基于AgilentVEE的电学性能软件测试系统设计与开发.docx
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基于AgilentVEE的电学性能软件测试系统设计与开发
1绪论
1.1课题背景及意义
本课题以国家自然科学基金（青年基金）项目“基于MEMS技术的反铁电厚膜微悬臂梁场致效应研究”为背景[1-2]。
研究计划要点：
（1）研究制定PLZT反铁电厚膜异质集成及工艺的优化方案，完成PLZT基反铁电厚膜的介电性能测试分析，研究其相变行为特性与规律。
（2）硅基反铁电微悬臂梁结构的有限元仿真分析，设计制造反铁电厚膜微悬臂梁驱动构件。
（3）完成反铁电厚膜的微驱动构件的响应执行能力的测试与评估。
意义：
当今，智能仪器[3]已经成为了仪器发展的必然方向，仪器与计算机的高速稳定通讯及可编程控制是实现智能仪器的基本手段。
本课题要完成的任务就是使用SCPI指令，通过VEE软件实现电流、电压、电容这些物理量的自动采集。
通过查阅相关资料掌握相关仪器的SCPI指令的编写方法，了解VEE软件的开发环境，以及它在控制仪器设备、测试测量软件的开发及应用方面的优势。
本课题的意义在于通过对仪器仪表的编程控制，实现数据的智能采集。
1.2主要研究内容
本课题主要进行基于虚拟编程语言的电学性能软件测试系统设计与开发，完成以下内容：
（1）了解PLZT反铁电材料相变机理及相关测试原理；
（2）掌握利用工控软件实现自动测试的方法；
（3）掌握VEE虚拟程序语言的设计方法；
（4）熟练应用VEE虚拟程序语言；
（5）掌握GPIB、RS-232等接口与计算机的通讯方法；
（6）编写介电温谱、偏压、频谱、电流电学性能自动测控软件系统。
1.3铁电性与铁电相变
在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性[4]（ferroelectricity）。
有一类物体在转变温度以下，邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化。
这类晶体叫反铁电体[5-6]。
反铁电体一般宏观无剩余极化强度，但在很强的外电场作用下，可以诱导成铁电相，其P-E呈双电滞回线，PbZrO3在E较小时，无电滞回线，当E很大时，出现了双电滞回线。
反铁电体也具有临界温度-反铁电居里温度。
在居里温度附近，也具有介电反常特性[7-8]。
当温度高于某一临界温度时，晶体的铁电性消失，并且晶格亦发生转变，这一温度是铁电体的居里点。
由于铁电性的出现或消失，总伴随着晶格结构的改变，所以这是个相变过程。
当晶体从非铁电相（称顺电相）向铁电相过渡时，晶体的许多物理性质皆呈反常现象。
对于一阶相变常伴随有潜热的发生，对于二阶相变则出现比热的突变。
铁电相中自发极化强度是和晶体的自发电致形变相关，所以铁电相的晶格结构的对称性要比非铁电相（顺电相）的为低。
如果晶体具有两个或多个铁电相时，表征顺电相与铁电相之间的一个相变温度，统称为过渡温度或转变温度。
（在此附近时，介电系数常有迅速陡降的现象）。
由于极化的非线性，铁电体的介电系数不是常数，而是依赖于外加电场的，一边，以电滞回线中OA曲线在原点的斜率来代表介电系数，即在测量介电系数ε时，所加的外电场很小。
铁电体在过渡温度附近，介电系数ε具有很大的值，当温度高于居里点时，介电系数随温度变化的关系遵守居里-外斯定律[9]：
。
式中T0称为特性温度，他一般略低于居里点，C称为居里常数，而代表电子极化对介电系数的贡献，在过渡温度时，可以忽略。
1.4PLZT材料
锆钛酸铅镧陶瓷（PLZT）是属PZT锆钛酸铅系压电陶瓷。
是HaertlingGH在1970年用球磨和热压烧结工艺制备了透明的光电陶瓷PLZT[10-12]。
一种铁电陶瓷光电材料。
其光学特性可被电场或者通过拉伸或压缩而改变。
用于各种光电存储器和显示设备中。
亦称为掺镧锆[酸铅]钛酸铅。
2虚拟仪器系统与AgilentVEE
虚拟仪器技术是20世纪90年代发展并兴起的一项新技术，主要应用于自动测试、过程控制、仪器设计和资料分析等领域，其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件。
虚拟仪器（VI）的出现是仪器测试测量领域的一个突破，代表着仪器测试测量发展的最新方向和潮流实现了测试测量技术和计算机技术的真正融合，是计算机技术和现代测量技术高速发展共同孕育出的一项新技术。
VEE适用于产品的跟踪测试，包括从产品设计、生产及品质控制等一系列的产品制造过程，在VEE先前的版本中，VEE被认为仅仅在产品设计阶段创建快速简单的程序，但随后的VEE5.0以及VEE6.0提供了一个速度更快、功能更强大的用户开发环境、界面以及功能控件，使得用户可以更直接地针对产品生产与制造的整个周期。
2.1虚拟仪器系统的构成及技术优势
虚拟仪器[13]是随着计算机技术、现代测量技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器，是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的产物，它推动着传统仪器朝着数字化、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。
自1986年美国国家仪器公司（NationalInstruments,简称NI）提出虚拟仪器（VirtualInstrument,简称VI）的概念以来，虚拟仪器这种计算机操作的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用。
利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量精度与速度，其具有灵活方便、成本低廉、效率高等特点，使其成为现代测量系统发展的主流。
虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于资料分析、过程通信及图形用户接口的软件组成的测控系统，与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：
信号的采集与控制、信号的分析与处理、数据结果的表达与输出。
与传统仪器相比，虚拟仪器技术具有高效、易用、开放、灵活、技术更新快、功能强大、性价比高、用户可自定义等诸多优点，其优势是显而易见的，表2.1是虚拟仪器与传统仪器相关性能的对照表。
虚拟仪器系统[14]由仪器硬件和应用软件两大部分组成，仪器硬件是计算机的外围部分与计算机构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是应用软件的基础，而应用软件则赋予系统相关功能。
1.虚拟仪器系统的硬件构成
虚拟仪器的硬件系统[15]一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。
1）计算机硬件平台
计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等，它是虚拟仪器的硬件基础。
2）测控功能硬件
按照测控功能硬件的不同，目前较为常用的虚拟仪器系统是GPIB仪器控制系统、VXI仪器控制系统。
（1）GPIB仪器控制系统。
GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus），即通用接口总线技术，是把程控仪器设备与计算机紧密联系起来，也就是利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组成大型自动测试系统，易于升级，维护方便，仪器功能和面板可自定义，开发和使用相对容易，可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。
利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，最大可能地排除人为因素造成的测试测量误差。
由于可预先编制好测试程序去实现自动测试，所以提高了测试效率。
（2）VXI仪器控制系统。
VXI总线（VMEBusExtensionForInstrument）是一种高速计算机总线-VEM总线在仪器测试领域应用的扩展，由于具有标准开放、结构紧凑、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步准确、模块可重复利用等优点，很快得到广泛应用。
在组建大、中规模自动测试测量系统及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器无法比拟的优势，为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。
2.虚拟仪器系统的软件构成
虚拟仪器系统的软件[16]一般由三部分构成：
设备驱动程序、信号的数字处理程序、虚拟仪器面板程序。
（1）设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础，每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的；设备驱动程序都具有一个共同的应用程序编程接口（API）。
（2）信号的数字处理程序主要是对采样信号进行非实时的再现和离线分析。
该部分包含了很多信号处理的金典算法，能够对信号数据进行后期的数字信号处理是虚拟仪器的突出优势，也是其应用日益广泛的主要原因之一。
（3）虚拟仪器面板程序是虚拟仪器软件的核心，它直接面向用户，是虚拟软件的最上层，可以提供与用户交互的界面，而且能够通过面板上的各种控件来完成控制虚拟仪器的工作；虚拟仪器面板程序的开发环境与虚拟仪器系统功能是否容易实现有着密切的关系。
虚拟仪器系统的应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户通过提供直观友好的测控操作接口，丰富的资料分析与处理功能，来完成自动测试任务。
对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：
（1）传统编程软件进行编写，主要有Mocrosoft公司的VisualBasic与VisualC++、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder。
（2）用专业图形化编程软件进行开发，如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW以及LabWindows/CVI等。
3.虚拟仪器技术的优势
虚拟仪器自创建以来走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过十多年来的不断发展正沿着控制总线与驱动程序的标准化、硬/软件的模块化、硬件模块的即插即用化、编程平台的图形化等方向发展。
随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术的飞速发展，融合了计算机技术的虚拟仪器技术的内容将会更加丰富。
美国泰克公司、HP公司以及NI等公司均已开发出或正在致力于开发通过Internet网进行远程测试的开发工具。
虚拟仪器技术是现代电子测量仪器发展的主流，其在国际早已进入实用阶段，我国虽然在虚拟仪器的硬件平台和软件平台研制方面起步较晚，但发展迅速，特别是在电子测量、电子工程、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中已取得广泛应用，相信其必将在更多、更广的领域得到应用和普及。
2.2本课题相关智能仪器介绍
本节将介绍本课题已用到的相关测控仪器，如Keithley6517B静电计/高阻计、Agilent4284A精密LCR测试仪和厦门宇电AI-708P温控仪。
将对这些测控仪器的功能、操作面板等方面进行详细介绍。
因为，这些测控仪器是组成虚拟仪器系统的测控功能硬件。
吉时利五位半显示的吉时利6517B提供的精度和灵敏度指标是高于其他同类型仪表。
Keithley6517B高阻表/静电计丰富的功能使测量高阻和绝缘材料电阻率变得简单。
吉时利6517B具有425读数/秒的读数率，比同类型的静电计显著的快，可以提供快速、简易的方式测量弱电流。
Keithley6517B的前面板和后面板如下图所示。
图2.1Keithley6517B的前面板
1指示器2功能键3量程键4手柄5显示键
6操作键7电压源键8电压源工作指示灯9扫描卡控制键
图2.2Keithley6517B的后面板
1输入接头2前置放大器输出3COMMON端4机壳地52V输出
6湿度7温度类型K8电源输入9IEEE-488连接器10联锁11RS-232串口12数字输入/输出13互锁连接14V-SOURSEHI和LOW15扫描卡插槽
Agilent4284A精密LCR测试仪是用于元件和材料测量的价廉物美的仪器。
它通过提供精确、高吞吐量的测试方法来改善元件的质量。
20Hz到1MHz宽的测频范围和优良的测试信号，使4284A在测试元件时符合最通行的测试标准如IEC/MIL标准（国际电工委员会或美国军用标准），且工作在模拟所使用的工作条件下。
无论在研究开发、生产、质量保证中还是进货检验，4284A都能满足全部LCR测量要求。
20Hz-1MHz具有8600个以上的测试频率005％的基本精度，6位数字分辨率恒定的V或I测试信号电平20Vrms电平选件（选件001）用Alilent42841A进给出40Adc具有列表扫描测量功能。
厦门宇电程序高性能智能温控器AI-708P可实现任意斜率的升、降温控制，具有跳转（循环）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，并允许在程序的控制运行中随时修改程序。
具备30+20段程序控制功能，可实现任意斜率的升、降温控制，具有跳转（循环）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，并允许在程序的控制运行中随时修改程序；采用具备曲线拟合功能的AI人工智能调节算法，能获得光滑平顺的曲线控制效果；可在程序运行中编辑事件输出功能，配合控制外部设备动作；利用SV变送输出功能可以作为程序发生器使用；具备测量值启动功能、准备功能及五种停电/开机事件处理模式选择。
2.3AgilentVEE概述
VEE[17]的成长在自动控制及虚拟仪器的发展中扮演着极其重要的角色，众所周知，数据采集、仪器控制以及自动测试一直都是测试实验室以及工业自动控制领域最关心的问题。
一直以来，许多工程技术人员都希望能通过一个更快捷的方式得到测试结果，并从单一而繁琐的测试过程中摆脱出来。
随着个人计算机的日益发展，工程师们都希望能采用通用PC机控制仪器的方法，利用相应的工程编译软件，完成仪器控制，数据采集已经数据处理，从而实现完全的自动测试。
从自动控制的两个重要方面看，在仪器控制硬件方面，GPIB总线现已成为连接仪器与计算机的通用标准接口，除了不同仪器设备生产厂商对IEEE-488标准个别解释不同之外，用户在配置仪器和系统上基本已没有问题。
但在仪器控制软件的发展上，仍然存在许多问题，当时几乎所有的仪器控制程序都是由BASIC语言编写，虽然BASIC语言具有简单、可读性强的命令集和交互能力等优势，但与其他基于文本的高级语言一样，它也存在一个根本问题，即要求使用仪器的工程技术人员成为程序员，因为用户必须将他们关于仪器和应用的知识转化成一行行的程序代码，以形成测试程序，这个过程经常是费时费力的苦差事，尤其是对于那些很少编程或基本没有程序经验的用户更是如此，而VEE的出现极大的解决了这个困扰工程师们许久的问题。
VEE更适用于产品的跟踪测试，包括从产品设计、生产及品质控制等一系列的产品制造过程，在VEE先前的版本中，VEE被认为仅仅在产品设计阶段创建快速简单的程序，但随后的VEE5.0以及VEE6.0提供了一个速度更快、功能更强大的用户开发环境、界面以及功能控件，使得用户可以更直接地针对产品生产与制造的整个周期。
完成VEEPro7.5及I/OLibraries系统安装后，就可以进入VEE进行编程，但在编程之前必须先熟悉一下VEE开发环境。
在安装完VEEPro7.5后，单击桌面的开始按钮，选择程序集中的AgilentVEEPro7.5，用户会看到如图2—3所示的VEE程序开发环境窗口；VEE允许在桌面同时开启数个VEE开发环境的窗口，这样使得用户可以很容易地在数个VEE开发窗口下对VEE程序进行相互编辑。
VEE开发环境的窗口主要由7个部分组成，图2.3列出了所有7个部分并给出了它们各自的名称。
图2.3VEE程序开发环境
VEE是一种基于图形式开发、调试和运行程序的集成化环境，其基本编程单元是一系列的功能控件，所以功能控件是在VEE的主菜单下选取并创建，然后连线并最终完成一程序，而虚拟仪器则接收来自控件的指令并完成其特定的功能。
VEE不但是面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发环境，实际上也是一种高效的图形化软件设计语言，其主要功能包括：
管理和控制仪器设备、数据采集和处理、可视化数据显示、与其他语言（如C/C++、VisualBasic、MatLab等）的交互使用、以及远程Web监控等。
VEE进行虚拟仪器设计还具有一下特点及优势：
（1）便捷、灵活的操作界面。
（2）支持多种大众的测试平台。
（3）运用简单且功能强大的工具文件。
（4）直观明了的用户操作界面和流程图式的编程。
（5）可视性程序能有效地减少程序开发及维护的时间。
（6）内具的除错功能可有效地开发及维护大规模、复杂的程序。
（7）使用ActiveX、DDE以及TCP/IP可进行网络连接和数据交换。
（8）可集成其他如C++、VisualBasic、Pascal、Fortran和HpBasic等开发语言。
（9）可输出测试数据到标准的Excel数据库及Word文档中，立即显示所需分析结果并实现打印。
2.4SCPI指令
可程控仪器[18]标准指令集是构架在IEEE488.2的新一代仪器控制语法，其着眼点在于能用相同的标准仪器控制语言就可以控制任一厂家的仪器，这样使用着就不必学习每一部仪器的命令语法，方便系统的组建。
SCPI作为仪器程控命令，实现对仪器的控制，使得不同测试仪器的相同功能具有相同的命令形式，在横向上使测试仪器兼容。
同时，SCPI使用相同的命令来控制同一类仪器中的相同功能，从而使得仪器在纵向上兼容。
2.4.1SCPI指令语法
⒈结构树
同计算机操作系统中磁盘路径一样，SCPI指令语句为树型结构。
每个子目录为一个子系统，例如，如图2.4所示，下面列出SENSel子系统的一部分信息：
[SENSe[1]]
：
DATA？
：
FUNCtion
：
VOLTage
[:
DC]
：
RANGE
[:
UPPer]
:
AUTO|ONCE
：
REFerence
:
STATe
:
ACQuire
图2.4SENSel指令层次
⒉指令形式
每个SCPI指令都有简略形式，而且大部分也有较长的完整形式。
指令语句中大写字母部分是指令的简略形式，连同指令名称剩余的小写字母部分构成指令的完整形式。
这两种形式之间没有过渡形式，使用时必须输入准确的简略形式或完整形式。
⒊查询指令
除个别指令，SCPI指令都有相应的通讯查询指令。
当某一指令对仪器设置了的控制点时，查询指令可显示控制点的当前设置。
查询命令仅仅是在SCPI指令后加“？
”符即可。
还有一些查询没有相应的指令。
例如，SENSel:
DATA？
让仪器返回最新的读数。
这里没有通讯指令发送读数数据到仪器。
2.4.2SCPI子系统指令
SCPI指令系统包含13个子系统，分别是CALCulate子系统，DISPlay子系统,FORMat子系统,OUTPut子系统,:
ROUTe子系统,:
SENSel子系统,:
SOURce子系统,:
STATus子系统,:
SYSTem子系统,:
TRACe子系统,:
TRIGger子系统,:
TSEQuence子系统和：
UNIT子系统。
本小节将重点介绍在本课题中用到的SCPI指令，如表2.1所示，这些指令属于不同的子系统，它们将帮助完成仪器自动测试，实现介电温谱、偏压、频谱、电流的自动测量。
表2.1本课题用到的SCPI指令
SCPI指令
指令功能
:
syst:
tscon
允许外部温度读数
:
syst:
zchon
开启零校验
:
syst:
zchoff
关闭零校验
:
syst:
zcoron
执行零校验
:
sour:
volt:
mconon
打开内部电压源LO连接
:
sour:
volt0
设置电压源的幅值为0
:
trig:
sour:
imm
设置控制元为立即触发
:
trig:
imm
绕过测量控制源和延迟
outp1on
开启偏置电压源
outp1off
关掉偏置电压源
outpon
启用电压源
outpoff
禁用电压源
:
form:
elemelem
能够测量外部温度的读数
:
unit:
tempc
选择℃为温度单位
:
func\curr\
电流功能
:
func\volt\
电压功能
:
curr:
rang:
autoon
开启电流测量量程的自动选择功能
:
volt:
rang:
autoon
开启电压测量量程的自动选择功能
:
trac:
feed:
contnev
禁用缓冲存储器
“:
FREQ”+Freq[A]+”kHz”
通过Freq[A]输入端输入频率，频率的单位是kHz
:
FREQ？
查询返回当前的测试频率设置
BIAS:
STATON
开启直流偏压
“BIAS:
VOLT”+C+”V”
通过输入端C加偏置电压，电压的单位伏特
“VOLT”+B+”V”
通过输入端B加偏置电压，电压的单位伏特
3基于虚拟编程语言的电学性能软件测试系统设计与开发的总体方案
虚拟编程语言的电学性能软件测试系统是由仪器硬件和测试软件两大部分组成，仪器硬件是计算机的外围部分与计算机构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是测试软件的基础，而测试软件则赋予系统相关功能。
3.1测试软件设计的总体方案
介电温谱自动测控软件系统、介电循环偏压自动测控软件系统、介电频谱自动测控软件系统和热释电电流自动测控软件系统的软件都由三大功能块组成，分别是参数设置模块、测试模块和显示测试结果模块。
软件整体结构框架如下：
图3.1软件系统的总体设计方案
介电温谱自动测控软件系统在测试模块的主要功能是读取电容、损耗，测量温度等，还有一个相对独立的控制模块，它的功能是可以根据需要在任何时间结束程序；介电循环偏压自动测控软件系统在测试模块的主要功能是测量电压、温度等；介电频谱自动测控软件系统在测试模块的主要功能是测量频率，读取电容和损耗等；热释电电流自动测控软件系统在测试模块的主要功能是测量电流和温度等。
显示测试结果模块都主要由GetValues控件和XvsYPlot控件组成。
3.2测试系统设计的总体方案
虚拟编程语言的电学性能软件测试系统的硬件系统包括计算机硬件平台和测控功能硬件两大部分。
计算机硬件平台是一台普通台式计算机，测控功能硬件有吉时利6517B静电计/高阻计、安捷伦4284A精密LCR测试仪和厦门宇电AI-708P温控仪。
测试系统如图3.2所示。
图3.2测试系统
通过装有自动测试软件的计算机控制智能仪器，让仪器完成所需的测试功能，智能仪器把测试得到的数据暂时存储起来供计算机读取，计算机把读取到的测试数据进行分析处理。
测试系统中需要用到的关键设备还有Pt100表面热电偶和程控冷热台，分别如图3.3，图3.4所示。
图3.3微型Pt100表面热电偶图3.4程控冷热台
Pt100表面热电偶被贴在程控冷热台中心的加热平台表面，通过受温控仪控制的程控冷热台改变材料的温度，温控仪把采集到的温度转变为数字信号存储。
测试模块中的测试温度功能模块可以读取温度，温度的单位可以设置。
4测控软件设计
本节将详细介绍通过VEE程序语言编写的介电温谱、偏压、频谱、电流电学性能自动测控软件系统，包括介电温普自动测控软件系统的原理、介电循环偏压自动测控软件系统的原理、介电频谱自动测控软件系统的原理和热释电电流自动测控软件系统的原理。
4.1介电温谱自动测控软件系统设计
4.1.1外围设备连接
介电温谱自动测控软件系统主要由Keithley6517B静电计/高阻计，计算机和加热装置组成。
具体操作如下：
把圆形PLZT反铁电材料在测试台上，让一根探针针尖与PLZT反铁电材料表面的镀金层接触，另一根探针的针尖与LZT反铁电材料的下表面接触，把微型Pt100表面热电偶贴在PLZT反铁电材料的上表面。
然后，通过测试台给材料提供不同的温度，这时打开6517B测试仪器，在计算机上通过操作已经编写好的测试程序就可以实现介电温谱的自动测试。
4.1.2介电温谱自动测控软件的程序
介电温谱自动测控软件系统的程序如图4.1所示。
图4.1介电温谱自动测控软件系统的程序
该程序主要由三大模块组成，分别是设置变量模块、测试模块和显示测试结果模块。
在Start控件的左边部分是设置变量模块，这部
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