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[摘要]介绍一种基于图形化虚拟仪器编程软件LabVIEW的高速数据采集系统设计方案。系统以NI公司的高速数据采集卡PCI-488 为硬件平台，通过LabVIEW软件对数字源表的实时测试采集数据，并将数据存储到文本文件中。测试结果表明，该系统能够有效地完成对信号的高速数据采集和实时测试和图形显示。
[关键词]LabVIEW软件平台 PCI-488卡 数字源表（SourceMeter）
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1010026－02
随着计算机总线技术、软件技术的发展，自动测试系统发生了巨大的变化。虚拟仪器利用计算机来控制相应的与计算机连接的、具有仪器功能的硬件，完成对输入、输出信号的采集、控制、数据分析和显示，实现传统仪器的功能。虚拟仪器是电子测量和计算机测试与控制的前沿技术，它将计算机技术引入到测试领域，数字化和软件技术的应用极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。在通用计算机上添加一层软件和必要的仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台为自己专门设计的传统电子仪器一样。
一、系统硬件介绍
（一）Keithley 2400数字源表
主要特点及优点:
1．用于快速直流测试的新型仪器
2．可选高电压、大电流、大功率和脉冲工作模式
3．20-1000W 的电源输出功率
4．四象限工作
5．0.012% 的准确度，5½位分辨率
6．支持程控电流源和电压钳位功能的六线欧姆测量
7．最快速度可达1000 点/ 秒（通过GPIB 接口）
8．内置快速通过/ 失效比较器
9．数字I/O 可直接与生产线Handler 接口
10．可选式接触检查功能
SourceMeter（数字源表）系列专门设计用于要求有精密电压和电流产生与测量的测试应用。SourceMeter仪表通过消除使用多个仪表时的复杂的同步化与连接问题，简化了测试工艺。所有六个SourceMeter仪表都适合于进行大范围的DC测量，包括在给定电流或电压下的电阻、击穿电压、漏电流、绝缘阻抗以及半导体特性曲线。
（二）GPIB接口
GPIB是通用接口总线的简称，是组成自动测试系统的通用国际标准接口。它是一个数字式的24线并行总线，由l6条信号线和8条接地返回线组成．其中16条信号线分为如下3组：8条数据线用于传输数据消息和命令消息，使用8位并行的异步数据传输方案；3条握手线用于异步控制设备中消息字节的传送；5条接口管理线用于管理通过接口从设备进入PC机的信息流。
（三）插入式数据采集卡（DAQ）
是虚拟仪器系统中最常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象，用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件便可构成各种数据采集控制仪器系统，PCI-488能将任何一台PCI总线的个人电脑转变为工业控制和数据采集系统。它可以连接台14设备，使用标准的IEEE-488系列电缆。PCI-488的传输速率超过GPIB 的传输速率，达到1M字节/秒（通过最大的IEEE-488专用电缆连接，其长度为每台设备2米）。
二、软件介绍
LabVIEW是美国NI公司具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体，不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且LabVIEW虚拟仪器程序（Virtual Instrument，简称VI）可以非常容易的与各种数据采集硬件、以太网系统无缝集成，与各种主流的现场总线通信以及与大多数通用数据库链接。“软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本质特征。LabVIEW开发环境分为前面板和流程图两部分，前者是用于人机交互的程序图形用户接口（GUI），集成了旋钮、开关等用户输入（控制）对象；后者是程序的图形化源代码，它包括函数（functions）、结构（structure）、代表前面板上控制对象和显示对象的端子连线等。
三、系统设计思路
根据数字源表的功能特性，利用LabVIEW图形编程设计一个实时测试系统。使用2400数字源表，配合相应软件编程可以简化测试系统，提高测试速度和质量，这对自动化二极管生产测试非常重要。该系统要完成用计算机实时控制数字源表的操作，使完全可以脱离传统仪器来测量。在该系统测试实验中，利用发光二极管作为待测量物，通过LabVIEW图形编辑程序，根据分别给定的电流源和电压源，通过扫描其电流得到电压或者是通过扫描其电压得到电流。能够测得发光二极管的IV特性。
该程序应该完成以下功能:控制实时采集数据、分析数据、显示结果。设计时利用了同步控制技术--保证所有采集到的数据都能够得到分析和显示，分析并显示采集到的数据时不会发生数据丢失或数据冗余的现象。
我们在测量过程中，无需调节数字源表上的任何功能键，利用LabVIEW提供的界面功能，在外形上完全模拟2400数字源表的电流源、电压源前面板，LabVIEW前面板上设定扫描起始点，SOURCE DELAY时间和扫描的点数、步长。
本系统由KEITHLEY2400数字源表、PCI-488数据采集卡和主控计算机部分组成。Keithley 2400数字源表的标准；主控计算机作为计量系统的控制中心； GPIB 电缆、IEEE -488 接口卡实现对标准源、数字表的控制。系统组成框图如下图所示。
为保护仪器本身及待测元件，在其测试过程中避免因输出电路短路造成元件及仪器损坏，所以必须设定一箝制準位，若量测值大于箝制準位则自动被限制于箝制準位，以保护元件及仪器安全（若量测值大于箝制準位则荧幕右下方「Cmpl」会闪烁，并限制于所设定的箝位值）。因此如果是输出电压，我们必须设定量测电流的箝位值；反之如果是输出电流，必须设定量测电压的箝位值。
建立I～V曲线（V～I曲线）虚拟仪器测试前面板，主要包括：
（1）启动按钮运行：点击启动测试；
（2）停止按钮终止：点击停止测试；
（3）电压（电流）量程选择开关：根据测试精度要求选择电压（电流）量程；
（4）电流源（电压源）输出电流设定：包括起始电流（电压）、终点电流（电压）及每步步长值；
（5）电压电流数值显示：显示当前设定的电流（电压）值及测试的电压值（电流值）；
（6）实时I～V曲线（V～I）曲线：实时趋势显示I～V曲线（V～I）曲线，而且可以实时调整；
（7）测试结果保存文件设定：设定测试结果以文本文件形式保存的路径及文件名。
LabVIEW在Instrument I/O功能模板的GPIB和GPIB 488.2子模板下有许多GPIB通讯功能子程序模块，这些模块在工作平台上可以调用低层的488.2驱动软件。采用传统的GPIB子程序与指定仪器进行GPIB读写操作。每个设备，包括计算机接口卡，必须有一个0到30之间的GPIB地址。一般GPIB接口板设置为地址0，仪器的GPIB地址从1到30。GPIB有一个控者（你的电脑）来控制总线。在总线上传送仪器命令和数据，控者寻址一个讲者，一个或者多个听者。数据串在总线上从讲者向听者传送。LabVIEW的GPIB程序包自动处理寻址和大多数其他的总线管理功能。
命令行参数“*idn?”适用于大多数IEEE 488.2兼容仪器，它要求仪器返回其标识符。
该GPIB address为24，运行该程序时，前面板显示仪器标识，没有出现错误，说明该仪器已经可进行通讯了。
本系统将采集控制系统硬件、软件按要求设计好后，运行控制软件，先对采集控制系统进行相应的配置，然后可以实时观看电压值。调节输入电压，通过实时监控界面可以观看到输入电压的变化过程。采集到的数据进行显示、存储。可以很方便地把每个实际电压，电流值存储到文本文件中，以便于查看和处理，极大地扩展了原有设备的功能。
由发光二极管的特性我们设定发光二极管的电压箝位值为5V，电流箝位值为20mA，在给定的电流源（电压源）下，实时输出二极管的电压（电流）值，如下LabVIEW前面板图所示。
设定电流源与电压箝制準位值，在设定电压源的时候，我们把指令“SOUR：CURR：MODE FIXED”改为“SOUR：VOLT：MODE FIXED”相对应的电流和电压的指令修改，在电流源扫描电压的指令改为在电压源中扫描电流的指令。其中该程序框图里除包括条件结构，事件结构，条件循环外还包括三个子程序，我们使用KEITHLEY公司随仪器提供的LabVIEW子程序。它们是Wait Until Bufferfull-gpib ，Display Table and Log 24xx和Get Time。他们在主程序运行和存储过程中起重要作用。
从测试过程中可以看到，在前面板选择设定的测试量程与数字源表所显示的数值是实时的，也就是说我们可以通过利用调试前面板来直接控制数字源表的操作。扫描的数值可以显示在前面板的显示控件（图1，图2）和图形控件中（图3，图4）。通过LOG？保存的文本数值，我们可能利用数值分析软件得到以上两个曲线，具体分析每一个数值。图1、3是电流源测试结果，图2、4是电压源测试结果。测试结果表明该LED的伏安特性曲线的正确性。由此我们得出该实时测试系统的实用性。
四、结束语
虚拟仪器技术经过多年的发展，使得虚拟仪器的内涵不断丰富，并且也走向了标准化和开放化，虚拟仪器技术结合网络技术，可实现以软件设计为核心的自动测试系统，使现代化测试向智能化、系统化和网络化发展。能够将先进的仪器开发软件LabVIEW与普通数据采集卡很好的结合起来使用，是很多工程技术人员所希望的。本系统以PCI-488为硬件平台，LabVIEW为开发软件，进行高速数据采集。不仅能实现对模拟输入信号的高速数据采集，而且能将采集的数据正确地以实时图形的方式显示，具有较高的精度，从另外一个角度解决了在文本编程语言下实时图形绘制难的问题。构造了一套性价比较高的数据采集系统，通过测试得到了较理想的结果。计算机控制的GPIB设备在数据采集和系统控制领域有着广泛的应用。采用面向对象的LabVIEW 图形语言软件编程使系统功能易扩展、维护，增强了它的生命力。
参考文献：
[1]计算机虚拟仪器图形编程.美国国家仪器公司.1999.
[2]侯国屏．LabVlEW7.1编程与虚拟仪器设计[M]．第二版．北京：清华大学出版社．2005．
[3]LabVIEW User Manual[Z].National Instruments Corporation，2000.
[4]杨乐平，李海涛，肖相生.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.
[5][美]毕晓普著，乔瑞萍，林欣等译，LabVIEW 6i实用教程.北京：电子工业出版社，2003.
作者简介：
潘定珍，烟台大学光电信息学院研究生。
[关键词]LabVIEW软件平台 PCI-488卡 数字源表（SourceMeter）
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1010026－02
随着计算机总线技术、软件技术的发展，自动测试系统发生了巨大的变化。虚拟仪器利用计算机来控制相应的与计算机连接的、具有仪器功能的硬件，完成对输入、输出信号的采集、控制、数据分析和显示，实现传统仪器的功能。虚拟仪器是电子测量和计算机测试与控制的前沿技术，它将计算机技术引入到测试领域，数字化和软件技术的应用极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。在通用计算机上添加一层软件和必要的仪器硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台为自己专门设计的传统电子仪器一样。
一、系统硬件介绍
（一）Keithley 2400数字源表
主要特点及优点:
1．用于快速直流测试的新型仪器
2．可选高电压、大电流、大功率和脉冲工作模式
3．20-1000W 的电源输出功率
4．四象限工作
5．0.012% 的准确度，5½位分辨率
6．支持程控电流源和电压钳位功能的六线欧姆测量
7．最快速度可达1000 点/ 秒（通过GPIB 接口）
8．内置快速通过/ 失效比较器
9．数字I/O 可直接与生产线Handler 接口
10．可选式接触检查功能
SourceMeter（数字源表）系列专门设计用于要求有精密电压和电流产生与测量的测试应用。SourceMeter仪表通过消除使用多个仪表时的复杂的同步化与连接问题，简化了测试工艺。所有六个SourceMeter仪表都适合于进行大范围的DC测量，包括在给定电流或电压下的电阻、击穿电压、漏电流、绝缘阻抗以及半导体特性曲线。
（二）GPIB接口
GPIB是通用接口总线的简称，是组成自动测试系统的通用国际标准接口。它是一个数字式的24线并行总线，由l6条信号线和8条接地返回线组成．其中16条信号线分为如下3组：8条数据线用于传输数据消息和命令消息，使用8位并行的异步数据传输方案；3条握手线用于异步控制设备中消息字节的传送；5条接口管理线用于管理通过接口从设备进入PC机的信息流。
（三）插入式数据采集卡（DAQ）
是虚拟仪器系统中最常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象，用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件便可构成各种数据采集控制仪器系统，PCI-488能将任何一台PCI总线的个人电脑转变为工业控制和数据采集系统。它可以连接台14设备，使用标准的IEEE-488系列电缆。PCI-488的传输速率超过GPIB 的传输速率，达到1M字节/秒（通过最大的IEEE-488专用电缆连接，其长度为每台设备2米）。
二、软件介绍
LabVIEW是美国NI公司具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境，是业界领先的测试、测量和控制系统的开发工具。它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试、运行于一体，不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且LabVIEW虚拟仪器程序（Virtual Instrument，简称VI）可以非常容易的与各种数据采集硬件、以太网系统无缝集成，与各种主流的现场总线通信以及与大多数通用数据库链接。“软件就是仪器”反映了其虚拟仪器技术的本质特征。LabVIEW开发环境分为前面板和流程图两部分，前者是用于人机交互的程序图形用户接口（GUI），集成了旋钮、开关等用户输入（控制）对象；后者是程序的图形化源代码，它包括函数（functions）、结构（structure）、代表前面板上控制对象和显示对象的端子连线等。
三、系统设计思路
根据数字源表的功能特性，利用LabVIEW图形编程设计一个实时测试系统。使用2400数字源表，配合相应软件编程可以简化测试系统，提高测试速度和质量，这对自动化二极管生产测试非常重要。该系统要完成用计算机实时控制数字源表的操作，使完全可以脱离传统仪器来测量。在该系统测试实验中，利用发光二极管作为待测量物，通过LabVIEW图形编辑程序，根据分别给定的电流源和电压源，通过扫描其电流得到电压或者是通过扫描其电压得到电流。能够测得发光二极管的IV特性。
该程序应该完成以下功能:控制实时采集数据、分析数据、显示结果。设计时利用了同步控制技术--保证所有采集到的数据都能够得到分析和显示，分析并显示采集到的数据时不会发生数据丢失或数据冗余的现象。
我们在测量过程中，无需调节数字源表上的任何功能键，利用LabVIEW提供的界面功能，在外形上完全模拟2400数字源表的电流源、电压源前面板，LabVIEW前面板上设定扫描起始点，SOURCE DELAY时间和扫描的点数、步长。
本系统由KEITHLEY2400数字源表、PCI-488数据采集卡和主控计算机部分组成。Keithley 2400数字源表的标准；主控计算机作为计量系统的控制中心； GPIB 电缆、IEEE -488 接口卡实现对标准源、数字表的控制。系统组成框图如下图所示。
为保护仪器本身及待测元件，在其测试过程中避免因输出电路短路造成元件及仪器损坏，所以必须设定一箝制準位，若量测值大于箝制準位则自动被限制于箝制準位，以保护元件及仪器安全（若量测值大于箝制準位则荧幕右下方「Cmpl」会闪烁，并限制于所设定的箝位值）。因此如果是输出电压，我们必须设定量测电流的箝位值；反之如果是输出电流，必须设定量测电压的箝位值。
建立I～V曲线（V～I曲线）虚拟仪器测试前面板，主要包括：
（1）启动按钮运行：点击启动测试；
（2）停止按钮终止：点击停止测试；
（3）电压（电流）量程选择开关：根据测试精度要求选择电压（电流）量程；
（4）电流源（电压源）输出电流设定：包括起始电流（电压）、终点电流（电压）及每步步长值；
（5）电压电流数值显示：显示当前设定的电流（电压）值及测试的电压值（电流值）；
（6）实时I～V曲线（V～I）曲线：实时趋势显示I～V曲线（V～I）曲线，而且可以实时调整；
（7）测试结果保存文件设定：设定测试结果以文本文件形式保存的路径及文件名。
LabVIEW在Instrument I/O功能模板的GPIB和GPIB 488.2子模板下有许多GPIB通讯功能子程序模块，这些模块在工作平台上可以调用低层的488.2驱动软件。采用传统的GPIB子程序与指定仪器进行GPIB读写操作。每个设备，包括计算机接口卡，必须有一个0到30之间的GPIB地址。一般GPIB接口板设置为地址0，仪器的GPIB地址从1到30。GPIB有一个控者（你的电脑）来控制总线。在总线上传送仪器命令和数据，控者寻址一个讲者，一个或者多个听者。数据串在总线上从讲者向听者传送。LabVIEW的GPIB程序包自动处理寻址和大多数其他的总线管理功能。
命令行参数“*idn?”适用于大多数IEEE 488.2兼容仪器，它要求仪器返回其标识符。
该GPIB address为24，运行该程序时，前面板显示仪器标识，没有出现错误，说明该仪器已经可进行通讯了。
本系统将采集控制系统硬件、软件按要求设计好后，运行控制软件，先对采集控制系统进行相应的配置，然后可以实时观看电压值。调节输入电压，通过实时监控界面可以观看到输入电压的变化过程。采集到的数据进行显示、存储。可以很方便地把每个实际电压，电流值存储到文本文件中，以便于查看和处理，极大地扩展了原有设备的功能。
由发光二极管的特性我们设定发光二极管的电压箝位值为5V，电流箝位值为20mA，在给定的电流源（电压源）下，实时输出二极管的电压（电流）值，如下LabVIEW前面板图所示。
设定电流源与电压箝制準位值，在设定电压源的时候，我们把指令“SOUR：CURR：MODE FIXED”改为“SOUR：VOLT：MODE FIXED”相对应的电流和电压的指令修改，在电流源扫描电压的指令改为在电压源中扫描电流的指令。其中该程序框图里除包括条件结构，事件结构，条件循环外还包括三个子程序，我们使用KEITHLEY公司随仪器提供的LabVIEW子程序。它们是Wait Until Bufferfull-gpib ，Display Table and Log 24xx和Get Time。他们在主程序运行和存储过程中起重要作用。
从测试过程中可以看到，在前面板选择设定的测试量程与数字源表所显示的数值是实时的，也就是说我们可以通过利用调试前面板来直接控制数字源表的操作。扫描的数值可以显示在前面板的显示控件（图1，图2）和图形控件中（图3，图4）。通过LOG？保存的文本数值，我们可能利用数值分析软件得到以上两个曲线，具体分析每一个数值。图1、3是电流源测试结果，图2、4是电压源测试结果。测试结果表明该LED的伏安特性曲线的正确性。由此我们得出该实时测试系统的实用性。
四、结束语
虚拟仪器技术经过多年的发展，使得虚拟仪器的内涵不断丰富，并且也走向了标准化和开放化，虚拟仪器技术结合网络技术，可实现以软件设计为核心的自动测试系统，使现代化测试向智能化、系统化和网络化发展。能够将先进的仪器开发软件LabVIEW与普通数据采集卡很好的结合起来使用，是很多工程技术人员所希望的。本系统以PCI-488为硬件平台，LabVIEW为开发软件，进行高速数据采集。不仅能实现对模拟输入信号的高速数据采集，而且能将采集的数据正确地以实时图形的方式显示，具有较高的精度，从另外一个角度解决了在文本编程语言下实时图形绘制难的问题。构造了一套性价比较高的数据采集系统，通过测试得到了较理想的结果。计算机控制的GPIB设备在数据采集和系统控制领域有着广泛的应用。采用面向对象的LabVIEW 图形语言软件编程使系统功能易扩展、维护，增强了它的生命力。
参考文献：
[1]计算机虚拟仪器图形编程.美国国家仪器公司.1999.
[2]侯国屏．LabVlEW7.1编程与虚拟仪器设计[M]．第二版．北京：清华大学出版社．2005．
[3]LabVIEW User Manual[Z].National Instruments Corporation，2000.
[4]杨乐平，李海涛，肖相生.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.
[5][美]毕晓普著，乔瑞萍，林欣等译，LabVIEW 6i实用教程.北京：电子工业出版社，2003.
作者简介：
潘定珍，烟台大学光电信息学院研究生。