基于LabVIEW的自动化精密阻抗分析系统

0 引言
    随着科学技术的进步，各类实验研究的对象和方法也越来越复杂，相对应的实验系统及实验平台的复杂度也成几何增长。传统的人工操作在精确度及重复性上已远远不能满足要求。于是仪器设备的高度可集成化和可自动化已成为当代仪器必不可少的特性。但不同实验系统所要求的测量参数和步骤均不同，因此所需要的实验仪器系统同时也应该是可模块化并且可自主集成的。虚拟仪器(VIs)概念的提出使得可以利用传统的仪器设备来搭建不同的实验平台。并且由于VI是可编程和可程控的，这样可以依据不同的实验要求来改变实验平台的设计。基于VI的平台相比较于商业化的集成平台有着显著的优势：a．利用各类传统仪器即可搭建复杂的系统；b．平台的功能可以通过程序的改变而简单地变换；c．在避免复杂的重复性测量工作的同时，实验的准确性也得到了显著的提高。

1 精密阻抗分析系统的搭建
    Agilent 4294A精密阻抗分析仪主要应用于测量材料的各类电阻、电抗、电容等参数。其高精度、可多次扫描和多参数设置使得其被广泛应用于各类半导体薄膜材料、纳米材料和工程材料的特性测试。然而他在实验系统的搭建中很难被集成，其主要原因是：a．缺乏方便的储存载体；b．扫描测量需要人工进行大量反复的数据记录；c．单次扫描无法自动重复进行。但4294A内部已集成HP公司开发的IBASIC语言系统以及多个移位寄存器来进行状态储存和识别，同时配备有GPIB接口，因此可以利用PCI转接GPIB卡来使4294A同个人电脑进行数据通信及存储。

    在对于VI的设计上，选用NI公司开发的LabVIEW软件。作为NI公司推出的第一款VI设计软件，由于其高度的通用性以及高效的人机交互界面，LabVIEW已被广泛应用于各类实验仪器平台的搭建和设计。利用Labview 8．0来进行GPIB口地址选择、指令输送接收、仪器参数设定、测量指令触发、波形绘制以及数据存储功能的实现。
    在连接上，利用ADLINK PXI-3488 GPIB卡以及GPIB专用通信数据线来实现。因此实验系统的搭建如图1所示。

2 LabVIEW实验程序的编写
    需要利用LabVIEW来完美实现Agi lent 4294A的各个功能。利用GPIB口可以将PC同4294A连接起来，并利用SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)指令来对仪器进行状态查询和程序控制。4294A拥有储存仪器状态的一套完整的状态寄存器。因此通过调用查询寄存器不同位的数值就可以判断测量参数设定是否完毕，扫描是否启动或停止，以及数据是否读入。4294A的寄存器结构是一个典型的层级结构，如图2所示。通过对事件寄存器以及状态位寄存器相应位的查询即可知道仪器详细的操作状态。

    对于仪器控制部分的程序编写，主要分为以下几个部分：a．仪器参数设定部分；b．图形绘制和数据显示部分；c．数据记录及储存部分。

2．1 仪器参数设定程序
    对于4294A的自动控制首先要实现对其面板参数的程序化控制，因此需要构建一个虚拟前面板来模拟仪器的控制面板，同时在程序设计部分妻实现对各个参数的设定和调整。参数设置虚拟前面板及其对应的程序框图如图3和4所示。

    从图4可以看出，首先对于连接于不同GPIB地址的4294A仪器，我们可以利用面板右下方的地址搜索栏来找寻到所需要的仪器地址。之后，利用不同的输入变量类型及SCPI对普通字符串的转换将晦涩的机器读取命令转换成简易识别的命令选项呈现在参数设置前面板中，用户只需要通过前面板上的简单命令选择，即可以向仪器发出SCPI命令代码。然而由于4294A从GPIB口读取数据需要考虑时延的问题，同时设计了一个用于识别SCPI指令的显示框。在确认命令输入无误后，即可点击"写入命令到4294A中"按钮来完成参数的设置。
    当点击了该按钮后，由于大量GPIB口写入的SCPI命令需要一定的时间来完成，同时还需考虑LabVIEW程序本身存在的延时，我们必须保证在进行后续操作之前，这些写入的命令已执行完毕。对于输入命令是否完成，我们需要对SRQ中的只读状态寄存器层进行访问，并读取相应位置的状态，当该位的返回值为l的时候，则证明数据写入完毕，可以执行下步操作。这一过程相应的程序框图如图5所示。

    从图5中还可以看出，在利用SCPI命令"*OPC?"命令读取状态寄存器中命令写入状态位的数值并判断其为1后，还将继续进行扫描次数的设定，利用条件结构和While循环来实现单次扫描或多次扫描间的选择和切换。同样，在扫描参数设定的模块中，也设计有一个SCPI命令的显示窗口，在判断命令正确无误后，则可以点击"START"按钮，通过GPIB口人工向仪器发出一个触发信号，从而开始数据的测量。
2．2 图形绘制和数据显示程序
    4294A一个重要的性能即是显示所测量数据，如电阻、电容、介电损耗等特性的实时曲线。因此，我们在记录仪器数据的同时，还需要添加图形绘制模块，这样不仅可以验证程序的准确性，同时也增加了程序的实用性。该部分的前面板及程序如图6、7所示。

2．3 数据记录及储存程序
    在测量结束，图形绘制完毕后，还需要将所有的数据进行保存，以便进行后续结果的分析，如介电常数的计算等。实验数据的保存部分程序框图如图8所示。

    可见，利用一个胶片结构，数据A、数据B、及扫描参数被分别进行存储。因为所读取出来的数据是一个双精度实数的数组类型，我们需要利用一个While循环及一个数组转换为动态数据单元来把数据逐个写入。当写入结束后，再将所有数据保存为一个．1vm格式的文件。该文件可以被各类文档编辑类程序打开并修改，十分便于后处理。

3 实验结果验证及分析
    为了对实验程序进行可行性及准确度的确认，我们将虚拟前面板绘制出的图形(图9)、记录数据进行后处理所绘制的图形(图10)以及仪器本身面板所显示的图形(图11)这3者进行了对比，如图所示。

    可见，3个图形在数据A和数据B 的波形及数据精度上都十分吻合。这证实了该自动化控制程序的准确性和实用性。

4 总结
    利用LabVIEW程序及GPIB接口通信，成功实现了自动化精密阻抗分析系统的搭建。结果表明，此平台的精度和准确性都完美保留了原仪器的性能；同时，还实现了大量数据重复测量的自动化。此平台中的GPIB卡还拥有15个外接接口，即意味着还可以连接15台其它仪器进行更加复杂的自动化实验平台的搭建。同时，利用LabVIEW程序的Web功能，我们甚至可以利用internet或LAN来实现对该系统的远程控制。