楊曉東，馬　闖，劉成國，鄒　靜，吳志鵬

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院　射頻與微波技術(shù)研究中心，武漢　430070）

通用電子測(cè)量儀器自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

楊曉東，馬闖，劉成國，鄒靜，吳志鵬

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院射頻與微波技術(shù)研究中心，武漢430070）

現(xiàn)如今通用電子測(cè)量儀器具備了更寬的測(cè)量范圍和更高的測(cè)量精度，功能完善，應(yīng)用廣泛，并且集成了外部程控接口，因此通過構(gòu)建基于這些測(cè)量儀器的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)來進(jìn)一步提升測(cè)量效率就顯得十分必要；Agilent公司生產(chǎn)的E5072A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是微波領(lǐng)域用來測(cè)量分析網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測(cè)量儀器，其集成了可用于外部控制的通用總線接口（GPIB），并且支持可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（SCPI）的控制，這樣就構(gòu)成了物理鏈路和程序控制之間的通路；因此利用Lab VIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)和SCPI控制命令，通過GPIB總線連接上位機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分析儀，構(gòu)建了一套E5072A的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，這也是通用電子測(cè)量儀器實(shí)現(xiàn)程控測(cè)量的有效方法；使用該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了氯化鈉溶液濃度的測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠極大的提高測(cè)量效率，移植性好，可以勝任一些耗時(shí)長、需定時(shí)測(cè)量等較繁復(fù)的測(cè)量工作。

Lab VIEW；可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令；E5072A；通用總線接口

0　引言

伴隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的快速發(fā)展，通用電子測(cè)量儀器在測(cè)量范圍和精度方面都有了很大進(jìn)步，一直以來各大儀器生產(chǎn)商為了儀器的可編程控制及自動(dòng)測(cè)量，都會(huì)為儀器配置數(shù)據(jù)交互接口，如通用總線接口（GPIB）以及近年來發(fā)展的LAN接口和USB接口。采用Agilent公司生產(chǎn)的E5072A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，通過其GPIB接口建立與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交互鏈路，利用Lab VIEW開發(fā)平臺(tái)編寫VI控制程序，通過SCPI命令實(shí)現(xiàn)E5072A的自動(dòng)測(cè)量功能。

1　SCPI命令簡介

SCPI（standard commands for programmable instruments）是可編程儀器使用的標(biāo)準(zhǔn)命令語言，主要目的就是通過該命令集的邏輯性、通用性以及兼容性而減少自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的程序開發(fā)周期，E5072 A支持該命令語言的控制。由于SCPI包含了IEEE488.2定義的命令結(jié)構(gòu)，所以SCPI命令可以被分為兩個(gè)部分，一部分是大多數(shù)儀器經(jīng)常用到的公用指令，另一部分是SCPI儀器特定的標(biāo)準(zhǔn)控制命令。公用指令是指由IEEE488.2針對(duì)儀器操作功能定義的指令，它與實(shí)際測(cè)量及信號(hào)處理等工作無關(guān)，只用來控制儀器的重置、自我檢測(cè)及狀態(tài)查詢等操作［1］，這部分指令可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步提高未來儀器的測(cè)試效率，這類指令都是以星號(hào)（*）開頭，（？）一般表示查詢命令，具體的指令集如表1中的第一列所示。

SCPI儀器特定控制命令主要用來從事測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、資料讀取及切換開關(guān)等工作，包含了所有測(cè)量函數(shù)及一些特殊的功能函數(shù)。SCPI儀器特定控制命令又分為必備命令（Required Commands）和可選命令（Optional Commands）兩類［2］，其中必備命令主要是從IEEE488.2公用命令擴(kuò)展而來，功能是處理SCPI規(guī)格再所定義的狀態(tài)匯報(bào)格式；可選命令是依據(jù)儀器本身需求實(shí)現(xiàn)的命令，有儀器的功能決定。E5072A使用的部分SCPI儀器特定控制命令集如表1中的第二列和第三列所示。

表1　SCPI命令集

SCPI儀器特定控制命令的都以冒號(hào)（：）開始，兩個(gè)助記符之間的冒號(hào)表示在當(dāng)前路徑的下一級(jí)，分號(hào)（；）則用來分隔兩條命令，不改變當(dāng)前路徑，其命令格式為一樹狀階層結(jié)構(gòu)，通常由三部分構(gòu)成：

、參數(shù)形式和注釋，具體的如圖1所示。

圖1　SCPI命令樹狀階層結(jié)構(gòu)

2　自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

E5072A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是Agilent公司于2011年6月推出的ENA系列新成員，其提供了更加靈活的平臺(tái)，應(yīng)用非常廣泛。在構(gòu)建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方面，E5072A集成了GPIB、LAN及USB接口，所以選取了更為通用的GPIB接口組建自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)?？刂破鬟\(yùn)用PC機(jī)，并通過GPIB總線形成PC和E5072A的物理連接。

GPIB通用接口總線是一種工程控制用的協(xié)議。最初由HP公司提出，目前成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)，其遵循IEEE488協(xié)議，并且可以使用較多的編程語言如VB、C++等實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)儀器的控制。當(dāng)然也有某些儀器制造商自己開發(fā)的語言支持GPIB。

Lab VIEW是由美國國家儀器（NI）公司設(shè)計(jì)的一種程序開發(fā)環(huán)境，并且支持GPIB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是目前應(yīng)用最為廣泛的圖形化編程軟件。Lab VIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別在于：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而Lab VIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。Lab VIEW軟件提供了人性化的人機(jī)交互界面、便捷的編程和架構(gòu)方式、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和顯示功能［3］，使其成為開發(fā)E5072 A自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的理想選擇。

經(jīng)過以上分析便得出了自動(dòng)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成可以通過GPIB總線連接PC和E5072A，利用Lab VIEW編寫圖形化的VI控制程序，再通過傳輸SCPI命令實(shí)現(xiàn)E5072A的自動(dòng)測(cè)量，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2　自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

3　Lab VIEW控制程序

GPIB總線實(shí)現(xiàn)了PC與E5072 A的物理連接，要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互需要Lab VIEW打開GPIB的數(shù)據(jù)接口。Lab VIEW平臺(tái)集成了GPIB和VISA儀器I/O函數(shù)庫，VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系（Virtual Instrument Software Architecture）的簡稱，是Lab VIEW平臺(tái)上可以控制VXI、GPIB、RS-232及其他儀器的接口程序庫［4］?？紤]到控制程序的可移植性，選擇VISA函數(shù)庫進(jìn)行編程，程序流程圖如圖3所示。

圖3　程序流程圖

該程序的前面板主要包含一些變量值的輸入、信息的顯示及程序的開關(guān)按鈕，如圖4所示。程序啟動(dòng)后，首先要打開GPIB地址對(duì)應(yīng)的接口，然后對(duì)測(cè)量儀器初始化和校準(zhǔn)，再進(jìn)行掃頻的類型、范圍、點(diǎn)數(shù)的設(shè)定，考慮到自動(dòng)測(cè)量過程中無需認(rèn)為操作，選擇將儀器的屏幕關(guān)閉來降低能耗，再對(duì)所需要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并保存測(cè)量結(jié)果，可以設(shè)置程序的運(yùn)行時(shí)間以及測(cè)量的時(shí)間間隔，程序運(yùn)行完后將關(guān)閉GPIB接口?，F(xiàn)對(duì)控制程序的幾個(gè)關(guān)鍵步驟和SCPI命令介紹如下。

1）GPIB接口的打開與關(guān)閉：

打開GPIB接口要添加儀器I/O下的“VISA打開”控件，該控件的輸入端要填寫GPIB的物理地址，例如本次設(shè)計(jì)中的GPIB地址為GPIB0：：17：：INSTR，該地址會(huì)作為整個(gè)程序運(yùn)行過程中與對(duì)應(yīng)儀器數(shù)據(jù)交互唯一標(biāo)識(shí)符。

關(guān)閉GPIB接口資源只需要在程序末尾連接儀器I/O下的“VISA關(guān)閉”控件。

2）E5072A的初始化及校準(zhǔn)：

初始化*RST

校準(zhǔn)：MMMEM：LOAD：FADT

SCPI命令均通過“儀器I/O”下的“VISA發(fā)送”控件發(fā)送。校準(zhǔn)是每次使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量之前必須進(jìn)行的一個(gè)步驟，再接口和傳輸線沒有變化的情況下，可以通過調(diào)用上一次保存的校準(zhǔn)文件，使儀器快速達(dá)到已校準(zhǔn)的狀態(tài)。

3）掃頻設(shè)置：

掃頻類型：SENS：SWE：TYPE

起始頻率：SENS：FREQ：STAR

終止頻率：SENS：FREQ：STOP

掃頻點(diǎn)數(shù)：SENS：SWE：TYPE

這些SCPI命令均帶有相關(guān)的參量，它們的組合形式是：SCPI命令+空格+變量，變量都是字符型，其值由用戶輸入。

4）測(cè)量與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：

測(cè)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：CALC：PAR：DEF

獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：CALC：DATA：FDAT

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式：MMEM：STOR：FDAT

存儲(chǔ)圖片格式：MMEM：STOR：IMAG

對(duì)于 二端 口網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò) 參數(shù) 主要是S11、S21、S12、S22，它們也是測(cè)量網(wǎng)絡(luò)參數(shù)命令的參量。為了在測(cè)量系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，需要獲取儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過“VISA讀取”控件，獲取儀器緩存中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及圖片的存儲(chǔ)均以用戶自定義的文件名為參量。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于Lab VIEW平臺(tái)開發(fā)的E5072A自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的前面板，也是最終呈現(xiàn)給用戶的交互界面，主要包含自定義參數(shù)的輸入以及狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示，界面簡潔友好，操作方便。

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量傳感器加載被測(cè)溶液時(shí)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)而檢測(cè)溶液濃度是微波測(cè)量領(lǐng)域的一種有效的檢測(cè)手段［5］。利用該自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)NaCl溶液的濃度進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)表明構(gòu)建該自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：效率高，PC上的Lab VIEW程序啟動(dòng)后能夠快速的向網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)送控制指令，程序中語句的執(zhí)行速度由PC的硬件性能決定［6］，相比于人為的操作網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制面板或者用鼠標(biāo)操作，效率會(huì)有明顯的提高；可以自動(dòng)將測(cè)量結(jié)果保存為數(shù)據(jù)格式和圖片格式，使得后期的數(shù)據(jù)處理更加便捷；在Lab VIEW程序的控制面板上輸入好初始的測(cè)量設(shè)置并啟動(dòng)程序后，無需進(jìn)行人為的操作，一方面可以減少人為操作帶來的干擾；另一方面可以關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)分析儀的屏幕，可降低儀器的功耗；另外實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常需要用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并且需要定時(shí)的保存測(cè)量數(shù)據(jù)，這無疑對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員是一項(xiàng)繁復(fù)且艱巨的任務(wù)，而該測(cè)量系統(tǒng)能夠提供很好的解決辦法。

圖4　反射系數(shù)S11與NaCl濃度關(guān)系

5　結(jié)束語

基于PC機(jī)上的Lab VIEW集成開發(fā)環(huán)境，編寫了帶有參數(shù)輸入接口的圖形化VI控制程序，并通過E5072A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀集成的GPIB接口，利用GPIB總線構(gòu)建PC機(jī)與網(wǎng)絡(luò)分析儀的SCPI命令傳輸鏈接，最終實(shí)現(xiàn)了E5072A的自動(dòng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能極大的提高了測(cè)量效率，并且給耗時(shí)長、需定時(shí)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)提供了完善的解決辦法。如今的通用電子測(cè)量儀器都具備對(duì)程控的支持，而該自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)化的接口和SCPI命令，使其能較好的兼容和移植到其他的測(cè)量儀器。

［1］付永杰，許有.SCPI語言在9500示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2005，5：21-23.

［2］莫金生.可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（SCPI）介紹［J］.計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，1994（1）：22-31.

［3］胡寧，徐兵.基于Lab VIEW的頻譜分析儀的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013.21（5）：1404-1407.

［4］秦凡，韋高.基于VISA庫及SCPI命令的儀器程控測(cè)量［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，11 （34）：118-121.

［5］偉利國，張小超，李福超，等.基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010 （4）：1-3.

［6］馬力，姜濤.基于 Lab VIEW 的 HP8510B自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.電測(cè)與儀表，2009，46 （525）：14-16.

Realization of Universal Electronic Measurement Instrument Auto-measurement System

Yang Xiaodong，Ma Chuang，Liu Chengguo，Zou Jing，Wu Zhipeng
（RF&Microwave Technology Research Center，College of Science，Wuhan University of Technology，Wuhan430070，China）

Nowadays universal electronic measurement instrument can provide wider measurement range and higher accuracy，excellent function makes them been widely used，and they have integrated external program-controlled interface，so it is significantly necessary to construct the instrument-based auto-measurement system to further enhance the measurement efficiency.The E5072Avector network analyzer from Agilent is applied to measure and analyze network parameters in microwave area，it has integrated external program-controlled GPIBinterface and supports SCPI commands，that means an access between physical link and program control can be established.So the E5072A auto-measurement system with Lab VIEW development platform and SCPI commands has been built，this is also the valid method to set up a universal electronic measurement instrument auto-measurement system.The system has been used to measure the concentration of NaCl，the result shows that the auto-measurement system displays favorable properties like enhanced measuring efficiency，good portability and is capable for complicated measurement which is time-consuming and timing-necessary.

Lab VIEW；SCPI commands；E5072A；GPIB

1671-4598（2016）05-0042-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.013

TP319

A

2015-11-04；

2015-12-08。

楊曉東（1990-），男，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事微波傳感器方向的研究。

劉成國（1966-），男，教授，主要從事復(fù)雜環(huán)境和媒質(zhì)中的電磁波傳播理論與應(yīng)用方向的研究。