摘 要：本文介紹了如何利用計算機采用GPIB接口及HP標準儀器控制庫與TD3000光時域反射儀進行連接的方式、方法，實現(xiàn)了計算機對TD3000程控儀器的測量控制。同時介紹了系統(tǒng)中所應用的HP標準儀器控制庫中的函數(shù)及TD3000程控儀器命令，并設計了計算機控制儀器完成一次測量過程的原始數(shù)據(jù)的讀取方法和程序流程。 關鍵詞：GPIB接口;光時域反射儀;標準儀器控制庫;程控儀器 1 引 言 　　計算機技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展與普及，促進了電子測量儀器的快速發(fā)展。而早期采用獨立臺式測量儀器來完成的測試工作已不能滿足現(xiàn)代測量任務的要求，因此，自動測試系統(tǒng)在企業(yè)的生產(chǎn)、科研和工程中得到大規(guī)模的發(fā)展和應用。自動測試系統(tǒng)即是以計算機軟硬件系統(tǒng)為核心，包括測量用儀器儀表、測試對象等組成計算機控制系統(tǒng)。專為儀器控制應用而設計的GPIB接口由此誕生，并廣泛運用于儀器儀表的自動測試系統(tǒng)中，成為了智能儀器儀表的標準接口。雖然新興的接口和總線技術(shù)不斷地運用于自動測試系統(tǒng)中，但由于GPIB擁有強大的功能、成熟的技術(shù)支持與廣大的使用者，使GPIB仍將是自動測試系統(tǒng)中的重要組成部分，在系統(tǒng)的組建中，實現(xiàn)對儀器儀表的GPIB控制是最基本和重要的環(huán)節(jié)。本文將分析和設計使用計算機通過GPIB接口控制TD3000 OTDR儀器，實現(xiàn)儀器的程控測量和測量數(shù)據(jù)讀取方法。 　　TD3000 OTDR儀器，即光時域反射儀，廣泛運用于光纖光纜生產(chǎn)、工程等行業(yè)，是對光纖的長度、衰減等重要指標進行測量以及斷纖位置定位。常規(guī)的操作是在儀器的控制面板上通過各種開關和旋鈕完成測量，人工操作較繁瑣，數(shù)據(jù)顯示也較單一并且測量結(jié)果不易保存和作后續(xù)進一步分析處理。此儀器有GPIB標準接口，可與計算機連接組成自動測試系統(tǒng)，完成人工難辦或無法進行的測量任務。 2 應用系統(tǒng)組成及GPIB接口簡介 　　2.1 應用系統(tǒng)組成設計 　　一個典型的GPIB自動測試系統(tǒng)如圖1所示，由一臺安裝有GPIB接口卡的主控計算機與多臺帶有GPIB接口的測試儀器通過GPIB總線連接而成，其連接方式有總線形式或星形的連接，也可以是兩種方式的組合。測試軟件運行在主控計算機上，通過GPIB接口卡，對測試儀器進行自動操作和遠程控制。 [align=center] 圖1 基于GPIB總線的儀器控制系統(tǒng)框圖[/align] 　　在本設計系統(tǒng)中GPIB儀器為一臺TD3000 OTDR程控儀器，GPIB接口卡采用美國Agilent公司的PCI-GPIB 82350A 型接口卡，計算機平臺采用臺式微機，并安裝接口卡驅(qū)動程序及HP SICL儀器控制I/O函數(shù)庫[1]。 　　2.2 GPIB接口簡介 　　GPIB接口，即通用儀器標準接口，也稱為IEEE-488標準。其數(shù)據(jù)傳輸受三根信號線的制約，為“三線掛鉤”應答方式的異步數(shù)據(jù)傳輸。該通信總線由8根雙向數(shù)據(jù)線DIO1-DIO2，3根信號交換線DAV、NRFD、NDAC，5根通用控制線ATN、IFC、SRQ、REN、EOI以及8根地線，共24根線組成。總線上可連接15臺儀器或設備，統(tǒng)稱之為器件，向總線發(fā)送數(shù)據(jù)的設備稱為“講者”，從總線上接收數(shù)據(jù)的設備稱為“聽者”，控制總線的設備稱為“控者”。在GPIB的數(shù)據(jù)傳輸過程中，三根信號交換線，DAV數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)有效由講者使用，NRFD（未準備好接收數(shù)據(jù)）和NDAC（未收到數(shù)據(jù)）由聽者使用，可實現(xiàn)廣播式傳輸，即一對多的傳輸方式。其數(shù)據(jù)的傳輸過程是：DAV=0，表示數(shù)據(jù)線上沒有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)尚未有效。講者必須在所有聽者均已準備好接收數(shù)據(jù)的情況下，即NRFD=0，才會令DAV=1。聽者在得知數(shù)據(jù)有效，即DAV=1時，一方面將NRFD=1，以準備下一個數(shù)據(jù)的傳送，另一方面在數(shù)據(jù)接收完畢以后，立即以NRFD=0來告知講者。講者撤消原數(shù)據(jù)，即令DAV=0，聽者在講者撤消數(shù)據(jù)以后，以NRFD=1來應答，結(jié)束一次數(shù)據(jù)傳輸。若還有數(shù)據(jù)要傳輸，重復上述過程。從GPIB這種三線掛鉤方式的數(shù)據(jù)傳送過程可以看出，它是一種雙向全互鎖的異步傳輸過程，其特點不但保證了自動適應不同傳輸速率的設備，更保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在本系統(tǒng)中作為“控者”的設備是微機系統(tǒng)，而TD3000 OTDR程控儀器可工作在“聽者”和“講者”兩種模式。 　　2.3 HP SICL簡介 　　HP SICL是隨GPIB接口卡連同驅(qū)動程序一起提供的HP標準儀器控制庫，它是一個能安裝于各種計算機體系、I/O接口和操作系統(tǒng)的標準模塊化儀器通訊庫。在C/C++或VB中運用此標準儀器通訊庫所編寫的應用程序可以不加修改或較小修改地從一個系統(tǒng)移植到另一個系統(tǒng)。SICL標準函數(shù)適用于多種接口的通訊應用，由于庫函數(shù)命令與特定通信接口無關，所以在一個接口上對一臺儀器所編寫的通訊程序可應用在其它接口上的相同儀器。同時SICL也為程序員提供了基于不同I/O接口上的函數(shù)命令。 　　驅(qū)動程序和SICL的安裝可采用系統(tǒng)默認方式完成。安裝完成之后需運行RUN IO CONFIG程序，并設置或采用默認的接口名和總線地址，本設計中接口名為hpib7，總線地址為21[2]。 3 控制系統(tǒng)的軟件設計 　　3.1 TD3000儀器命令 　　TD3000儀器共有25條程控命令，有啟動、測量參數(shù)設置和讀測量結(jié)果及測量原始數(shù)據(jù)等命令，計算機通過GPIB接口發(fā)送這些命令實現(xiàn)對儀器的遠程控制，可以完成幾乎所有常規(guī)操作儀器面板的功能，命令的具體格式在TD3000儀器操作手冊上有詳細說明。使用這些命令計算機除可以讀出儀器的測量結(jié)果，如光纖的長度、衰減等外，還可以直接讀取儀器測量的原始數(shù)據(jù)，再利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多種算法、顯示、保存或打印，有效的擴展了儀器的功能，大大簡化了人工操作，提高了效率。本設計即采用此方式，其主要使用的程控命令是OT命令，即輸出曲線軌跡數(shù)組命令，此命令是TD3000最重要命令之一。其返回信息與其它命令不同，OT命令返回兩種信息，首先是ASCII字符串的頭記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為〈ndata〉，〈nscans〉，〈delta〉〈endm〉，分別表示整個曲線的數(shù)據(jù)點數(shù)、掃描時間、數(shù)據(jù)點之間的距離和終止符。其次是符合ANSI/IEEE Std 728-1982二進制數(shù)據(jù)塊傳輸標準的曲線數(shù)據(jù)包，包中數(shù)據(jù)以“#”和“B”為前綴，后兩字節(jié)為包中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，接下來為曲線數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)，每兩個字節(jié)為一個數(shù)據(jù)點，最后以一個字節(jié)的效驗和結(jié)束。數(shù)據(jù)包的最大字節(jié)數(shù)為1024字節(jié)，因此一條軌跡曲線的數(shù)據(jù)一般需要由多個數(shù)據(jù)包組成[3]。 　　3.2 軟件設計 　　根據(jù)以上的設計分析，計算機控制儀器完成一次測量，并從儀器中讀出原始測量數(shù)據(jù)是系統(tǒng)設計中最重要和最基本的任務。本設計采用C語言編程，調(diào)用SICL函數(shù)來實現(xiàn)對TD3000儀器的控制。如圖2是完成一次測量控制并讀取原始測量數(shù)據(jù)的程序流程[4]，此流程中INST [align=center] 圖2測量控制程序流程圖[/align] 　　是SICL頭文件中所定義的設備標識符數(shù)據(jù)類型，通過iopen（“hpib7，21”）打開函數(shù)獲得要通信儀器或設備的標識符，其中“hpib7，21”為運行安裝SICL后的IO CONFIG程序所產(chǎn)生的接口名和總線地址。變量和參數(shù)是根據(jù)程序設計中使用變量定義，如定義存放一個數(shù)據(jù)包的數(shù)組char buf[1024]以及存放曲線數(shù)據(jù)點的數(shù)組int dPoint[ndata]等。接下來是接口的出錯及超時處理，儀器參數(shù)的設置是根據(jù)測量過程的實際要求來確定的，這里需要發(fā)送多個TD3000儀器程控命令，使儀器完成所要求的測量任務，此處用庫函數(shù)iprinf（id，format[，arg1][，arg2][，…] ）來實現(xiàn)，如啟動掃描命令“SS 12”，命令“SS”后的數(shù)值參數(shù)是掃描平均時間，根據(jù)測試光纖長度及TD3000測試手冊確定，其應用函數(shù)格式為iprinf（id，“SS 12\n” ），此函數(shù)根據(jù)應用的需要可同時完成多個命令的發(fā)送。掃描完成與否，可讀取儀器狀態(tài)進行檢查，判斷掃描平均是否結(jié)束，發(fā)送iprinf（id，“OS\n” ）后，返回信息格式為，，用庫函數(shù)iscanf（id，format[，arg1][，arg2][，…] ）讀取狀態(tài)，具體應用函數(shù)為iscanf（id，“%c，%c”，&err,&tstat ）,判斷tstat是否等于2且err=0,表示掃描平均完成曲線數(shù)據(jù)準備好。此時可直接讀取儀器測量并按儀器固定方式計算出的結(jié)果，或者讀出儀器測量的原始數(shù)據(jù)，由計算機完成對此數(shù)據(jù)的計算及處理。本設計采用后者方式，因此發(fā)送OT命令。 　　根據(jù)上文的分析可知，OT命令返回兩種信息，即與其它命令相似的ASCII信息和符合ANSI/IEEE Std 728-1982標準的二進制數(shù)據(jù)信息，對于這兩種信息采用不同的庫函數(shù)來完成數(shù)據(jù)的讀取，即用函數(shù)iscanf（id，“%d，%d，%f”，&ndata,&nscan,&delta ）來讀取曲線數(shù)據(jù)的頭記錄（Header Record），曲線數(shù)據(jù)點數(shù)ndata用來計算要讀幾個數(shù)據(jù)包，nscan實際掃描平均時間單位是毫秒，delta相鄰數(shù)據(jù)點間長度，用于計算光纖長度。用函數(shù)iread（id，buf，bufsize，reason，actualcnt）來讀曲線數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式分析，首先讀四個字節(jié)，函數(shù)應用為iread（id，buf1，4，NULL，NULL），buf1[0]、buf1[1]應為ASCII數(shù)據(jù)“#”和“B”，buf1[2]和buf1[3]為數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，因此需要再讀字節(jié)為bytect= buf1[2]＊256+buf1[3]+1，此處加上了一個字節(jié)的效驗和，其函數(shù)應用為iread（id，buf2，bytect，NULL，NULL），由此完成了一個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)讀出。按兩個字節(jié)為一個曲線數(shù)據(jù)點計算所讀數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)點，與頭記錄中數(shù)據(jù)點比較，若相等則完成測量原始數(shù)據(jù)的讀出程序，若不相等再讀一次，直至讀完所有數(shù)據(jù)點。整個曲線數(shù)據(jù)點存放于dPoint[ndata]數(shù)組中，其最大為16384個數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)值為-2720～8160，計算機可應用此數(shù)組編程完成數(shù)據(jù)的各種計算及處理，以滿足用戶對儀器測量結(jié)果的多方面要求。 4 結(jié)束語 　　本文主要討論了計算機控制TD3000儀器完成一次測量過程所采用的方式、方法及程序流程，本設計在實際應用系統(tǒng)中實現(xiàn)了計算機對TD3000 OTDR儀器的測量控制，并在實際的生產(chǎn)測試中，取得了良好的效果，不但提高了測試效率，更實現(xiàn)了手工操作難以完成的測試任務。其設計思路和方法也適用于其它類型的程控儀器的計算機控制系統(tǒng)，對用一些老式儀器來組建自動測試系統(tǒng)，提供了一種改造方法。 　　本文作者創(chuàng)新點：本文介紹的對儀器控制系統(tǒng)的設計不是直接讀取儀器測量并計算出的結(jié)果，而是讀取儀器測量的原始數(shù)據(jù)，由計算機來處理原始數(shù)據(jù)，因此可充分發(fā)揮計算機的數(shù)據(jù)運算和處理能力，極大的擴展了原有儀器的功能，滿足用戶對儀器測量結(jié)果新的需求。 參考文獻 　　[1] 張煥林,穆建成.基于GPIB技術(shù)的自動測試系統(tǒng)設計[J].微計算機信息,2005,（5）:165-166. 　　[2] HP Standard Instrument Control Library Guide[Z].USA:Hewlett-Packard Company.1998. 　　[3] TD-3000 OTDR Operating Instructions[Z].USA:Laser precision corp.1994. 　　[4] 譚浩強.C程序設計[M]. 北京:清華大學出版社,1991.