CN117492725A - 一种仪器测试测量和数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仪器测试测量和数据处理方法，涉及数据处理领域，通过基于Python的ZMeasure框架，整合了常见的仪器驱动包，为实验过程提供专用系统。该框架在图形界面展示仪器设备列表，用户仅需声明设备类型。系统支持标准规范，有IDE自动补全功能并支持多设备。用户可配置测量方法和输出，通过peerup客户端撰写代码并导出数据为hdf5格式。数据存于云端，方便查看、分析。框架包含驱动管理、数据处理、用户界面和云同步模块。连接新设备时，自动加载驱动；数据模块捕获、存储数据，界面展示设备信息和实时数据；云模块备份数据、支持远程访问。本发明简化了数据流程，提高实验效率，极大便利了研究者。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理领域，更具体地说，涉及一种仪器测试测量和数据处理方法。
背景技术
在现代科研和工业环境中，多种不同的测试和测量仪器被广泛应用，这些仪器常用于收集关于系统或组件性能的数据。为了确保这些仪器能够与计算机系统进行有效的交互，仪器驱动程序是不可或缺的。然而，传统的驱动软件往往缺乏灵活性和通用性，因为它们经常针对特定型号的仪器设计，这意味着科研人员和工程师可能需要为不同型号或品牌的仪器安装多个驱动程序。
当科研人员或工程师需要设置或配置他们的仪器进行特定的实验时，他们往往需要深入理解每一款仪器的特定指令集和操作流程，这大大增加了学习和配置的难度，从而延长了实验设置的时间。此外，不同的仪器可能会使用不同的数据格式，使得数据管理、整合和分析变得困难。
传统的实验数据存储和管理方案也存在局限性。虽然很多数据可以存储在本地硬盘上，但随着实验数据的不断增加，研究人员可能会发现数据组织和检索变得越来越困难。更重要的是，如果希望与团队成员或合作伙伴共享数据，传统的存储方案可能会遇到数据安全和完整性的问题。
对于实验数据的查看和分析，传统的软件工具可能只提供了有限的图形绘制和数据处理功能，这可能不足以满足复杂实验需求的可视化需求。而且，不同的数据格式和存储解决方案可能导致数据处理和分析的流程变得繁琐和冗长。
总之，虽然过去的技术为科研和工业应用提供了基本的实验设置、数据收集和分析功能，但由于其局限性和不足，科研人员和工程师经常面临各种操作和数据处理方面的挑战。这也为开发一个更加灵活、高效和集成的测试测量和数据处理解决方案提供了动机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种仪器测试测量和数据处理方法，以解决背景技术中提到的问题。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种仪器测试测量和数据处理方法，包括如下步骤：
S1:通过一个基于Python的ZMeasure框架，提供常见的仪器驱动包和一个用于运行实验过程的系统；
S2:在GUI界面显示已连接的仪器设备列表并显示设备的属性，当用户编写App时，仅声明所需设备类型而不指定具体型号，运行实验前，由用户在GUI界面中选择实际使用的设备；
S3:通过驱动包，实现对仪器设备的驱动，其中，该驱动满足标准规范，提供IDE的自动补全功能和自动补全设备的测量方法，并支持多种厂家和型号的仪器设备；
S4:根据驱动功能，直接配置设备的测量方法和输出设置；
S5:通过peerup客户端，在其中撰写App代码时，导入ZMeasure框架，完成测量实验后，将实验参数和实验数据导出到hdf5文件格式；
S6:将所述hdf5文件作为data上传到云存储，并在peerup客户端中进行实验数据的显示、绘图和日志的查看与筛选。
在一些实施例中，所述ZMeasure框架包括驱动管理模块、数据处理模块、图形用户界面模块和云同步模块。
在一些实施例中，所述驱动管理模块内包含一个驱动数据库，驱动数据库内包含多种仪器驱动。
在一些实施例中，当连接新的设备时，所述驱动管理模块自动检索适当的驱动，并进行加载，准备与设备进行通信。
在一些实施例中，所述数据处理模块从示波器或其他仪器捕获数据，并存储为原始数据格式。
在一些实施例中，所述数据处理模块还应用滤波器、去噪、平均算法对原始数据进行处理，并将预处理后的数据转换为统一的数据格式。
在一些实施例中，所述图形用户界面模块展示与系统连接的所有设备，包括其状态和型号。
在一些实施例中，所述图形用户界面模块还显示来自仪器的实时数据图形，允许用户即时观察和分析数据；所述图形用户界面模块还提供工具和选项，使用户能够设定实验参数、启动/停止实验、保存结果。
在一些实施例中，所述云同步模块将本地实验数据自动或按需上传到云存储，确保数据备份并支持远程访问。
在一些实施例中，所述云同步模块允许用户从多种设备和地点通过网络远程访问、下载或上传他们的实验数据。
本发明相对于现有技术的优点在于：
ZMeasure框架提供了高度的通用性，使得用户可以不指定具体型号的设备进行测量实验，从而大大扩展了每个应用程序的适用范围。这种设计使得用户可以方便地切换设备，而不必为每个新设备重写或修改实验程序。
通过提供符合标准规范的易用设备驱动，本发明极大地简化了设备的配置和设置过程。同时，由于驱动类提供IDE的自动补全功能，用户在编写应用程序时的体验得到了明显提升。
实验数据的输出和管理采用统一的hdf5文件格式，这不仅使得数据组织更为清晰，而且有助于数据的长期保存和再利用。此外，数据可以轻松上传到云存储，实现了数据的高效共享和远程访问。
本发明技术提供了树形的数据表显示和多图绘制功能，使得用户可以方便地对复杂的实验数据进行可视化分析。此外，适应各种屏幕分辨率的缩放功能和优化的界面布局进一步提高了用户的数据分析效率。
本发明实验日志功能为用户提供了详细的实验过程记录，有助于实验结果的复现和问题的追踪。
本发明结合peerup客户端，ZMeasure框架为用户提供了一个完整的、一体化的实验设置、数据收集和分析平台。这避免了在多个工具和平台之间切换的需要，大大提高了工作效率。
本发明支持多达16个厂家、347种型号的仪器设备，这为用户提供了广泛的设备选择，确保了广泛的应用场景的覆盖。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明ZMeasure框架应用于peerup客户端时的界面示意图；
图3是本发明ZMeasure框架应用于peerup客户端时的实验或测量数据的表格视图；
图4是本发明ZMeasure框架应用于peerup客户端时的实验数据的图形化视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。
如图1所示，本发明包括如下步骤：
S1:通过一个基于Python的ZMeasure框架，提供常见的仪器驱动包和一个用于运行实验过程的系统；
S2:在GUI界面显示已连接的仪器设备列表并显示设备的属性，当用户编写App时，仅声明所需设备类型而不指定具体型号，运行实验前，由用户在GUI界面中选择实际使用的设备；
S3:通过驱动包，实现对仪器设备的驱动，其中，该驱动满足标准规范，提供IDE的自动补全功能和自动补全设备的测量方法，并支持多种厂家和型号的仪器设备；
S4:根据驱动功能，直接配置设备的测量方法和输出设置；
S5:通过peerup客户端，在其中撰写App代码时，导入ZMeasure框架，完成测量实验后，将实验参数和实验数据导出到hdf5文件格式；
S6:将所述hdf5文件作为data上传到云存储，并在peerup客户端中进行实验数据的显示、绘图和日志的查看与筛选。
以下首先通过一个实际的例子做解释：
考虑一个研究员正在进行一项关于半导体材料的研究，他需要使用不同的实验仪器，如示波器、源表等，来测量他的样品的某些属性。采用本发明方法后的步骤为：
设备选择与连接(S1和S2)：研究人员开启计算机，运行peerup客户端，并导入ZMeasure框架。在框架的GUI界面上，可以看到已经连接的设备列表。假设他需要一个示波器，只需在他的App代码中声明他需要一个示波器，而不用指定具体型号。这是因为ZMeasure框架允许他在运行实验前从GUI界面选择实际要使用的示波器型号，这非常便利，因为这样的话同一个App可以在连接不同型号的示波器时都可以正常工作。
驱动与设备配置(S3和S4)：假如研究人员决定使用一个Keysight示波器，由于ZMeasure框架提供了符合标准规范的驱动包，研究人员可以很容易地驱动这台示波器。在编写App代码时，框架的IDE自动补全功能还可以帮助他快速输入示波器的测量方法，极大地提高了编码效率。
数据测量与上传(S5和S6)：研究人员完成了测量设置后，开始进行实验。实验完成后，所有的测量数据和参数自动保存为hdf5文件格式。这不仅使得数据结构清晰，还便于后续处理和分析。研究人员随后可以将这些数据上传到云存储中，这样他的团队成员和合作伙伴都可以轻松地访问这些数据。
数据查看与绘图：通过peerup客户端，研究人员还可以直接打开并查看hdf5文件中的数据。框架还提供了绘图功能，使他可以很方便地制作例如IV曲线这样的图表，并对数据进行可视化分析。
日志查看：在实验过程中，框架还会自动生成实验日志，研究人员可以按照日志等级筛选和搜索相关信息，帮助他更好地跟踪实验过程和结果。
本发明大大简化了研究人员的实验流程，提高了他的工作效率，并使得数据管理和分享变得更加容易。
以下说明，ZMeasure框架具体是如何搭建的。
本发明ZMeasure框架包括：
驱动管理模块(DriverManagementModule)：
此模块维护一个驱动数据库，确保其包含最新的示波器和其他仪器驱动。随着新仪器的发布或旧仪器的更新，驱动库可以迅速更新，确保与所有仪器的兼容性。当连接新的设备时，此模块会自动检索适当的驱动，并进行加载，准备与设备进行通信。通过采用标准化的接口，此模块确保与各种示波器和其他仪器的兼容性，允许开发人员和用户使用统一的方法与设备进行通信，无论其底层实现如何。
数据处理模块(DataProcessing Module)：
此模块从示波器或其他仪器捕获数据，并存储为原始数据格式，为进一步处理做好准备。根据用户或系统的需求，此模块应用滤波器、去噪、平均等算法对原始数据进行处理，以提高数据的质量或简化后续分析。此模块将预处理后的数据转换为统一的数据格式，便于后续分析、存储和共享。
图形用户界面模块(Graphical UserInterface Module)：
此模块动态展示与系统连接的所有设备，包括其状态、型号和其他相关信息。它还显示来自示波器或其他仪器的实时数据图形，允许用户即时观察和分析数据。它还提供工具和选项，使用户能够设定实验参数、启动/停止实验、保存结果等。
云同步模块(Cloud Sync Module)：
此模块将本地实验数据自动或按需上传到云存储，确保数据备份并支持远程访问。它还可以从云存储下载数据到本地，确保本地和云端的数据保持同步，特别是在多设备或多用户环境中。它还允许用户从任何地方通过网络远程访问、下载或上传他们的实验数据。
当用户连接一个示波器时，ZMeasure首先通过其通信接口(如USB、GPIB)查询设备的标识信息。然后，驱动管理模块搜索相应的驱动并加载它，使设备能够与ZMeasure框架进行通信。考虑到不同示波器可能有不同的特性和功能，ZMeasure还可以通过创建一个设备抽象层来屏蔽这些差异。在这个层面上，所有示波器都被视为具有一组标准的特性和方法的设备，从而使上层应用程序可以统一地处理它们。
用户在编写应用程序时可以通过API来指定所需的设备类型和功能，而不需要知道具体的设备型号或特性。在执行应用程序之前，ZMeasure的图形用户界面会显示所有可用的匹配设备，让用户选择。所有示波器产生的数据都被转换为ZMeasure的统一数据格式，这样用户可以方便地进行后续的分析和处理。在实验完成后，数据可以导出为hdf5文件或同步到云存储。
根据上述，ZMeasure设计为模块化结构，这使得它可以轻松地添加支持更多示波器型号的驱动，或者集成更多的数据处理和分析工具。
由上可见，本发明ZMeasure是仪器测试测量和数据处理框架，编程语言是Python。ZMeasure使得仪器可以更方便地被设置，测量实验可以更方便地运行。ZMeasure包含常见的仪器驱动包和一个用于运行实验过程的系统，还提供了用于绘制实时数据和管理实验的图形界面。驱动包和实验过程系统这两个部分是独立的，结合驱动包和实验过程这两部分，只需进行比较少的编码工作，就可以完成较为高级的测量实验。
ZMeasure框架会被打包到peerup的客户端中去，peerup客户端自带代码编辑器和Python运行环境，用户在peerup客户端中写app代码时可以导入使用ZMeasure框架，写完App后可以直接运行进行测量实验，实验完成后测量参数和实验数据会被导出到hdf5文件，作为data上传到云存储，进入研发的科研协作效率流中。
本发明ZMeasure包含了以下功能亮点：
GUI界面显示已连接设备列表，并且显示设备的各种属性，方便用户了解自己所处的仪器硬件环境。
用户写App时可以只声明自己需要一个示波器，而不指定具体型号。运行试验前，GUI会显示已连接的仪器，由用户确定具体使用哪个示波器，使得同一个App在PC连接不同型号示波器时仍然可以进行试验，方便用户进行设备切换，也扩大了单个App的适用范围。
以下代码是Python编程中的实例化代码段，目的是创建示波器或其他测量设备的对象以便进一步的操作和管理：
#获取源表1
smu24＝SourceMeasureUnit('源表1',query＝'GPIB')；
#获取源表2
smu26＝SourceMeasureUnit('源表2',query＝'USB')。
这两行代码的目的是初始化两个不同的测量设备对象，一个通过GPIB接口连接，另一个通过USB接口连接，以便后续的操作和数据获取。
2.驱动：
提供符合标准规范的更为易用的设备驱动，即使是用户自己添加仪器驱动也更为容易驱动类提供IDE的自动补全功能，可以自动补全设备的各种测量方法，提升用户写App时的编码体验。目前支持包括Keysight/RIGOL/Tek在内的16个厂家在内的347种型号的仪器设备。
以下代码描述了一个仪器设备(例如示波器或其他源测量单元)的配置过程。代码的目的是设置各种参数，以确保仪器正确地执行期望的测试或测量功能：
#直接根据功能配置流程，关注测试方法本身
self.smu1._set_source_function(0,'voltage')
self.smu1._set_source_function(1,'voltage')
self.smu1._set_measurement_function(1,'current')
self.smu1._set_measurement_function_range(1,3E-3)
self.smu2._set_source_function(0,'voltage')
self.smu1._set_output_enabled(0,1)
self.smu1._set_output_enabled(1,1)
self.smu2._set_output_enabled(0,1)
上述代码描述如何为两个设备(smu1和smu2)配置源和测量的功能以及启用或禁用这些功能的过程。这样的配置对于后续的实验和测量任务是至关重要的。
3.Peerup Data支持：
实验数据输出到Peerup Data文件中，带有层级结构，支持多张表。
支持实验参数和元数据的序列化/反序列化，支持MultiLine和Subplot的图形显示方式。
4.GUI和绘图：
本发明可树形展示多张数据表的层次关系；
本发明可同时打开多表查看数据，支持了绘图子图功能，例如某半导体器件在不同温度下的IV曲线；
本发明适配了各种屏幕分辨率下的各种缩放等级；
本发明界面布局得到了优化；
本发明具备实验日志等级筛选、搜索功能。
如图2所示为本发明ZMeasure框架应用于peerup客户端时的界面示意图，包括：
顶部连接设备:界面的顶部显示了与软件连接的设备，如“Rigol”和“DG4202”。这与之前描述的驱动管理模块相关，其中每个驱动对应不同厂家和型号的仪器。通过这个界面，用户可以看到当前连接的设备和它们的状态。
左侧参数输入区:这部分允许用户设置不同的输入参数，例如“LoopIterations”,“Delay Time”等。这与数据处理模块有关，允许用户自定义他们的实验或测量参数。
中间晶片图:这是一个半导体晶圆的图。每个数字和坐标代表该晶片上的一个特定位置或元件。用户可以选择或查看这些位置上的测量数据。
右侧属性设置:这部分显示了与中央晶片图相关的属性，如“Diameter”,“DieSize X/Y”,“X/Y Offset”等。这允许用户更详细地定义他们的实验或测量设置。
右上角选项:"Experiment Table","Plot","Dock","Experiment Log",和"Wafer"。这些选项可能允许用户查看不同的实验或测量视图，查看图形化的结果，记录实验日志等。尤其是"Experiment Log"与图形用户界面模块有关，允许用户查看他们的实验历史和结果。
进度条:在图的底部，有一个进度条显示当前任务或测量的完成进度。
图3显示的是本发明ZMeasure框架应用于peerup客户端时的实验或测量数据的表格视图，包括：
顶部设备连接：与之前的界面相同，显示了与软件连接的设备，如“Rigol”和“DG4202”。
左侧参数输入：用户可以输入一系列参数，包括循环次数、延迟时间和随机种子等，以配置他们的实验或测量。
实验表：“Experiment Table”部分列出了保存的测量数据文件，每个文件名都与一个特定的日期和时间戳相关联。文件旁边的勾选框可能表示是否选择了特定的文件进行进一步的操作或分析。
测量数据表格：这个表格提供了针对不同实验步骤的详细测量数据，包括电流(mA)、电压(V)和温度(℃)。这些数据通过之前在软件中配置的实验参数得到的。
右上角选项：与之前的界面相似，有"Experiment Table","Plot","Dock",和"Experiment Log"。用户可以使用这些选项查看不同的视图或记录实验日志。
进度条：位于图像底部的进度条可能代表了一个实验或测量任务的完成进度。
图4主要展示了实验数据的图形化视图，包括：
顶部设备连接：与前面的界面相似，显示了与软件连接的设备信息。
左侧迭代：此部分显示了一系列迭代(Iteration)，表示用户进行多次实验或测量时的每次迭代。
中间的图形视图：
上图：展示了电流(Current)与电压(Voltage)之间的关系。图中有多条曲线，每条曲线代表一个不同的数据集或条件。这些曲线代表不同的实验参数或条件下的测量结果。
下图：与上图类似，但数据或条件有所不同。
右侧操作按钮：有“开始”按钮，可能用于开始一个新的实验或测量。
底部：
文件路径：显示当前打开文件或应用的路径。例如，“Home/ApplicationCenter/.../Application List/An Application”。
进度条：与之前界面类似，表示某项任务或实验的完成进度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:通过一个基于Python的ZMeasure框架，提供常见的仪器驱动包和一个用于运行实验过程的系统；
S2:在GUI界面显示已连接的仪器设备列表并显示设备的属性，当用户编写App时，仅声明所需设备类型而不指定具体型号，运行实验前，由用户在GUI界面中选择实际使用的设备；
S3:通过驱动包，实现对仪器设备的驱动，其中，该驱动满足标准规范，提供IDE的自动补全功能和自动补全设备的测量方法，并支持多种厂家和型号的仪器设备；
S4:根据驱动功能，直接配置设备的测量方法和输出设置；
S5:通过peerup客户端，在其中撰写App代码时，导入ZMeasure框架，完成测量实验后，将实验参数和实验数据导出到hdf5文件格式；
S6:将所述hdf5文件作为data上传到云存储，并在peerup客户端中进行实验数据的显示、绘图和日志的查看与筛选。
2.根据权利要求1所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述ZMeasure框架包括驱动管理模块、数据处理模块、图形用户界面模块和云同步模块。
3.根据权利要求2所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述驱动管理模块内包含一个驱动数据库，驱动数据库内包含多种仪器驱动。
4.根据权利要求3所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，当连接新的设备时，所述驱动管理模块自动检索适当的驱动，并进行加载，准备与设备进行通信。
5.根据权利要求2所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述数据处理模块从示波器或其他仪器捕获数据，并存储为原始数据格式。
6.根据权利要求5所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述数据处理模块还应用滤波器、去噪、平均算法对原始数据进行处理，并将预处理后的数据转换为统一的数据格式。
7.根据权利要求2所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述图形用户界面模块展示与系统连接的所有设备，包括其状态和型号。
8.根据权利要求7所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述图形用户界面模块还显示来自仪器的实时数据图形，允许用户即时观察和分析数据；所述图形用户界面模块还提供工具和选项，使用户能够设定实验参数、启动/停止实验、保存结果。
9.根据权利要求2所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述云同步模块将本地实验数据自动或按需上传到云存储，确保数据备份并支持远程访问。
10.根据权利要求9所述仪器测试测量和数据处理方法，其特征在于，所述云同步模块允许用户从多种设备和地点通过网络远程访问、下载或上传他们的实验数据。
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2023
- 2023-11-03 CN CN202311453006.XA patent/CN117492725A/zh active Pending
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