基于LabVIEW的光耦測試儀設計

周永健 蔣力立

【摘要】本設計是基于圖形化編程語言LabVIEW，配合計算機和通訊電路所組成的一個虛擬測試儀器，用于測量和顯示光耦器件的輸出特性和電流傳輸比等參數。

【關鍵詞】LabVIEW;虛擬測試儀器;光耦器件;輸出特性;電流傳輸比

光耦是一種利用光作為傳輸的媒介而使電信息得到傳輸的器件。本文主要研究光耦器件的輸出特性和電流傳輸比CTR（Current transfer ratio）。所謂的輸出特性，是指在發光電流IF在某一數值的條件下，光敏三極管的偏置電壓VCE和輸出電流IC之間的關系。CTR，即電流傳輸比，這里表示的是直流電流傳輸比。當輸出電壓保持恒定時，CTR等于直流輸出電流IC和直流輸入電流IF之比乘上百分數。本文的目的是通過設計電路，在Proteus上仿真出光耦的某些輸出特性，然后把數據傳輸到LabVIEW上自動地測試和顯示光耦元件的輸出特性曲線及顯示出指定IF的電流傳輸比CTR的數值[1]。

1.測試系統框圖

整個測試系統，主要包括為光耦提供正向電流IF的數控恒流源、提供掃描電壓的三角波發生電路、采集和與計算機進行通訊的的單片機控制電路以及用于顯示光耦的輸出曲線的LabVIEW圖形化程序。

圖1 測試系統總體框圖

2.測試電路設計

2.1 數控電流源的設計

這部分的電路主要是由單片機程控設定數字信號，經過D/A轉換器AD5320輸出模擬量，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流[2]。另外，因為需要了解目前所輸出的電流數值，單片機系統還兼顧對恒流源進行實時監控，輸出電流經過電流/電壓轉換后，通過A/D轉換芯片MAX1241，實時把模擬量轉化為數字量，利用數碼管顯示當前的正向電流IF的數值，方便后面LabVIEW的顯示。

2.2 掃描電壓的設計

對于掃描電壓，需要滿足條件是能夠連續變化的電壓信號，因此正弦波以及三角波發生電路都能夠滿足要求。但是考慮到三角波電路電壓信號的線性度較好，隨時間呈y=kx的線性變化，因此設計三角波發生器提供光耦的掃描電壓。另外，為了方便測量，在三角波發生器后加入了一個線性全波檢波電路，把三角波發生器所產生的電壓都變換成正向的壓降。用此電壓接入光耦的集電極。另一端接入采集通訊模塊的A/D，用此電壓減去光耦發射極的電位，即為VCE。

2.3 采集與通訊電路的設計

當正向電壓通入光耦的發光端，掃描電壓接入到光耦受光端的集電極和發射極時，不同的VCE會有相應的IC輸出。對于VCE，因為掃描電壓接入的是光耦的集電極，相當于是VC的電位，因此在采集VCE的數據時，需要通過轉換得到。把掃描電壓模塊的輸出端輸入到采集電路的一塊A/D中，采集得到的電壓VC還需要減去另一塊A/D所采集到的電壓VE，從而得到集電極-發射極間的電壓VCE。對于IC，由于單片機從A/D上所采集到的電壓為VE，因此采集后需要除以發射極上的負載電阻，得到發射極電流IE。由于在受光端的光敏三極管上IE=IC+Ib，對于電流傳輸比很大的光耦器件，它的Ib很小，因此IE可以約等于IC。因此IC≈IE=VE/RL，利用這種方法，就能在單片機上作出運算，把采集到的VE轉換成IC的數值。

3.LabVIEW軟件設計

在本實驗中，LabVIEW作為本系統數據流的終端，用于接收和顯示光耦器件的特性曲線，而且還包括CTR的實時計算。而且利用LabVIEW編程的強大功能，可以與計算機上的操作系統以及其他應用程序的使用相結合，大大方便了實驗的數據記錄和分析[3]。因此LabVIEW的應用是光耦測試系統的核心。LabVIEW在光耦測試中主要起到三部分的作用，一是利用自身的串口通訊函數庫接收經單片機串口所傳輸過來的兩組數據VCE和IC。二是利用這兩組數據所組成的數組畫出對應的XY圖。三是計算CTR。下面來詳細地說明每個部分作用的具體實現。

3.1 LabVIEW的通訊串口

單片機通過串口與計算機進行通訊，而LabVIEW自帶的串口函數庫中則包含了基本的串口通訊里常用的功能，包含寫入、讀取以及COM口設置和初始化等等。由于串口通訊傳輸浮點數存在一定的困難，因此需要對浮點數進行轉換才能完整地傳送到計算機上。這里采取的方式是把浮點數的前四位有效數字單獨提取出來，作為一個單獨的字符進行傳輸。當在LabVIEW上從緩沖區讀取以后，再通過轉換為無符號字節數組以及字符數組的索引得到該位的數字，乘上其本來相應的權。如此讀取四次，將乘上位權后的數加起來就能完整地得到原來的浮點數據。通過一個層疊式順序結構就能實現讀取四個字符數據，再通過運算把這四個為一組的數據還原成一個四位有效數字的浮點數。

3.2 LabVIEW的圖像顯示

從串口讀取數據，并還原成浮點數據以后，可以把這兩組浮點數構成兩組數組，分別作為XY圖的X軸和Y軸用于顯示。以傳輸到LabVIEW上的IC為Y軸，VCE為X軸，構成光耦輸出特性圖。放置XY圖以后，在程序框圖中會出現一個擁有一個輸入端的圖標，兩個數組在輸入到XY圖之前需要添加一個捆綁，才能把兩個數組輸入作為X、Y軸。另外不同的正向電流數值間的切換，通過在前面板添加旋鈕切換的控件來實現。旋鈕控件類似于現實當中測量儀器的旋鈕，通過轉動來選擇不同的檔位。在程序框圖中，旋鈕就類似與一個數值輸入的控件，代表著在前面板中檔位所指著的數值。對于前面板檔位的選擇，這時候就要參考在數控電流源模塊中所輸出的電流大小，這就是數控電流源中設置數碼管顯示的意義。對于此時輸出的正向電流，操作者可以在數碼管顯示的數值上得到反饋，然后就能在LabVIEW上調整相應的檔位。

3.3 LabVIEW的數據處理

由CTR的定義，當輸出電壓保持恒定時，CTR等于直流輸出電流IC和直流輸入電流IF之比乘上百分數可得，CTR=IC/IF*100%。由于在循環結構中所輸出的數據構成一個數組，而作為IC和VCE的顯示只能是某個時刻的具體數值，因此加入了索引數組的方法，隨機地從數組當中抽取出一個數字來顯示，通過這種方法能夠得到IC的數據。對于IF。這里采用的方法是把旋鈕控件的數值輸入作為IF的數值用于CTR的計算中。因為旋鈕數值是人為地根據數碼管顯示而作出的調整，在數值上與輸入的IF大小接近。而且免除了在數控恒流源模塊中添加串口傳輸的步驟，簡化了電路的結構。

4.仿真與測試數據的記錄

以Proteus中光耦為例，型號為：NEC-PS2501-1。因光耦器件正向電壓大小的限制，此數控恒流源輸出電流的范圍為10mA-30mA，初始條件下，輸出20mA，可以通過“+”、“-”按鍵來實現電流值的調整，調整的步距為：5mA，輸出的最大值為30mA。采集通訊電路采集的是 UC和UE的數值，可以看到同一時刻下兩個A/D分別所采集到的電壓數值。通過在單片機上所設置的算法分別計算出VCE和IC的數值。在Proteus的仿真中，只需要添加串口映射模塊COMPIM元件，在Proteus軟件里，就可直接使單片機與計算機上的LabVIEW相連，不需要另外加MAX232器件進行TTL和RS232電平[4]。在LabVIEW的前面板設置通訊COM口選擇、IF輸入旋鈕、XY圖，以及IC、VCE和CTR的實時數值顯示，在電路開始工作以后，XY圖表顯示出光耦的特性曲線。

圖2 光耦特性曲線

數值顯示框顯示旋鈕對應正向電流下IC、VCE和CTR的一組實時數值。如圖3所示，顯示的是在20mA正向電流下的一個瞬時數據。

圖3 VCE、IC、CTR的實時數據

調整VCE至一個恒定值（5V），然后將數控恒流源設置成自動步進遞增狀態，可以在LabVIEW上得到IF-CTR關系圖。

圖4 IF-CTR關系圖

5.結論

由仿真所得的光耦特性曲線圖可知，光耦測試儀所測得的光耦特性曲線與光耦器件產品說明書上所標注的輸出曲線基本相符，能夠利用虛擬儀器較好地測量出光耦器件的輸出特性以及實時的電流傳輸比，是一種專門為光耦器件設計出的一種測量設備。

參考文獻

[1]孫德剛，孫光.光耦線性化與線性光耦器件的應用[J].現代電子技術，2004（1）：82-83.

[2]姜宇鵬，肖棋文，陳越惠.基于51單片機的數控恒流源設計[M].企業技術開發，2011（12）：63.

[3]林靜，林振宇，鄭福仁.Labview虛擬儀器程序設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.7：2，355.

[4]張力，林衛共.Labview及Proteus軟件環境下單片機串口通訊的仿真方法[J].電子測量技術，2010，33（4）：87-88.

基金資助：2012年廣東省級大學生創新創業訓練計劃項目（1184512276）;2013年度廣東工業大學校級教育教學改革項目（2013Y014）;2014年廣東省精品資源共享課建設項目資助（ZYGX011）。