C#实现仪器的自动化控制

1.概述

生产测试当中，测试仪器不可或缺，如果是小规模生产，手动测试可以对付；但是要想到达大批量生产的目的，为了简化测试，节约时间，就需要进行自动化测试。出于这样的需求，对仪器的自动化程控就有了需求。

下图是一个相对普遍的测试框架

整个控制过程中最为关键的部分就是上位机同测试仪器之间的通信，首先测试环境搭建完毕之后，能通信是关键的第一步，第二步就是用“仪器的语言”告诉仪器我们需要它们做什么。简而言之，就是这俩步。

下面先介绍几个相关的知识点。

2.常见的控制接口

常见的控制接口主要有：GPIB、串口（RS-232）、USB、LAN或以太网。

串行接口通信速度较慢，现代测试系统已经很少使用。

虽然现代仪表控制接口丰富, 但是,对于仪表生产厂商和用户而言,使用最为广泛 的是GPIB接口。

常用的USB接口版本为USB 2.0，其支持三种传输速率：低速1.5Mbps , 全速12Mbps 和 高速480Mbps , 传输速度根据外接设备自动调整,无需设置。直连最大的电缆长度5M， 最多连接设备127台。

以太网是当今现有LAN采用的最通用的通信协议标准 , 可在互联设备间实现 10Mbps-10Gbps 数据通信。

本人在实际中用到的主要是LAN和USB方式，所以提及较多的主要是这俩种。

关于控制接口更加详细的介绍，请到相关网站进行查阅。

3.SCPI（可编程仪器标准语言）

SCPI （Standard Command for Programmable Instrumentation）程控仪器标准命令是1990由九家仪器公司联合推出，其建立在IEEE488.2的基础，面向测试功能或测试信号，倡导仪器控制的一致性。

主要特点为：

1. 程控命令面向测试流程，而不是描述仪器操作；兼容的编程环境使用同样的命令和参数来控制具有相同功能的仪器。
2. 在与通信物理连接层硬件无关的高层次上定义程控消息。
   
   SCPI基于IEEE488.2形成，但并不局限于GPIB接口，它也可用于RS232C,LAN,USB总线。
3. 与编程手段和程序语言无关，SCPI用户测试程序模块易于移植。

SCPI有公共的命令，即对所有的仪器都是可行的；也有特定的命令，即不同的仪器命令不同。但所有的命令都符合SCPI标准。

对于SCPI的更详细的介绍，请查阅相关资料，这里不再赘述。

4.VISA（虚拟仪器软件架构）

VISA是一个驱动程序软件架构，开发这一架构的目的在于统一与GPIB、串口、以太网/LAN、IEEE 1394和USB仪器的通信，并简化仪器的控制应用。通过VISA API，开发人员可以使用GPIB、串口、以太网/LAN、IEEE 1394和USB仪器。



VISA具备如下优势：

• 接口独立性--VISA提供了一个单一的API以相同的方法与仪器进行通信，而不考虑其接口类型。例如，VISA命令，发送一个ASCII字符串到一个基于消息的仪器，对于GPIB、串口、以太网/LAN、IEEE 1394和USB接口是完全相同的。
• 一种面向对象的架构，可以方便地适应未来开发的仪器接口。
• 功能全面的仪器编程特性，通过一个非常紧凑的命令集实现。

对于VISA更详细的介绍，请查阅相关资料。

5.仪器控制过程

• 连接仪器：通过常用的控制接口将上位机和待控仪器连接。
• 确定仪器资源的名称：也称之为仪器描述符，描述了VISA资源的准确名称与位置。确认仪器的资源名称，可以到NI相关网站下载NI硬件驱动，打开NI-VISA软件后可以识别出来。
  
  在设备和接口选项下面就可以找到仪器的资源名称，如果找不到（大多数情况是使用LAN接口的情况），可以手动添加，将仪器的ＩＰ地址（有可能需要端口号）输入，软件就可以识别仪器。
  
  更详细的介绍请查阅ＮＩ相关网站或者其他资料。
• 编写控制程序：
  
  这里需要说明两点，不同的仪器使用方法并不相同。编写仪器控制程序有几种方式。
  
  １.使用仪器驱动。有的仪器厂商可能会自己基于VISA或者SCPI开发仪器的驱动，也就是往高层做了进一步封装，同时也是是对VISA和SCPI做了进一步封装，这样就进一步简化了开发流程。我们可以根据驱动说明或者仪器的编程说明使用仪器驱动软件架构。需要实现什么功能，调用相应的驱动API即可。还可以参考提供的样例。
  
  2.使用VISA。使用VISA同仪器获得通信的桥梁，然后将“仪器语言”通过VISA接口通知给仪器，仪器就会按我们的逻辑进行相关的操作。这里的仪器语言需要参考仪器对应的编程说明（可以到仪器相应的官网下载），主要是指SCPI通信指令集。下文会稍作详细的介绍该方法。
  
  3.实现自己的通信。这一点主要是针对LAN口通信的方式来说的，因为我目前只碰到过这一种情况。有的仪器并没有那么先进，去支持VXI-11协议，虽然也是TCPIP类的资源名称，但是这种情况下需要我们自己去实现TCP通信过程。并不难，我们只要实现一个TCP的客户端就可以。通过仪器提供的IP地址和PORT端口号，我们的客户端同仪器进行TCP连接，连接完成后给仪器发送“仪器语言”，同时也会接受到仪器的响应。

下面，详细说一下如何使用VISA同仪器进行通信。

方法一

平台：vs2013。

建立好工程后，现引入两个.NET的托管DLL，将NationalInstruments.Common与NationalInstruments.VisaNS引用添加到项目。这两个dll文件在C:\Program Files (x86)\National Instruments\MeasurementStudioVS20XX\DotNET\Assemblies\目录下面可以找到。

打开一个VISA会话。

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

查询数据，在创建了一个与我们的仪器通信的会话之后，我们可以开始发送数据至该仪器，并读回其响应。try{
string responseString = mbSession.Query(stringToWrite.Text);
}
catch(Exception exp){
MessageBox.Show(exp.Message);
}

我们也可用Write函数只发送不读取数据。

最后将会话关闭

mbSession.Dispose();

需要说明一点，在用串口和USB口控制时，我用这种方法失败了，所以用了第二种方法。现在我还没试验过是否该方法对所有的串口和U口都不能用，如果你测试过了，可以相互交流一下。同样，这种方式不适用于使用Socket的仪器。

方法二

第二种方法使用visa接口。

控制流程同第一种方法差不多。首先，将Visa32.dll文件放在工程的debug目录下面，如果不这么做，程序会先搜索debug目录，然后搜索system32目录，寻找Visa32.dll文件。这里，不像上面一样，将dll文件引入项目，是因为该dll文件是.NET非托管的程序集，需要显式引入，负责引入的类文件参考Visa32.cs。（注：通过dumpbin
-depents ***.exe或dll可以查看该文件是否属于托管，如果有mscoree.dll就是托管的，否则非托管）

在项目中建立Visa32.dll后就可以引用里面的函数。具体的使用方法请参考：NI-Visa help。

下面是部分代码

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;
}

这种方法对于不支持VXI-11协议的仪器也不适用，需要自己实现TCP通信。

对于仪器控制很多地方我还有弄清楚，暂时先把这段时间的收获记录一下，如果对这方面也有想法的话，可以随时交流。