利用Python語言實現(xiàn)實驗室自動化

　　作為一名系統(tǒng)和應用工程師，得益于自動化儀器和軟件，我已經(jīng)節(jié)省了不計其數(shù)的日日夜夜;例如LabVIEW，這是一款系統(tǒng)設(shè)計平臺和開發(fā)環(huán)境，支持可視化編程語言。LabVIEW支持用戶利用友好的圖形用戶界面(GUI)構(gòu)建應用程序。該平臺帶有多個庫和模塊，使其能夠與儀器通信，所以可用于實驗室自動化。作為LabVIEW用戶，我已經(jīng)使用該工具構(gòu)建了多款應用程序，但在過去幾年中，我已經(jīng)開始逐步將其淘汰，代之以Python語言(見側(cè)欄：“Python是什么以及如何使用?”)。

　　為了理解其中緣由，我們首先了解一下Python相對于現(xiàn)有替代語言的主要優(yōu)勢，以及討論Python應用程序的工作實例。表達Python方便和強大之處的最佳方式是介紹一個完整、可工作的Python自動化腳本，例如我用來實現(xiàn)穩(wěn)壓器(VR)負載調(diào)節(jié)曲線(負載調(diào)節(jié)是指輸出電壓隨輸出電流(負載)增大而發(fā)生的變化)自動測量的腳本。

　　這些穩(wěn)壓器分為兩類：零下垂穩(wěn)壓器設(shè)計的輸出電阻為零;因此，輸出電壓設(shè)置點不應隨輸出電流增大而變化。相比較而言，下垂穩(wěn)壓器具有“載重線”，意味著被設(shè)計成具有特定的等效輸出電阻。本例中所用穩(wěn)壓器的零電流輸出電壓為1 V，設(shè)定的載重線為2.5 mΩ。

圖1. 測量配置

　　在圖1所示的試驗配置中，使用Chroma 63201電子負載施加負載電流(VR輸出電流)。通過采集經(jīng)過校準的4 mΩ短路器上的電壓，測得輸出電流。利用Agilent 34970A數(shù)字采集器(DAQ)采集電壓和電流，DAQ和電子負載均通過GPIB連接至計算機。我們測量的目的是證明：在一定輸出電流范圍下，輸出電壓在技術(shù)指標范圍之內(nèi);圖2所示為應用程序的流程圖。

圖2. 應用程序流程圖

　　從基本代碼結(jié)構(gòu)開始

　　以下是自動化腳本代碼的第一部分。Python語言中，注釋用#表示：

　　第1至3行引用庫，其中包含隨后代碼中使用的方法：

　　?Numpy是用于科學計算的封裝庫。本例中，Numpy用于產(chǎn)生輸出電流值的數(shù)組。

　　?Pandas (用于數(shù)據(jù)處理和分析的庫)創(chuàng)建一個功能強大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以儲存我們的測量結(jié)果。

　　?Visa是PyVISA庫，用來控制我們的儀器。

　　?Time是一個非常方便的庫，用于產(chǎn)生某些時間延遲。

　　注意，引用的Numpy和Pandas庫被重命名為np和pd，以保持代碼整潔。本文中提及的所有庫要么已經(jīng)隨Python 安裝包提供，要么也很容易從在線軟件庫中安裝。

　　第4至5行創(chuàng)建我們用來訪問Chroma電子負載和Agilent DAQ的對象。這正是PyVISA的作用：我們只需調(diào)用instrument方法，并提供表示通信接口的字符串(GPIB)以及儀器在總線上的地址。

　　第6行創(chuàng)建results數(shù)據(jù)框(dataframe)，用來儲存測量結(jié)果。數(shù)據(jù)框是一種二維標簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，各列的數(shù)據(jù)類型可以不同。使用數(shù)據(jù)框而不使用數(shù)組，允許我們通過容易記憶的字符串而不是數(shù)字來引用列，以及在數(shù)據(jù)本身中混合數(shù)字和文本。

　　第7行創(chuàng)建一個實數(shù)數(shù)組，從0到20，步長為2。這些數(shù)字表示以安培為單位的輸出電流值，在這些電流點測量VOUT。

　　第8行用于構(gòu)建“for”循環(huán)。注意，語法很容易理解：每次執(zhí)行循環(huán)時，創(chuàng)建一個load 變量，其值等于loads數(shù)組的新元素。當使用了數(shù)組的全部元素時，循環(huán)結(jié)束。有意思的是，Python利用縮進定義代碼的層次結(jié)構(gòu)，而不依賴于任何類型的括號。這樣能夠保持代碼的整潔和易讀性，非常有用。

　　既然我們已經(jīng)定義了主循環(huán)，就需要告訴儀器設(shè)置電流，然后讀取電壓，并保存結(jié)果。

　　儀器通信及保存數(shù)據(jù)

　　我們接下來看看第二部分的代碼：

　　第9至10行配置相應的負載電流并打開負載。只需要使用讀/寫方法，并且知道儀器接受的命令串(可查閱儀器手冊)，即可通過GPIB接口進行通信。與其他編程語言類似，%.2f為占位符，在實際運行時用變量load的值代替。也表示我們希望數(shù)據(jù)表示為帶兩位小數(shù)的實數(shù)。第11行產(chǎn)生1秒延遲，這對于確保儀器和電路達到穩(wěn)態(tài)條件非常有用。

　　第12行創(chuàng)建一個空對象(在Python中稱為字典)，用于暫存執(zhí)行一次循環(huán)的結(jié)果。

　　第13至16行用來測量輸出電壓和電流。第一條命令告訴儀器我們想要做什么(測量直流電壓，采用自動變比)以及對應的采集通道。分別在通道101和102采集輸出電壓和電流。第二條命令讀取返回的結(jié)果并將其儲存在temp中。數(shù)據(jù)以字符串的形式返回，所以必須利用float函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為實數(shù)。此外，由于DAQ測量的是電壓，我們需要將讀數(shù)與短路器電阻(0.004 Ω)相除，得到正確的電流值。

　　看看使用Python和Pandas有條理地保存數(shù)據(jù)是多么簡單：temp字典中的字段無需提前定義，并且使用具有含義的字符串進行訪問。無需記憶列號與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，而如果使用數(shù)組存儲數(shù)據(jù)的話則必須這么做。

　　在第17行中，我們將字段附加到results數(shù)據(jù)框。注意，results也不需要進行初始化;每次附加一個新行時，將增加新字段至數(shù)據(jù)框。

　　第18行可選，但在終端上打印當前電壓和電流值非常有用，尤其對于長時間測量，可以作為確認應用程序仍然在運行的途徑，以及了解執(zhí)行到了什么程度。

　　在第19至20行，關(guān)閉負載，將數(shù)據(jù)保存到硬盤。對于后者，每個數(shù)據(jù)框?qū)ο蠖际褂靡环N內(nèi)置方法將數(shù)據(jù)保存到CSV文件。