PyVISA 实战：用 Python 控制物理实验室常用仪器

Ne0inhk

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@[toc] 1. 行文动机 2. What Do U Need? 3. NI MAX & NI VISA 4. Work In Python

行文动机

如果你是一名物理系（或是其它的理工科，想来也大差不差）的学生，那么几乎每个学期你都会享受（这个学分少但耗时长）的课程。一开始，看到各式各样的仪器，诸如函数发生器、示波器以及台式万用表等等，会感到相当新奇。

上面的按键看似琳琅满目，然而事实上，你上了几节课之后，就会发现，也不过如此。难道这些几千上万的设备仅仅只能像我们课上那样按一下测一下？如果我希望实现一些更高级的控制应该怎么办？或者哪怕不谈复杂的控制，如果我希望用发生器产生一整天的信号，难道我当真要在实验室里面按一天的按钮？

真这样的话，那大伙的科研都没得做了。此文的行文正是源于此：为大家介绍如何能够通过 python \texttt{python} python编程控制实验室里的设备，以更好的服务自己的实验需求（比如你的科研或是大创项目）。

这或许是从“只是学生”到“开始科研”的第一步。

What Do U Need ?

  • 一台电脑（笔记本也OK）
  • 你需要控制的仪器。不用担心我们将要介绍的方式无法控制，因为它几乎可以控制市面上所有支持标准通信接口的测试测量仪器，比如Ethernet、GPIB、serial、USB、VXI和PXI。但是本篇中，我们介绍的是最简单的最简单的USB。
  • USB2.0-USB Type B的连接线，如下图所示：
右侧接口即为USB-Type B
在仪器后边，一般会有USB-TypeB插口

NI MAX & NI VISA

NI VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是National Instruments开发的一套标准化仪器通信架构，它为GPIB、USB、以太网、串口等各种硬件接口提供了统一的编程接口，让开发者无需关心底层通信细节。NI MAX（Measurement & Automation EXplorer）则是NI VISA配套的图形化管理工具，主要用于自动发现连接的仪器设备、查看和测试VISA资源地址、配置通信参数以及进行基础的设备诊断，是初次配置仪器时的得力助手。

在Python仪器控制中，NI VISA作为底层通信引擎，通过PyVISA库为Python程序提供实际的仪器通信能力，而NI MAX则主要在前期配置阶段发挥作用——帮助用户快速找到仪器的VISA地址，这个地址随后会被写入Python代码中用于建立连接。

NI MAX与NI VISA的官方下载页面: https://www.ni.com/en-us/support/downloads/drivers/download.ni-visa.html

直接下载即可

下载完成后，我们需要打开NI VISA，获取设备的通信地址：

还没有使用USB线连接设备和电脑之前

当我们使用USB线完成设备的连接后，点击Refresh。稍等一段时间，我们就会发现，VISA成功找到了新的设备：

USB

红框圈起来的部分中,USB0::0X1AB...的部分即为通信地址。我们需要做的，只是简单地复制到Python中即可。

Work In Python

为了能够在python中实现对于设备的控制，我们肯定需要安装依赖库：

pip install pyvisa

安装完依赖库之后，就可以进行对设备的控制了。下面我们结合一些典型操作为大家介绍如何控制：

示例代码基于常见的 USB/TCP/GPIB 设备（示波器、函数发生器、数字万用表）。更详尽的、可直接复制即用的控制代码放在Github仓库：https://github.com/HorseRunningWild/PhyExp-Device-Control

1. 库导入 + Resource   Manager \texttt{Resource Manager} Resource Manager

import pyvisa import time import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import openpyxl # 如果要写 Excel# --- 请根据实际情况修改这些地址 --- dmm_address ='USB0::0x1AB1::0x09C4::DM3R240300120::INSTR'# DMM 的地址（示例） func_gen_address ='USB0::0x1AB1::0x0641::DG4E232700999::INSTR'# 函数发生器地址（示例）# 建立 ResourceManager（与 VISA 后端连接） rm = pyvisa.ResourceManager()

说明：

  • ResourceManager() 是和系统的 VISA 库（NI-VISA / Keysight / pyvisa-py 等）对接的入口。
  • 地址字符串是资源字符串（resource string），不同连接方式格式不同：USB、GPIB、TCP/IP（TCPIP::）等。可以用 rm.list_resources() 列出当前能发现的设备。

2. 发现设备（探索可用地址）

print("发现的 VISA 资源：")for r in rm.list_resources():print(" ", r)

说明：

  • 经常第一步就是 list_resources()——把它当“发现附近仪器”的函数。
  • 如果找不到设备，先检查 USB 驱动、线缆、设备电源或 NI-VISA 是否安装正确。
  • 当然，实现这一点本质上是通过NI MAX的，只不过我们没有通过打开NI VISA的方式，而是直接在Python中实现。

3. 打开一个设备并询问标识

inst = rm.open_resource(func_gen_address) inst.timeout =10000# 毫秒级超时，按需要调整 idn = inst.query('*IDN?')# 大多数仪器支持 *IDN? 来返回厂商/型号/序列号print("Instrument ID:", idn.strip())

说明：

  • .open_resource() 返回一个 instrument 对象，用它来 write()（发送命令）和 query()（发送并读取回复）。
  • query() 等于 write() + read()，常用于 SCPI 命令能立即返回的场景。
  • 设置 timeout 很重要：避免无响应时无限挂住。

4. 基本读写模式：

常用的基本读写模式有：.write()、.query()、.read()、.read_raw()

# 写命令（无返回） inst.write(':SOURce1:VOLTage 1.0')# 设置电压（取决于厂商命令）# 读命令（返回字符串） resp = inst.query(':MEASure:VOLTage:DC?') val =float(resp)# 解析为浮点数（若返回数字）

说明与建议：

  • .write()：发送不需要返回的命令（例如设置电压、开/关输出）。
  • .query()：发送后期望得到立即回复的命令（例如测量）。
  • 有些仪器返回二进制数据（波形），这时候需要用 .read_raw() 或 .read_bytes() 并结合二进制解析。

5. 安全关闭（try / finally 模式）

inst =Nonetry: inst = rm.open_resource(dmm_address)# 做一些读取或设置print(inst.query('*IDN?'))finally:# 无论是否发生异常都要确保关闭连接if inst isnotNone:try: inst.close()except Exception:passtry: rm.close()except Exception:pass

说明：

  • 仪器连接资源要在结束时释放（close()），否则下次打开可能失败或者 USB 资源被占用。
  • 推荐把关键段放在 try/finally 中，或使用 context manager（某些 pyvisa 版本支持 with）。

6. 读取示波器二进制波形（通用思路）

示波器通常把波形以二进制块返回，且伴随一段 :WAV:PRE?（preamble）描述缩放信息。把原始样本转换为电压的常见公式：

V = (sample - yref) * yinc + yorg

下面是一个简化版的读取流程（Rigol / 一些示波器类似）：

import numpy as np # 假设 inst 是已连接的示波器对象# 尝试读取 preamble（自带缩放参数） pre = inst.query(':WAV:PRE?')# 例如返回 CSV 字段：format,type,points,count,xinc,xorg,xref,yinc,yorg,yref parts =[p.strip().strip('"')for p in pre.split(',')if p.strip()!='']# 尝试解析常用字段 points =int(parts[2]) yinc =float(parts[7]); yorg =float(parts[8]); yref =float(parts[9])# 读取二进制数据（厂商差异大，可能需要 'WAV:DATA?' 或 ':WAV:FORMat WORD;:WAV:DATA?'）# 下面仅示意 pyvisa 的二进制读取 raw = inst.read_raw()# 直接读取原始二进制块，具体命令请先通过 query(':WAV:DATA?') 触发命令# 解析 IEEE 488.2 格式的二进制块头（'#' + len + digits ...），这里建议参考厂商文档或直接使用 inst.query_binary_values samples = inst.query_binary_values(':WAV:DATA?', datatype='h', container=np.array)# 'h' = 16-bit signed volts =(samples.astype(np.float64)- yref)* yinc + yorg

说明：

  • 推荐使用 inst.query_binary_values()（pyvisa 提供）来直接把二进制数据转成数组，datatype、is_big_endian 等参数需根据仪器选择。
  • 一定要先拿到 preamble（缩放参数 yinc/yorg/yref），否则得到的只是“原始计数”。
  • 仪器厂商命令差异大（Keysight/ Rigol/ Tektronix），看设备手册最保险。

7. 将数据保存为 CSV / Excel

import csv # 保存 CSVwithopen('data.csv','w', newline='')as f: writer = csv.writer(f) writer.writerow(['amp_vpp','measured_v'])for a, v inzip(amp_points, measured_v): writer.writerow([a, v])# 写入 Excel（openpyxl 示例）from openpyxl import Workbook wb = Workbook() ws = wb.active ws.append(['amp_vpp','measured_v'])for a, v inzip(amp_points, measured_v): ws.append([a, v]) wb.save('data.xlsx')

说明：

  • CSV 适合快速导出，Excel（openpyxl）适合给非程序员查看或交付报告。
  • 写文件前建议检查目录写权限。

8. 常见问题与排查清单

  • 找不到设备：检查线缆 / 设备电源 / 是否安装 NI-VISA 或 pyvisa-py。运行 rm.list_resources() 看系统是否识别。
  • 命令无响应或阻塞：增加 timeout；用 *IDN? 检查基本通信；确认是否需要先 :SYST:LOCAL 之类的命令切换模式。
  • 二进制读取出错：先打印 :WAV:PRE? 的返回，确认 yinc/yref/yorg；用 inst.query_binary_values() 来简化解析。
  • 频繁查询导致仪器卡住：减慢查询频率、增加 sleep、合并查询、或只在需要时查询（例如每 N 次读一次幅值）。
  • 单位/量程不对：注意仪器的单位命令（VPP / Vrms / Vpp），并在读数前把仪器设置为期望单位。
在放置上述控制Demo代码的Github仓库：https://github.com/HorseRunningWild/PhyExp-Device-Control，还有Hill Climbing和PID算法结合实验仪器一同实现测量与控制的脚本，大家可以自行探索。

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