22-EFT.WP.Metrology.Instrument v1.0 | 第13章 数据接口与元数据（SCPI/IVI/manifest）

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第13章 数据接口与元数据（SCPI/IVI/manifest）

一句话目标：以标准化 SCPI/IVI 接口与清单 manifest.instrument.* 为核心，统一采集、控制与溯源元数据，保障量纲、时基与合规一致化发布。

I. 范围与对象

1. 范围
   • 适用于通过 SCPI（VISA/TCPIP/USB/GPIB/Serial）与 IVI（IVI-C/IVI-COM）驱动访问的通用测量仪器。
   • 覆盖控制面（配置/状态/错误）与数据面（波形/标量/事件流），以及批量与流式采集。
   • 输出标准化数据集与清单：manifest.instrument.*、签名与追溯字段。
2. 对象
   • 会话 sess、资源标识 resource、命令集 cmds、数据块 blob。
   • 时间与时基：ts, tau_mono, t_hw, offset/skew/J。
   • 计量与不确定度：y, unit(y), dim(y), u(y), U = k * u_c。
   • 追溯：*IDN?, firmware_ver, driver_ver, cal_cert_id, hash_sha256(blob), TraceID, signature。
3. 产出
   统一字段数据集 ds，对齐后的 ts，单位归一报告，错误与状态寄存器快照，manifest.instrument.* 与验收报告。

II. 名词与变量

• 接口与驱动：SCPI, IVI, VISA, OPC?, SYST:ERR?, *CLS, *RST。
• 配置与状态：MEAS:FUNC, SENS:FUNC, SENS:AVER, TRIG:SEQ, ACQ:SRATE, BAND, RANGE。
• 元数据键：vendor, model, serial, firmware_ver, driver_ver, cal_date, RefCond。
• 错误与事件：STB, SRQ, queue_len, err_code, err_msg。
• 清单与签名：manifest.instrument.meta, manifest.instrument.session, hash_sha256(blob), signature。

III. 公设 P713-*

• P713-1（接口幂等与可发现）：每个会话必须通过 *IDN? 标识并以 *CLS 清队列后进入受控状态。
• P713-2（时基一体化）：数据时间语义在 tau_mono 对齐，对外以 ts 发布，记录 offset/skew/J。
• P713-3（量纲守恒）：进入计算前执行 repair_units 与 check_dim( y - f(x) )。
• P713-4（错误显式）：每次采集结束后检查 SYST:ERR? 与状态寄存器并落盘。
• P713-5（溯源闭环）：记录 *IDN?, firmware_ver, driver_ver, cal_cert_id, RefCond，并对每个 blob 计算 hash_sha256(blob)。
• P713-6（清单为准）：发布以 manifest.instrument.* 为唯一可信源，签名可追溯。

IV. 最小方程 S713-*

• S713-1（时间映射）
  ts = t_ref + offset + skew * ( t_hw - t0 ) + eps_J，其中 t_hw 为硬件时间戳，eps_J 为抖动残差。
• S713-2（时间不确定度传播）
  u(ts)^2 = u(offset)^2 + ( t_hw - t0 )^2 * u(skew)^2 + u(J)^2。
• S713-3（量纲校核）
  check_dim( y_norm - y_spec ) = true，其中 y_norm 为单位归一后的量，y_spec 为规格口径量。
• S713-4（数据面稳定性）
  rho = lambda / mu < 1，其中 lambda 为采集入队速率，mu 为解码与落盘服务速率，保证流式稳定。
• S713-5（签名与完整性）
  sig_ok = ( signature == Sign( hash_sha256(blob), pk ) )。

V. 计量流程 M70-13（接入→配置→采集→校核→落盘）

1. 会话接入与握手
   • 打开 resource，发送 *CLS 清错误与状态，*IDN? 记录设备指纹，拉取 firmware_ver, driver_ver。
   • 读取 cal_cert_id, cal_date 与 RefCond，校验有效期与环境一致性。
2. 模式与参数配置
   • 根据 plan 发出 MEAS:FUNC, SENS:FUNC, RANGE, BAND, ACQ:SRATE, TRIG:SEQ 等命令。
   • *OPC? 确认完成；记录最终生效的配置回读值（避免影子状态）。
3. 采集与时间戳
   • 读取数据 blob 与 t_hw，若设备不提供硬件时间戳，则在驱动侧标注获取时刻并记录 J。
   • 调用 align_timebase：映射到 tau_mono 并发布 ts，携带 offset/skew/J 与 u(ts)。
4. 解码与计量一致化
   • decode_scpi_blob(blob) 得到 ds_raw；执行 repair_units，完成单位归一与 check_dim。
   • 按需要计算 U = k * u_c 并合并到字段不确定度。
5. 错误与状态校核
   查询 SYST:ERR?、读取 STB/SRQ，将 err_code/err_msg/queue_len 落盘，错误不为空则标记 q_score 降权。
6. 落盘与清单
   对 blob 与结构化数据计算 hash_sha256，生成并签名 manifest.instrument.*；写入 TraceID 与依赖闭包。

VI. 契约与断言 C70-13*

• iface.idn.ok：*IDN? 返回与 vendor/model/serial 匹配。
• iface.error.empty：采集后 SYST:ERR? = 0,"No error"；queue_len = 0。
• time.align.ok：|offset| ≤ offset_max, |skew| ≤ skew_max, J ≤ J_max，u(ts) ≤ u_ts_max。
• units.dim.ok：所有数值字段满足 check_dim(expr)，单位在白名单内。
• throughput.ok：rho < rho_max，sample_loss_rate ≤ slr_max。
• calib.valid：cal_cert_id 存在且未过期；RefCond 已落盘。
• manifest.signed：sig_ok = true，unique(TraceID)，non_decreasing(ts)。

VII. 实现绑定 I70-13*（接口原型与不变量）

• open_session(resource) -> sess（不变量：可重入，超时与重试策略生效）
• scpi_handshake(sess) -> {idn, firmware_ver, driver_ver}（不变量：*CLS 后错误队列为空）
• configure_instrument(sess, cfg) -> cfg_effective（不变量：*OPC?=1）
• stream_measure(sess, plan) -> {blob, t_hw, meta}（不变量：原样保留设备端打包与标记）
• decode_scpi_blob(blob) -> ds_raw（不变量：二进制/ASCII 两类兼容）
• collect_and_align(ds_raw, sync_ref) -> ds（不变量：写入 ts, offset/skew/J, u(ts)）
• query_metadata(sess) -> meta（包含 cal_cert_id, RefCond, *IDN? 等）
• emit_instrument_manifest(meta, ds, policy) -> manifest.instrument（不变量：hash_sha256 与 signature 存在）
• assert_instrument_contract(ds, meta, rules) -> report（不变量：覆盖本章 C70-13* 全量断言）

VIII. 交叉引用

• 时基与到达时：见《EFT.WP.Metrology.TimeBase v1.0》第2、4、8–9章；同步与链路：见《EFT.WP.Metrology.Sync v1.0》第4–8章。
• 清洗发布与契约：见《EFT.WP.Methods.Cleaning v1.0》第10章与附录 C。
• 多仪器一致化：见本卷第12章；不确定度发布：见第10章与《CrossStats v1.0》附录 E。
• 成像链条（适用于相机/光谱仪）：见《Methods.Imaging v1.0》第3、4章。

IX. 质量度量与风控

• SLI
  session_open_latency_ms, cmd_roundtrip_ms_p95, scpi_error_rate, sample_loss_rate, ts_skew_p95, u(ts)_p95, manifest_emit_latency_ms。
• SLO（示例）
  scpi_error_rate ≤ 0.1%, sample_loss_rate ≤ 0.01%, ts_skew_p95 ≤ 1e-6 s, manifest_emit_latency_ms ≤ 500。
• 风控与回退
  iface.error.empty 失败触发自动 *CLS 与重配；time.align.ok 失败降级为本地 t_hw 与标注 J；清单签名失败阻断发布并告警。

小结