关键词：PXI、LabWindows/CVI、光泵磁强计、仪器控制、自动化校准
0.引言
磁场矢量测量在磁性目标探测领域有着重要的意义[1]。超导磁强计是目前灵敏度最高、精度最好的矢量磁强计，但是，超导磁强计成熟度低、使用保障复杂，还不能大范围普及应用，因此，在科学研究和工程应用领域，目前对微弱磁场矢量的测量大都采用了三轴磁通门磁强计[2-3]。弱磁测量常用磁通门产品的精度一般为1%~0.1%量级，长期零点变化达10~50nT，分辨力为1nT左右，用于地磁测量时，总场误差可达几十至数百nT[4]。光泵磁强计在地磁量级的磁场下对弱小磁场有很高的分辨力，可达10-11T以上，此外，光泵磁强计还有着磁通门磁强计所无法比拟的低噪声、高稳定性等优点[5]。
光泵磁强计自动化校准系统是利用虚拟仪器技术，通过软件控制标准磁场、信号源以及电源等设备输出，控制万用表、数字化仪等设备自动化测量，最终实现对光泵磁强计的自动化校准。
1.系统设计方案
光泵磁强计自动化校准系统基于PXI平台，其主要任务是获取标准磁场的频率和幅度、被校光泵磁强计的频率和幅度，并计算出被校设备的幅度随频率的变化情况。标准磁场由主磁场激励系统和辅助磁场激励系统联合产生，分别由主控制器和辅控制器控制。生成信号及测量仪器主要包括NI公司的PXI5922型数字化仪和安捷伦公司的34410A型数字万用表、33220A型信号发生器、53232A型频率计。各设备的连接图见图 1。
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图 1设备连接图
如图 1所示，控制软件按以下方式控制各仪器设备：
（1）控制软件通过LAN总线控制信号发生器生成波形给主控制器，使其产生相应的激励信号。
（2）通过PXI总线控制数字化仪测量主控制器产生的信号。
（3）通过串行总线给主控制器设置参数以及发送控制指令。
（4）通过串行总线控制直流电流源输出给辅控制器，使其产生相应的激励信号。
（5）通过LAN总线控制数字万用表测量辅控制器的电流值，进一步计算可得到辅磁场的幅度值。
（6）通过串行总线获取频率计测量值，计算出被校光泵磁强计的频率和幅度。
2.仪器控制技术
根据各仪器接口的不同，本系统使用了三种仪器控制总线，包括PXI总线、LAN总线和串行总线。不同总线下的仪器控制策略各不相同，下面逐一介绍：
（1）PXI总线
NI公司的PXI5922型数字化仪安装在PXI机箱中，软件需要通过PXI总线来控制数字化仪。NI公司提供了NI-SCOPE驱动程序，该驱动程序为各型号的数字化仪提供了统一的接口，在安装完该驱动后，软件可通过调用相关接口来访问数字化仪。
（2）LAN总线
安捷伦公司的34410A型数字万用表和33220A型信号发生器通过LAN总线接入系统。对于这两台设备，可供选择的仪器驱动程序有三大类，分别为：IVI（可互换的虚拟仪器）、Plug&Play（即插即用）和直接I/O。这里选择了IVI驱动，虽然IVI驱动最为复杂，但是相对另外两类驱动，它具有仪器可互换性、仿真、状态缓存和多线程安全等优点，是构建经久可用的可互换测试系统的最佳选择。
（3）串行总线
主控制器、直流电流源、频率计通过串行总线接入系统。对于这三种设备，软件按通信协议发送相应的指令以及解析接收的数据即可。
3.软件设计
软件在LabWindows/CVI平台下开发，LabWindows/CVI是将C语言与测控技术领域专业工具有机结合，实现数据采集、分析和显示，是一种基于C语言的虚拟仪器开发平台。软件采用了分层设计的三层架构，包括UI层、业务逻辑层和仪器访问层，各层之间从上向下调用，最下层的仪器访问层需要调用仪器驱动来实现，各模块间的关系如图 2所示。
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图 2 软件架构图
借助LabWindows/CVI的可视化编辑器，实现了界面与代码逻辑的分离，所有界面均位于UI层中，利用可视化编辑器进行设计，而每个界面对应的C模块则位于业务逻辑层中，包含了界面中所有的回调函数。业务逻辑层需要通过仪器访问层来控制各仪器，仪器访问层包括SCOPE5922.c、DMM34410.c、FGEN33220.c三个模块，功能分别如下：
（1）SCOPE5922.c模块
该模块封装了PXI5922型数字化仪的相关功能，包括：仪器初始化、仪器自检、关闭仪器、测量信号等功能。
（2）DMM34410.c模块
该模块封装了34410A型数字万用表的相关功能，包括：仪器初始化、仪器自检、关闭仪器、测量电流值等功能。
（3）FGEN33220.c模块
该模块33220A型信号发生器的相关功能，包括：仪器初始化、仪器自检、关闭仪器、输出任意波形等功能。
4.结语
PXI平台上通过LabWindows/CVI开发的软件，利用仪器控制技术控制总线上的数字化仪、信号发生器、数字万用表、直流电压源、主控制器、辅控制器等仪器设备，实现了对光泵磁强计的自动化校准。
参考文献
[1]张宁，林春生，庞学亮.基于低功耗器件的固态矢量地磁探测器[J].探测与控制学报，2009,31(3):28-30.
[2]Hemshorn A,Auster H U,Fredow M.DI-flux measurement of the geomagnetic field using a three-axial fluxgate sensor[J].Measurement Science and Technology,2009,20(2):1-5.
[3]毛伟，林春生，庞学亮.基于三轴磁强计的姿态控制设计方法[J].系统工程与电子技术，2008.30(3):544-547.
论文作者:陈晨
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年2月4 期
论文发表时间:2020/4/30