岳　丹，宋克非，張佩杰，徐抒巖，聶海濤

(1．中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春　130033；2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100039)

0　引言

在空間遙感及機(jī)載電子設(shè)備的研制和開發(fā)中，需要功能完備的地面檢測設(shè)備。精確實(shí)時的地面遙測信號檢測才能保證航空機(jī)載電子設(shè)備的質(zhì)量。在地面檢測時，需要對航空電子設(shè)備的各種遙測信號進(jìn)行長時間的精確測量和數(shù)據(jù)實(shí)時記錄、處理及分析。以往采用人工進(jìn)行檢測，測量人員攜帶手持設(shè)備進(jìn)入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。缺點(diǎn)是：只能單點(diǎn)測量，多種信號無法同時測量；間隔較小的檢測無法記錄；檢測員工作量大，效率低；存在人工判讀記錄誤差；檢測員在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場本身影響環(huán)境參數(shù)導(dǎo)致設(shè)備遙測信號存在誤差。

針對以上問題，開發(fā)了一種在VC++平臺上實(shí)現(xiàn)的基于KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集模塊的高精度多通道數(shù)據(jù)實(shí)時采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效地對空間電子設(shè)備的遙測參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集、監(jiān)控與儲存，并對采集的數(shù)據(jù)實(shí)時繪制曲線，計(jì)算均值方差。

1　系統(tǒng)方案

數(shù)據(jù)實(shí)時采集與監(jiān)控系統(tǒng)由底層測量傳感器、KEITHLE7700(簡稱為7700)采集模塊、KEITHLE2700(簡稱為2700)采集儀、上位機(jī)應(yīng)用軟件組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

底層傳感器將各種待測信號量轉(zhuǎn)化為KEITHLEY7700模塊可以采集的信號種類。當(dāng)前市場上的傳感器輸出信號基本上都是標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號。只要配備不同物理量的傳感器，就可以測量各種類型的參數(shù)，例如位移、相位、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、相對濕度、照度和功率等，形成多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。KEITHLEY7700數(shù)據(jù)采集模塊擁有20個差分輸入通道，每個通道可以設(shè)置獨(dú)立的信號采集類型，同時提供2路帶保護(hù)的電流輸入通道。KEITHLEY2700[1]是數(shù)字多用表、開關(guān)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀及數(shù)據(jù)記錄儀的多功能集成，能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)基本計(jì)算?？梢詼y量常規(guī)的電阻、交直流電流、交直流電壓等；還可以對溫度(接熱電偶、熱敏電阻)、頻率和周期直接測量。特點(diǎn)是測量精度高(22位)、速度快、范圍廣。2700擁有2個插槽可用于安裝7700模塊。上位機(jī)應(yīng)用軟件調(diào)用儀器驅(qū)動IVI Driver提供的接口，向2700模塊發(fā)送命令、采集數(shù)據(jù)等。通過I/O Layer (VISA) IVI Driver與2700進(jìn)行通信。2700通過7700測量傳感器的信號值。

I/O Layer 是符合虛擬儀器軟件構(gòu)架(Virtual Instrument Software Architecture，簡稱VISA[2])標(biāo)準(zhǔn)的底層函數(shù)集合，管理執(zhí)行上層軟件或IVI Driver與儀器的通信。IVI 是Interchangeable Virtual Instruments(可互換虛擬儀器技術(shù))的簡稱，是一種在VISA 基礎(chǔ)上制定的驅(qū)動設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。KEITHLEY 提供的IVI Driver可以實(shí)現(xiàn)對2700的所有儀器操作。計(jì)算機(jī)與2700模塊進(jìn)行通信需要調(diào)用I/O Layer標(biāo)準(zhǔn)底層函數(shù)集合，IVI Driver支持2700設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行GPIB總線通信方式和RS232串行通信。GPIB是一種總線通信方式，可以連接多臺儀器，相對速度較快。RS232適用于單機(jī)通信，通信速度較慢。系統(tǒng)采用RS232[3]串行通信方式。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在VC++6．0平臺上進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)出可視化界面[4]，建立與KEITHLEY2700模塊的通信，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、儲存、繪圖以及簡單的數(shù)據(jù)處理功能。

2．1硬件設(shè)計(jì)

2．1．1計(jì)算機(jī)和2700的硬件連接

KEITHLEY2700通過RS232與計(jì)算機(jī)相連。RS232電纜兩端，一端為公頭(DB9針式)，一端為母頭(DB9孔式)。2700端的硬件接口為DB9母接頭，PC端為DB9公接頭。

2700只使用發(fā)送、接收和信號地3個引腳，且發(fā)送和接收引腳與計(jì)算機(jī)相應(yīng)順序?qū)?，?jì)算機(jī)和2700的連接使用直通RS232連接線即可，如圖2所示。

圖2　2700和計(jì)算機(jī)的RS232連接方式圖

2．1．22700和7700的硬件連接

7700是2700的輸入擴(kuò)展模塊，2700后面板共有兩個插槽供7700擴(kuò)展模塊插入。上面的插槽為1號槽，下面的為2號槽。將7700模塊直接插入2700后面板插槽。2700上電后，7700及對應(yīng)的插槽的信息將會在前面板顯示出來。

2．1．37700和傳感器的硬件連接

大多數(shù)傳感器使用2根線輸出信號：信號輸出和信號地。對于兩線傳感器，信號線直接接在7700通道的HI端口上，信號地接在LO端口上。

對于三線的傳感器，一般能同時測量和輸出幾個信號。例如溫度濕度傳感器，能同時測量溫度和相對濕度，輸出信號采用三根線，一根輸出溫度信號，一根輸出相對濕度信號，一根輸出信號地。和7700連接時，只需將2根輸出信號線分別連接在兩個通道的HI端口上，再將這兩個通道的LO端口短接和傳感器的信號地連接。

7700模塊同時支持四線傳感器測量信號。選擇四線方式時，基本通道1～10將自動與通道11～20配對。配對方式如下：通道01和通道11配對；通道02和通道12配對，以此類推。當(dāng)關(guān)閉某一通道時，與之配對的通道也同時關(guān)閉。

2．2通信設(shè)計(jì)模塊

在進(jìn)行上位機(jī)程序設(shè)計(jì)前，需先完成2700和PC上位機(jī)的通信。通過安裝I/O Layer和IVI Driver完成通信配置。安裝完成后，會在計(jì)算機(jī)自動生成通信配置工具Keithley Configuration Panel和Keithley Communicator。運(yùn)行Keithley Configuration Panel，根據(jù)設(shè)備添加向?qū)砑佑布ㄐ旁O(shè)備。配置過程是：添加—選擇“serial”通信方式—選擇COM口—選擇波特率—選擇流控制方式—選擇儀器類型—設(shè)置連接名稱。COM口的選擇可以通過查看電腦的設(shè)備管理器找到相應(yīng)連接串口。設(shè)置通信波特率和流控制方式時需要和2700側(cè)設(shè)置的參數(shù)相同。

2．3上位機(jī)軟件程序模塊

上位機(jī)軟件程序中使用到所有和儀器相關(guān)的操作函數(shù)均是從IVI Drive中調(diào)用。在安裝IVI Driver的過程中，會將KEITHLEY2700的相關(guān)庫函數(shù)安裝到計(jì)算機(jī)中。在編寫程序前，需要先引入驅(qū)動。需將包含庫文件的文件夾路徑設(shè)置到編輯環(huán)境中，同時在頭文件中需要包含2700模塊的頭文件“KE2700．h”和庫文件“KE2700．lib”。整個上位機(jī)程序流程圖如圖3所示。

圖3　上位機(jī)程序流程圖

2．3．1初始化儀器模塊

初始化儀器先建立儀器對象，再進(jìn)行有選擇的初始化。

建立儀器對象代碼：

vi=new ViSession( )；

有選擇初始化代碼：

nErr=KE2700_InitWithOptions("ASRL1：：INSTR"，VI_TRUE，VI_TRUE，OPTIONSTRING，vi)；

ASRL1：：INSTR表示采用Serial通信方式使用COM1口進(jìn)行通信。初始化同時調(diào)用儀器庫函數(shù)：KE2700_error_message(*vi，nErr，msgStr)；能及時返回初始化儀器失敗的各種錯誤，并顯示在界面上，方便查找出錯原因。

2．3．2參數(shù)設(shè)置模塊

初始化儀器成功后，可以對22個通道進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置包括通道參數(shù)設(shè)置、儀器參數(shù)設(shè)置。

2.3.2.1通道參數(shù)設(shè)置

通道參數(shù)包括測量信號種類、測量信號范圍、測量精度及濾波參數(shù)的設(shè)置。測量信號種類的設(shè)置采用下拉列表框的形式進(jìn)行選擇，選擇的信號種類保存在變量中，根據(jù)不同的變量值能確定測量信號種類。22個通道能同時進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，完成不同信號類型的測量。以通道1為例說明通道參數(shù)的設(shè)置過程：

Void CTCScanDlg：：OnSelchangeCombo1( )

{m_chan1=m_combochan1．GetCurSel( )；}

在下拉列表框中選擇通道1測量的信號種類，代表信號種類的索引值存在變量m_chan1中，通過switch語句判斷變量m_chan1的值，對通道參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

nErr=KE2700_ConfigureMeasurement

(KE2700_ChannelList(*vi，"101")，

KE2700_VAL_2_WIRE_RES，KE2700_VAL_AUTO_RANGE_ON，0．1)；

此時通道101進(jìn)行2線電阻的測量，開啟自動量程選擇，測量精度為0．1。

濾波參數(shù)設(shè)置：

nErr=KE2700_ConfigureFilter

(KE2700_ChannelList(*vi，"101")，KE2700_VAL_FILTER_REPEATING，10，0．1，VI_TRUE)；

表示對通道101進(jìn)行設(shè)置，采用的是重復(fù)濾波方式，參與濾波計(jì)算的數(shù)量是10個，濾波窗口為0.1%，濾波器狀態(tài)為濾波使能。

2．3．2．2儀器參數(shù)設(shè)置

儀器參數(shù)設(shè)置包括A/D轉(zhuǎn)化器積分時間、觸發(fā)器類型、記錄時間類型、緩存參數(shù)等一系列參數(shù)。其中A/D轉(zhuǎn)化器積分時間是與數(shù)據(jù)采集聯(lián)系最為緊密的參數(shù)，影響每次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，直接影響到數(shù)據(jù)采集的速度。在實(shí)際的采集中，需要選擇合適的采集速度以保證得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

nErr=KE2700_ConfigureApertureTimeInfo

(KE2700_ChannelList(*vi，"101")，

KE2700_VAL_RATE_MEDIUM，KE2700_VAL_POWER_LINE_CYCLES)；

含義是對通道101進(jìn)行設(shè)置，采用中速準(zhǔn)換速度，時間單位是交流電源的周期。

2．3．3數(shù)據(jù)采集模塊

在進(jìn)行采集之前，需判斷該通道是否被選擇進(jìn)行信號的采集。若未使用，在采集中就不對該通道進(jìn)行掃描。

nErr=KE2700_Read(KE2700_ChannelList

((*vi，"101")，maxTime，&rdBuffer[0])；

表示對通道101進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集回來的數(shù)據(jù)保存在rdBuffer中。maxTime表示完成采集所需的最長時間。同時可以對采樣周期進(jìn)行設(shè)置，在單通道采集時，采樣周期最小可以設(shè)置到2 ms/次。

2．3．4實(shí)時顯示、自動保存及數(shù)據(jù)處理模塊

實(shí)時顯示模塊采用ListBox控件，調(diào)用ListBox類的AddString函數(shù)即可將數(shù)據(jù)加載到Listbox中進(jìn)行實(shí)時顯示。ListBox具有豎直滾動條，通過拉動豎直滾動條，可以觀看當(dāng)前及歷史數(shù)據(jù)。索引ListBox中的數(shù)據(jù)自動保存到TXT文檔，文檔以保存時間自動命名。界面開發(fā)了自動保存數(shù)據(jù)數(shù)目及文檔保存路徑的設(shè)置。

數(shù)據(jù)處理主要包括對各個通道數(shù)據(jù)求均值及方差。均值和方差隨著數(shù)據(jù)采集實(shí)時計(jì)算顯示在界面上。

2．3．5繪圖模塊

系統(tǒng)引入TeeChart控件實(shí)現(xiàn)曲線實(shí)時繪制．使用時必須先在Windows中注冊。系統(tǒng)中采用Regsvr32．exe進(jìn)行注冊。點(diǎn)擊Windows的“開始→運(yùn)行”菜單，在對話框中輸命令“regsvr32 TeeChart5．ocx”進(jìn)行注冊。

完成注冊后，在VC工程中按照如下路徑進(jìn)行控件的添加。Project—Add To Project—Components and Controls Gallery—Registered ActiveX Controls—TeeChart Pro Activex control v5。完成控件添加后，可以使用控件為 22個通道手動添加曲線。添加時使用不同顏色及虛實(shí)的線條以區(qū)分22個通道的實(shí)時曲線。

m_chart．Series(0)．FillSampleValues(0．05)；

//為通道1添加曲線系列0

m_chart．Series(0)．Add(rdBuffer[0]，stime，1)；

//將通道1數(shù)據(jù)實(shí)時賦值于曲線0

m_chart．GetAxis()．GetBottom()．Scroll(1．0，TRUE)；

//曲線實(shí)時顯示

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為該系統(tǒng)應(yīng)用于FY-3A氣象衛(wèi)星某載荷地檢設(shè)備實(shí)驗(yàn)中的界面截圖。使用該系統(tǒng)對設(shè)備遙測參數(shù)中的關(guān)鍵遙測電壓值進(jìn)行了測量。該電壓值直接反應(yīng)了紫外臭氧垂直探測儀[5]中XX元件的在軌性能指標(biāo)。遙測參數(shù)測量精度高，數(shù)據(jù)有效位為小數(shù)點(diǎn)后3位，能精確實(shí)時反映器件的在軌性能；曲線于界面上動態(tài)顯示，直觀反應(yīng)采集的遙測參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控；均值和方差實(shí)時計(jì)算，計(jì)算精度高，誤差??；同時曲線可以實(shí)時放大和縮小，便于數(shù)據(jù)實(shí)時精確觀察和監(jiān)控。

圖4　Keithley數(shù)據(jù)采集監(jiān)控儀界面圖

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為機(jī)載航空電子設(shè)備各部件地面模擬在軌性能指標(biāo)提供了實(shí)時有效的監(jiān)控途徑，為航空機(jī)載電子設(shè)備的質(zhì)量提供了有力的保證。

4　結(jié)束語

介紹了基于KEITHLEY2700模塊在VC++6．0平臺上實(shí)現(xiàn)的多通道數(shù)據(jù)高精度實(shí)時采集與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。KEITHLEY2700采集頻率高，速度快，保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性和可靠性；實(shí)時作圖功能以及數(shù)據(jù)處理功能的實(shí)現(xiàn)，使研究人員能夠直觀地分析數(shù)據(jù)變化的動態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控；采用靈活的保存操作，完成數(shù)據(jù)的自動實(shí)時存儲。

目前該系統(tǒng)已被用于各種空間遙感設(shè)備電子學(xué)地檢設(shè)備試驗(yàn)中，對設(shè)備的各種遙測參數(shù)進(jìn)行測量及監(jiān)控。試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)具有實(shí)時性好、操作方便以及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足數(shù)據(jù)的高精度實(shí)時采集與監(jiān)控的要求。

參考文獻(xiàn)：

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[5]王淑榮，李福田，宋克非．FY-3A氣象衛(wèi)星紫外臭氧垂直探測儀．光學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9)：2590-2593．