PXI产品在多功能校准仪中的应用

一、概述 PXI技术是Compact PCI与仪器、仪表技术相结合的产物，随着PXI 2.0规范的制定和发布，PXI产品越来越成熟，市场上可供选择的模块也越来越多，与传统仪器相比， PXI产品具有性能和体积上的优势，因此非常适合在强调移动的测量和修理场合中采用（如：应用在军事检测和修理领域中），本文以多功能校准仪的开发过程为例，简单介绍了PXI系统相关的软硬件构成和应用。 开发中的多功能校准仪，是一款用以现场测试的便携式检测设备，其软、硬件结构如图1所示： 在系统中，PXI模块是最基本的独立单元，在软件的控制下每种模块都可以实现一定功能。模块的应用途径有二： 1、一些模块通过自带的专用软件，直接以虚拟仪器的形式使用（如：数字多用表）； 2、不同的模块和专用适配器通过组合软件结合在一起，完成用户赋予的其他任务（如：电秒表 校准）。 二、系统构建 在系统构建之初，首先是选择符合需要的PXI模块，需求、性能、价格、服务是我们选择时主要的参考因素，从检测和修理的实际需求出发，当前迫切需要解决的问题有： ² 指针式仪表、数字仪表的校准 ² 电秒表校准 ² 电源设备检测 ² 仪器设备（弱电、低频）检测 ² 元器件功能检测 ² 数字信号检测 ² 武器装备的部、附件检修 确定了目标，通过市场的调研，最终的方案我们采用了多家公司的PXI和CPCI产品，多功能校准仪的构建情况如下表所示，这个方案既避免了片面追求高性能造成的浪费，又留出一定的指标余量以适应今后的发展。 另外，在多功能校准仪的组件中除了系统必备的机箱和控制模块外，根据军事检测和修理的需要，我们还采购了宽范围的交流/直流电源模块，以适应野外或现场测试条件下恶劣的环境。 系统编程采用了NI公司的LabVIEW软件，与VB、VC相比，图形化编程工具LabVIEW，更适合用来开发自动化测试系统，这是因为NI作为PXI规范的发起人，对规范的理解和支持相对做的更好一些，通过VISA和最新的IVI驱动技术，其它公司的PXI/CPCI产品在LabVIEW中也能得到比较好的支持（在for LabVIEW的驱动程序上，凌华以开发包的形式提供了较完善的硬件驱动），那些熟悉VB、VC的程序员还可以通过DLL调用等方式，直接在LabVIEW中控制硬件，这些优势对于需要在短时间构建一个综合测试系统的用户来说是非常有吸引力的。下图是用LabVIEW开发的多功能校准仪的综合测试软件。 图2 多功能校准系统的综合测试软件 三、应用情况 PXI模块应用过程中，不可避免地会碰到各种各样问题，下面是多功能校准仪开发中的一些经验总结，对从事PXI系统开发的用户也许会有所帮助。 （1）模块间的软、硬件冲突及解决； 由于采用了多家公司的模块产品，在系统安装的初期，经常会发生某些模块不能正常使用的问题，例如：系统中16通道继电器输出模块（52642）是一款基于NI –IVI 驱动的PXI模块，按照使用说明书所要求的顺序安装了驱动程序，用LabVIEW自带的Measurement & Automation Explorer（MAX）软件却始终找不到模块的踪影，在系统的资源管理器中该模块的驱动却一切正常，考虑到该卡到货比较晚，安装前机箱中已经有其它模块，为了查找原因，于是卸载了52642模块的软件驱动，拔下了所有无关的模块，重新按照说明书的要求单独安装52642模块，结果依旧，情急之下决定重新安装操作系统，操作系统安装完毕后首先插入52642模块，按要求安装软、硬件驱动后，该模块终于在MAX中出现了，至此以为一切正常，于是将剩余的模块逐一插入机箱，安装完相应的驱动，再次测试发现以前工作完全正常的任意波形发生器TE5201模块罢了工，有了第一次的经验，再次重装操作系统，先插入5201模块，安装硬件驱动和相应软件后，5201能识别并正常工作，接着插入52642模块，按要求装好驱动，再次启动后，52642和5201均能正常工作，接下来逐一安装其它模块及相应的驱动和支持软件后，整个系统终于完全正常，两天的磨难说明PXI系统在构建过程中，尤其是在多家公司模块共存的情况下，按照常规的方法安装驱动程序有可能发生异常，多数情况下模块本身并不存在问题，关键在于需要细致、耐心地调整模块和软件的安装次序，多做几次试验往往能解决问题；另外，安装模块时一定要逐一安装测试，虽然频繁的关机、开机比较麻烦，但遇到问题可以及时解决，否则累积起来可能会导致意外的损失。 （2）软件开发快速上手： 在软件支持上，凌华公司做的比较完善，不但以开发包的形式提供了硬件驱动，还提供了所有流行编程语言的源代码例程，非常便于用户开发自己的应用程序。 多功能校准仪的系统软件采用LabVIEW编制，因此在采购前特别强调了对LabVIEW的支持能力，拿到凌华产品的时候，我们发现凌华在驱动方面已经做的非常出色了，最终只有数字示波器模块TE6100需要通过调用DLL的形式来完成控制。每块板卡凌华都提供了几个很有参考价值的子VI例程，通过研究例程可以更好地帮助用户掌握模块的控制方法，有的例程可以直接应用到自己的设计中，大大降低了开发难度，减少了编程时间。 在一个复杂的综合系统中，如何在软件中体现人性化操作是一个非常重要的任务。以仪表校准的过程为例，需要将国家的检定规程融合在程序中，因此在程序的编制过程中，对于规程中的共性，以子VI的形式建立独立的软件模块（如环境条件、校准数据处理、数据保存和提取等），需要时可以随时调用；规程中的个性，以对话框、提示框、接线图等方法完整的展现在操作者面前，所有的工作清晰、明确。为了加快LabVIEW的开发进度，首先要对系统进行细致的分析，找出那些使用最频繁的基础操作，然后将这些操作变成可独立运行的子VI；第二步把这些子VI组合在一起形成功能更强的模块；最后通过模块的组合实现复杂的操作，并最终形成一个完整的综合系统。由于LabVIEW是图形化的编程工具，程序的编制应该遵循由简入繁的原则，建议在编程的过程中，随时做好详细的工作记录，这样既便于今后维护和扩展，也便于他人研读和修改。 （3）PXI模块的校准 作为模块化仪器，如何保证测试精度是用户非常关心的问题，由于模块偏置电压、线性增益等参数会随时间、环境发生变化，给测量带来误差，因此在大多数场合下必须对PXI模块进行校准。所谓校准，是指通过电路的细微调整使测量或输出的误差最小化的过程，PXI模块的校准有三种方式： 1、常数校准方式 一些PXI板卡交付前，在工厂中的标准条件下进行了校准（如凌华的TE6100数字示波器模块），用来修正误差的校准常数被存储在板载非易失性存储器中（EEPROM），通过装载校准常数就能恢复离厂前的状态。PXI板卡的EEPROM中除了包含工厂校准数据的永久存储区域外，还有一块供用户使用的可修改的校准数据区域，这个区域内用来保存工厂校准的原始数据或用户自己的校准数据。常数校准的精度并不高，因为它并没有考虑到时间推移和温度变化对模块测量和输出功能的影响。 2、自校准方式 为了减少由于偏置和增益漂移带来的测量误差，一些PXI模块提供了‘自校准’功能，其工作原理是：通过模块自身的高精度板载基准，在校准软件的控制下，测试和修正所有的误差（如NI公司的PXI6704模拟输出模块）。模块的自校准无须连接外部信号，是提高测量精度、减少自身误差的有效途径。 3、外部校准方式 自校准中用到的板载基准在大多数情况下是足够稳定的，但是如果在极端的温度环境下或者校准期超过一年，那么应该进行一次外部校准。外部校准指采用外部基准（取代板载基准）对模块进行的校准，外部校准通常情况下要对板载基准重新定标，定标结果存储在EEPROM中，以备今后调用，进行外部校准时，使用的外部参考基准要确保有足够高的精度，通常情况下外部参考基准的精度应该是模块自身板载基准的3~5倍，外部校准一般由用户委托具备校准能力实验室进行。 四、结束语 今后PXI产品在增强功能、完善驱动、改进服务等方面还有很长的路要走，相信随着技术进步，PXI产品的应用领域将越来越广阔。多功能校准仪是PXI产品在军事检测领域的一次应用尝试，由于项目时间过于匆忙，对模块的了解和应用有限，工作难免流于肤浅，本文中的错误之处敬请专家批评指正。