虚拟仪器自动校准系统的实现

收稿日期:2003-09-09作者简介:孙宇(1973)),男,陕西省白水县人,工程师,工学、经济学双学士,主要从事计量测试技术研究,研究方向为线性测量系统评价、模式识别、动态校准、精确测量、自动化测试;梁志国(1962)),男,黑龙江省巴彦县人,研究员,工学硕士,现从事计量测试技术研究,目前研究方向为线性测量系统评价、模式识别、动态校准、精确测量、自动化测试。文章编号:1000-8829(2004)08-0023-03虚拟仪器自动校准系统的实现RealizationofAutomaticCalibrationSystemforVirtualInstruments(北京长城计量测试技术研究所,北京 100095) 孙宇,梁志国摘要:虚拟仪器系统具有许多特点,正是由于这些特点,使得其在进行校准与测试时与通用的台式仪器有较大的区别。笔者就虚拟仪器的自动化校准,以及虚拟仪器自动校准系统的实现提出一种可供操作的解决方案。关键词:计量学;虚拟仪器;自动化校准;程序中图分类号:TP23;TP311文献标识码:AAbstract:Virtualinstrumentsystemhassomespecialcharacters.Forthesecharacters,itmakesagreatdifferencetogeneralinstrumentswhentheyaretobecalibratedand/ortested.Anautomaticcalibrationprocessforvirtualinstruments,andasolutionfortherealizationofautomaticcalibrationsystemforvirtualinstrumentsareintroduced.Keywords:metrology;virtualinstrument;automaticcalibration;program 虚拟仪器的提出,主要针对并区别于传统的具有通用显示与操作面板的台式仪器,例如常见的VXI、PXI系统,以及计算机插卡式的数据采集系统、信号发生器及各种适配器、开关等。它具有许多特点:¹虚拟仪器是一种计算机化的仪器设备,离开了计算机的软件平台它便无法正常工作;º虚拟仪器是一种模块化组合式仪器设备,同时包含软件模块和硬件模块;它们极易组合和集成,形成强大的具有专用或通用功能和性能的仪器系统;»虚拟仪器是一种数字化信息传输变换系统,软件和具有明确边界条件的数学模型是其最重要的核心组成部分;¼虚拟仪器的输入输出外特性与非虚拟仪器没有明显区别。也正是由于这些特点,并且因为对其实际的操作一般需要借助于嵌入式或外部的计算机系统进行控制,而其提供的通用软面板程序或相应的仪器驱动程序一般并不针对于校准进行专门的设计,给虚拟仪器的校准带来极大的不便[1]。本研究的主要内容是提供了一种虚拟仪器自动化校准的方案,用于解决多种典型虚拟仪器模块的全自动化校准问题。1 虚拟仪器的校准方法关于虚拟仪器的校准,国家目前并没有专门的计量法规,因此一般参照相应的台式仪器国家计量法规进行。参照这些计量法规,选取满足计量校准要求的标准器具,进行相应的计量校准工作。而对于虚拟仪器特殊特性与功能的校准,可以参照仪器提供的说明手册进行。由于虚拟仪器一般不具有通常意义下的显示和操作面板,即使仪器制造厂商提供有简单的软面板功能,但大多数只是为了提供简单的功能验证而设计的,一般只提供仪器所具有的最基本的操作,不仅功能极其简单,而且不具有通用性和适用性;另一方面,对于许多仪器的校准过程,不仅操作步骤繁琐,而且需要获取的数据量庞大,处理过程也极其复杂,这种条件下如果不借助于计算机的参与实现校准过程的自动化,其实现将是困难甚至是不可能的。因此,实现对虚拟仪器的自动化校准从某种意义上而言是必要的,甚至是必需的。2 虚拟仪器自动化校准的实现如上所述,虚拟仪器的自动化校准,可以参照国家相应的(台式仪器)计量校准法规进行,一般需要开发独立的校准程序。关于仪器系统的程序开发工具目前具有多种选择,如专门应用于仪器开发与应用领域的图形化设计语言(所谓G语言),如NILabVIEW,AgilentVEE等,另外可以使用通用开发语言工具,如VisualBasic,VisualC++等。前者由于其设计的初衷针对于仪器开发与应用领域,因此作为校准程序的开发与应用较为方便;缺点是开发的应用程序要求运行的目标机器上具有相同的软件平台,因此对于程序的移植、功能扩充(二次开发)带来不便[4,5]。通用的开发语言由于其设计是针对于广泛的用途而并非专门针对于仪器应用领域,因此应用于仪器开发时需要做大量的底层工作,工作量大而且深入细微;但优点是开发的应用程序可以脱离开特定的软件平台独立运行,对环境具有较强的适应性,便于进行系统功能的扩展。这里介绍的实现方案主要是基于通用开发语言工具VisualC++进行的。考虑到系统的可扩展性及运行的效率,参照VPP及IVI标准[2,3],自动校准系统采用了层次式模块化设计方式。系统将常用的几类仪器定义为仪器类,如数字多用表类、数据采集系统类、数字示波器类、函数信号发生器类等;对于这些类型仪器的校准过程在相应的仪器类接口中完成。根据定义的仪器类规范,实际的仪器(如AgilentE1412A)提供统一的仪器接口,实现

#23#虚拟仪器自动校准系统的实现图1 接口设计的编程模型仪器类所要求的与实际仪器的通信与控制。这样的一个编程模型如图1所示。3 虚拟仪器自动校准系统的程序设计根据上述设计方案,虚拟仪器自动校准系统的实现主要是完成仪器类接口和仪器接口。3.1 仪器类接口的实现仪器类表征的是某一类具有共同功能与属性的仪器设备。由于对于这类仪器的操作(校准)具有共同或相似的步骤,故将其定义为一个仪器类,相应的实现接口称为仪器类接口。在仪器类接口中主要实现对于该类仪器的完整校准过程,而该过程是通过调用该仪器类所约定的仪器接口实现与实际仪器的通信与控制的。为此定义如下统一的仪器类接口函数:#defineVINST_API _declspec(dllexport)#define_VI_CALL /*APIENTRY*/typedefVINST_APILRESULT(_VI_CALL*VICLS_CALI-BRATE_PROC)(DWORDdwOperateCode,LPARAMlParaml,LPARAMlParam2,VINST*pInst);其中,dwOperateCode为操作码,表明调用的目的。例如,定义VIO_CALIBRATE为校准过程的操作码,VIO_DATA_MAN-AGEMENT为数据管理的操作码;lParam1,lParam2为辅助参数,其定义依赖于dwOperateCode的不同可具有不同的定义;pInst为指向将欲操作(例如校准)的仪器的结构体指针(VINST),该结构体定义表征仪器的各种属性。该结构体的部分定义如下:typedefstructtagVINST{ LPTSTRpszIDName; //IDNnameoftheinst.LPTSTRpszDescription; //inst.descriptionLPTSTRpszDllName; //DLL-filenameLPTSTRpszfnExport; //nameoftheexportfunctionLPTSTRpszAddr; //addressstringLPTSTRpszIDName2; //internalinst.name,, }PVINST,*PVINST; 实际的校准过程可通过如下方式完成(假设数字多用表类校准接口名称为viClsCalib_Dmm,被校准数字多用表为AgilentE1412A,代表其结构体的变量指针为pInstE1412):,,viClsCalib_Dmm(VIO_CALIBRATE,0,0,pInstE1412);,,在viClsCalib_Dmm(仪器类接口)调用中完成根据国家相应校准/检定规程规定的校准/检定过程,其中通过调用pInstE1412定义的仪器接口(如下面例子中的viIo_hpe1412)实现与具体仪器(AgilentE1412A)的通信。3.2 仪器接口的实现仪器类接口与实际仪器的通信是通过仪器接口实现的,在仪器接口中完成仪器类与实际仪器设备的通信。仪器接口的定义具有与仪器类接口同样的形式:typedefVINST_APILRESULT(_VI_CALL*VINST_IO_PROC)(DWORDdwOperateCode,LPARAMlParam1,LPARAMlParam2,VINST*pInst); 同样地,其中各参数的定义与仪器类接口定义中的参数定

义具有类似的定义,只是操作码dwOperateCode具有不同的定义,例如定义VIO_INIT/VIO_CLOSE为仪器初始化/关闭与清除操作码,而VIO_INPUT/VIO_OUTPUT为仪器输入/输出操作码等。例如在上述例子中为了与AgilentE1412A进行通信可以下述方式调用其接口(假设其实现的仪器接口为viIo_hpe1412):,,

viIo_hpe1412(VIO_INPUT,&io,0,pInstE1412);,,

其中,io为用于输入/输出的结构体,其部分定义如下:typedefstruct_VINST_IO{ DWORDdwMode; //[in]I/OfunctionDWORDdwSigType; //[in]signaltypeunion{LONGnChan; //[in]1-basedchannalno.whennChanCount<=1PLONGpChanGroup; //[in]channelgroup,suchas1,2,3,5}LONGnChanCount; //[in]channelcounts;//when>1,thechan.arrayisplacedinpChanGroupunion{ DOUBLEdfVoltPk; //[in/out]peekvalueofvoltageDOUBLEdfCurPk; //[in/out]peekvalueofcurrentDOUBLEdfResist; //[in/out]resist.};DOUBLEdfFreq; //[in/out]frequencyDOUBLEdfOffset; //[in/out]offsetofthevolt./curr.

PVINST_RANGEpRange; //[in]rangesused(mainlyforinput)LONGnSizePerChan; //[in]datasizeperchannelDOUBLE*pdfBuf; //[out]bufferforreceivingdataLONGlRetCount; //[out]totalcountofreturneddata(mainlyforin-put)PVOIDpvSelfDef1,pvSelfDef2; //[in/out]sel-fdefinedparam.,,