻率進行測試和采集；

Step4：繼續執行順序結構，進入while循環3，控制繼電器，每次只對一只晶振加電，測試和采集電源端的輸出電流，即為該晶振的工作電流；

Step5：對變量m進行加1操作，再次進入while循環1，重復上述步驟2～4，直至循環M次，保存數據，跳出循環，程序結束。

4 軟件開發

4.1 溫箱控制

系統中溫箱僅支持UDP協議，溫箱廠家非VXI聯盟廠家，程控命令為非典型SCPI命令集，不支持VISA函數，需采用UDP函數進行封裝。LabVIEW中支持基于UDP協議的儀器控制函數［8］，如圖3所示。

圖3 UDP函數界面

4.2 繼電器控制

系統中使用USB 6525作為繼電器，在NI-MAX中創建數字任務，將其接入電源電路，在LabVIEW中進行調用即可，便捷高效。

4.3 射頻程控開關等設備

系統中用到的射頻程控開關、電源、頻率計及電源均支持GPIB（IEE488.2）接口，具體連接方式如圖4所示。

圖4 多個GPIB接口連接示意圖

其中射頻開關的使廠家并未提供驅動程序，需使用VISA函數將其控制指令封裝成子VI［9］。基于LabVIEW的軟件系統框架如圖5所示。

圖5 系統框架圖

從低層到頂層包括三部分：VISA庫、儀器驅動程序、應用軟件。VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）庫是標準的I/O函數庫及其相關規范的總稱，一般稱這個I/O函數庫為VISA庫［10～11］。VISA架構是VXI標準的核心架構，聯通了應用層和物理層，簡化了儀器控制的工作。VISA功能函數庫是與儀器接口種類、編程語信及操作系統無關的I/O控制函數庫，并且其應用程序很容易從一種開發平臺移植到另一種平臺。儀器驅動程序封裝了計算機與儀器通信的硬件底層編程細節，為用戶提供了容易理解的接口。每個儀器模塊都有自己的儀器驅動程序，儀器廠商將其以源代碼的形式提供給用戶，可互換的虛擬儀器（IVI）驅動程序是更為復雜的儀器驅動程序［12～13］。

4.4 數據報表生成

LabVIEW中實現報表生成的方法主要有三種，分別NI公司的報表生成工具包、File I/O類函數以及專門的表格處理軟件［9］。報表生成工具包因實現簡單成為優先選擇，用Excel預先編制好符合標準的報表，用LabVIEW完成測量、檢定和數據處理等任務，把最終得到的數據、結論等，利用Lab-VIEW的程序間通信功能，傳遞到Excel上，并且把各項數據分別寫入表格中預先規定好的位置，使數據得以保存。

4.5 主程序開發

基于模塊化編程的理念，本系統中各個功能部分盡可能地切割成了一個個子模塊，在降低代碼量的同時又便于后期的維護。本系統基于硬件和功能兩方面的考量，將系統分為主程序模塊、矩陣開關模塊、頻率計模塊、電源模塊、繼電器模塊、頻率計模塊、溫箱控制模塊、報表生成模塊等8個部分，在主程序模塊中可以對其他模塊的代碼進行調用，開發起來十分方便，最終的程序主界面如圖6所示。

圖6 程序主界面

5 結語

軟件化測試早已成為測試行業的主流方式，不僅可以提高效率也可以提升測試質量，在本項目中體現十分充分，同時LabVIEW軟件以其跨平臺的兼容性、儀器驅動的豐富性在系統集成領域使用十分廣泛［14～15］。本文基于LabVIEW的恒溫晶振測試系統，將原本繁雜的測試工作變得簡單，大幅降低了工作人員的時間成本，將工作效率成倍提升。