C#實現儀器的自動化控制

1.概述

生產測試當中，測試儀器不可或缺，如果是小規模生產，手動測試可以對付；但是要想到達大批量生產的目的，為了簡化測試，節約時間，就需要進行自動化測試。出於這樣的需求，對儀器的自動化程控就有了需求。

下圖是一個相對普遍的測試框架

整個控制過程中最為關鍵的部分就是上位機同測試儀器之間的通信，首先測試環境搭建完畢之后，能通信是關鍵的第一步，第二步就是用“儀器的語言”告訴儀器我們需要它們做什么。簡而言之，就是這倆步。

下面先介紹幾個相關的知識點。

2.常見的控制接口

常見的控制接口主要有：GPIB、串口（RS-232）、USB、LAN或以太網。

串行接口通信速度較慢，現代測試系統已經很少使用。

雖然現代儀表控制接口豐富, 但是,對於儀表生產廠商和用戶而言,使用最為廣泛 的是GPIB接口。

常用的USB接口版本為USB 2.0，其支持三種傳輸速率：低速1.5Mbps , 全速12Mbps 和 高速480Mbps , 傳輸速度根據外接設備自動調整,無需設置。直連最大的電纜長度5M， 最多連接設備127台。

以太網是當今現有LAN采用的最通用的通信協議標准 , 可在互聯設備間實現 10Mbps-10Gbps 數據通信。

本人在實際中用到的主要是LAN和USB方式，所以提及較多的主要是這倆種。

關於控制接口更加詳細的介紹，請到相關網站進行查閱。

3.SCPI（可編程儀器標准語言）

SCPI （Standard Command for Programmable Instrumentation）程控儀器標准命令是1990由九家儀器公司聯合推出，其建立在IEEE488.2的基礎，面向測試功能或測試信號，倡導儀器控制的一致性。

主要特點為：

1. 程控命令面向測試流程，而不是描述儀器操作；兼容的編程環境使用同樣的命令和參數來控制具有相同功能的儀器。
2. 在與通信物理連接層硬件無關的高層次上定義程控消息。
   SCPI基於IEEE488.2形成，但並不局限於GPIB接口，它也可用於RS232C,LAN,USB總線。
   
3. 與編程手段和程序語言無關，SCPI用戶測試程序模塊易於移植。
   
   

SCPI有公共的命令，即對所有的儀器都是可行的；也有特定的命令，即不同的儀器命令不同。但所有的命令都符合SCPI標准。

對於SCPI的更詳細的介紹，請查閱相關資料，這里不再贅述。

4.VISA（虛擬儀器軟件架構）

VISA是一個驅動程序軟件架構，開發這一架構的目的在於統一與GPIB、串口、以太網/LAN、IEEE 1394和USB儀器的通信，並簡化儀器的控制應用。通過VISA API，開發人員可以使用GPIB、串口、以太網/LAN、IEEE 1394和USB儀器。

VISA具備如下優勢：

• 接口獨立性--VISA提供了一個單一的API以相同的方法與儀器進行通信，而不考慮其接口類型。例如，VISA命令，發送一個ASCII字符串到一個基於消息的儀器，對於GPIB、串口、以太網/LAN、IEEE 1394和USB接口是完全相同的。
• 一種面向對象的架構，可以方便地適應未來開發的儀器接口。
• 功能全面的儀器編程特性，通過一個非常緊湊的命令集實現。

對於VISA更詳細的介紹，請查閱相關資料。

5.儀器控制過程

• 連接儀器：通過常用的控制接口將上位機和待控儀器連接。
• 確定儀器資源的名稱：也稱之為儀器描述符，描述了VISA資源的准確名稱與位置。確認儀器的資源名稱，可以到NI相關網站下載NI硬件驅動，打開NI-VISA軟件后可以識別出來。
  在設備和接口選項下面就可以找到儀器的資源名稱，如果找不到（大多數情況是使用LAN接口的情況），可以手動添加，將儀器的ＩＰ地址（有可能需要端口號）輸入，軟件就可以識別儀器。
  更詳細的介紹請查閱ＮＩ相關網站或者其他資料。
• 編寫控制程序：
  這里需要說明兩點，不同的儀器使用方法並不相同。編寫儀器控制程序有幾種方式。
  １.使用儀器驅動。有的儀器廠商可能會自己基於VISA或者SCPI開發儀器的驅動，也就是往高層做了進一步封裝，同時也是是對VISA和SCPI做了進一步封裝，這樣就進一步簡化了開發流程。我們可以根據驅動說明或者儀器的編程說明使用儀器驅動軟件架構。需要實現什么功能，調用相應的驅動API即可。還可以參考提供的樣例。
  2.使用VISA。使用VISA同儀器獲得通信的橋梁，然后將“儀器語言”通過VISA接口通知給儀器，儀器就會按我們的邏輯進行相關的操作。這里的儀器語言需要參考儀器對應的編程說明（可以到儀器相應的官網下載），主要是指SCPI通信指令集。下文會稍作詳細的介紹該方法。
  3.實現自己的通信。這一點主要是針對LAN口通信的方式來說的，因為我目前只碰到過這一種情況。有的儀器並沒有那么先進，去支持VXI-11協議，雖然也是TCPIP類的資源名稱，但是這種情況下需要我們自己去實現TCP通信過程。並不難，我們只要實現一個TCP的客戶端就可以。通過儀器提供的IP地址和PORT端口號，我們的客戶端同儀器進行TCP連接，連接完成后給儀器發送“儀器語言”，同時也會接受到儀器的響應。

下面，詳細說一下如何使用VISA同儀器進行通信。

方法一

平台：vs2013。

建立好工程后，現引入兩個.NET的托管DLL，將NationalInstruments.Common與NationalInstruments.VisaNS引用添加到項目。這兩個dll文件在C:\Program Files (x86)\National Instruments\MeasurementStudioVS20XX\DotNET\Assemblies\目錄下面可以找到。
打開一個VISA會話。

private MessageBasedSession mbSession; try{ mbSession = (MessageBasedSession)ResourceManager.GetLocalManager(). Open(resourceString.Text);//資源文件名 } catch(InvalidCastException){ MessageBox.Show("Resource selected must be a message-based session"); } catch(Exception exp){ MessageBox.Show(exp.Message); }

查詢數據，在創建了一個與我們的儀器通信的會話之后，我們可以開始發送數據至該儀器，並讀回其響應。try{ string responseString = mbSession.Query(stringToWrite.Text); } catch(Exception exp){ MessageBox.Show(exp.Message); }

我們也可用Write函數只發送不讀取數據。

最后將會話關閉
mbSession.Dispose();

需要說明一點，在用串口和USB口控制時，我用這種方法失敗了，所以用了第二種方法。現在我還沒試驗過是否該方法對所有的串口和U口都不能用，如果你測試過了，可以相互交流一下。同樣，這種方式不適用於使用Socket的儀器。

方法二

第二種方法使用visa接口。

控制流程同第一種方法差不多。首先，將Visa32.dll文件放在工程的debug目錄下面，如果不這么做，程序會先搜索debug目錄，然后搜索system32目錄，尋找Visa32.dll文件。這里，不像上面一樣，將dll文件引入項目，是因為該dll文件是.NET非托管的程序集，需要顯式引入，負責引入的類文件參考Visa32.cs。（注：通過dumpbin -depents ***.exe或dll可以查看該文件是否屬於托管，如果有mscoree.dll就是托管的，否則非托管）

在項目中建立Visa32.dll后就可以引用里面的函數。具體的使用方法請參考：NI-Visa help。

下面是部分代碼

public bool Init(){ if (m_connect){ return m_connect; } viError = Visa32.viOpenDefaultRM(out m_viDefaultRM); if (viError != Visa32.VI_SUCCESS){ return false; } viError = Visa32.viOpen(m_viDefaultRM, resourceName, Visa32.VI_NO_LOCK, Visa32.VI_TMO_IMMEDIATE, out m_session); if (viError == Visa32.VI_SUCCESS){ m_connect = true; //clears spectrum清除寄存器 Visa32.viClear(m_session); viError = Visa32.viPrintf(m_session, "*CLS\n"); if (viError != Visa32.VI_SUCCESS){ m_connect = false; } System.Threading.Thread.Sleep(10); }else{ m_connect = false; } return m_connect; }

這種方法對於不支持VXI-11協議的儀器也不適用，需要自己實現TCP通信。

對於儀器控制很多地方我還有弄清楚，暫時先把這段時間的收獲記錄一下，如果對這方面也有想法的話，可以隨時交流。