多功能虛擬儀器的開發與設計

谷世達 趙鑫 朱澤垚 戴冬冰

摘要：虛擬儀器是計算機和儀器密切集合的成果，是當前儀器發展方向之一。它是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。運用虛擬儀器技術設計出來的簡單儀器具有比傳統儀器更強大的功能，設計出的高端儀器又有低成本的優勢。本文設計了一個多功能虛擬儀器，集成了電阻測試、電子負載和蓄電池性能測試三種電氣測試功能，具有精度高、集成度高和功能可二次開發等特點。

關鍵詞：多功能；虛擬儀器；高精度；恒流源

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（ c）-0000-00

引言

虛擬儀器是以計算機為核心平臺，通過用戶設計定義、具有虛擬面板、測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。虛擬儀器具有性能高、開發時間少、擴展性強和無縫集成等優勢，用戶可以根據實驗本身的特點自行編輯程序，做到實時更新，與時俱進，并且虛擬儀器實驗平臺能夠聯網，實現網絡教學。國內目前對于虛擬儀器系統的開發，往往側重于單一功能的設計，即只能完成某一方面功能的測試或測量，鮮有將多個復雜功能集成在一起的虛擬儀器系統。針對這一情況，本文運用虛擬儀器技術開發了一個將微小電阻測試、電子負載、蓄電池性能測試三項功能集成在一起的虛擬儀器系統。

1恒流源電路設計

恒流源電路即提供穩定電流，以保證其它電路穩定工作，這要求恒流源電路輸出電流應保持恒定。本系統核心硬件部件為恒流源，其精度直接決定了系統測量精度，其功率決定系統測試的量程范圍，因此設計出的恒流源要求功率大、精度高、穩定性好。

恒流源有多種實現方式。按照IC的應用方式分類，可分為晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源。按照恒流方式分類可分為，開關方式和線性方式。本文主要研究設計一種線性方式集成運放構成的高精度恒流源。

本文設計的恒流源如圖1所示：

恒流源的核心電路有PI調節器和功率電子電路組成，圖1中運算放大器U1組成比例放大器，U2組成積分器，共同組成閉環控制系統，可通過系統函數分析系統穩定性和精度。

該恒流源電壓給定部分采用USB2833數據采集卡，采用12位精度AD/DA，可輸出0-10V電壓，對應輸出電流0-3A。

在實際應用中，由于單個MOSFET允許通過的電流不足以滿足實際需求，因此可以通過MOSFET的并聯實現大功率的輸出，在本設計中采用4個N溝道場效應管，4個P溝道場效應管，以增大輸出電流。如果并聯的數量不多可以直接直接并聯使用，當需要輸出數百安培的電流時，應設計均流電路，保證各個MOS管流過的電流相等，防止一個損壞造成的大面積損壞。

在端口輸出端采用四線制接法，把兩根電源線，兩根信號線，電源和信號分開工作。在實際測量中，將信號端接在待測原件的外側，電源線接在待測原件的里側，這樣可以降低導線中電阻對測量的結果的影響，使精度得以提升。實驗證明恒流源的精度可達0.1%。

2電阻測試設計

傳統的電阻測試方法有伏安法、電橋法，雖然它們各有優點，但都存在測量精度不高，測量微小電阻時誤差較大等缺點，本設計要達到測量高精度電阻的目的，因此，采用恒流源法。本系統利用被測電阻四端法伏安特性，將恒流源電流流入被測電阻R的兩根電流線和電壓表測量端的兩根電壓線分離開，使得數字電壓表測量端的電壓不再是恒流源兩端的直接電壓，可以減少系統誤差。

在電阻測試程序設計中，可以對給定電流進行任意設定，通過USB2833數據采集卡采集電流與電壓數據，對數據進行分析，再把結果顯示到人機界面上，為了清晰直觀的表現采集數據的變化，在人機界面上使用了電流與時間曲線圖和電阻與時間曲線圖，方面觀察數據采集的變化，并且在程序中加入了對數據的保存，提高了數據的可靠性。

3電子負載設計

電子負載能夠準確檢測出負載電壓，精確調整負載電流，可以模擬負載實際工作情況，和模擬一些特殊的負載要求，如可以產生不同頻率的脈沖電流，主要用于電源調試檢測。電子負載的功能主要由軟件實現并且可以允許用戶二次開發。

本系統的電子負載功能測試可以設定采樣周期，恒流源的值，輸出恒流源設定值，定時采樣電子負載兩端的電壓和電流，顯示并存儲采樣值，計算出被測電源的精度，功率和內阻。電子負載功能測試程序包括對電子負載界面進行初始化；設定恒流源電流值和采樣周期；.計算被測電源精度，即用被測電源的輸出電壓與標準輸出電壓進行比較相減，得出被測電源精度；顯示更新的輸出電流、采樣電流、采樣電壓和被測電源精度；將輸出電流、采樣電流、采樣電壓和被測電源精度存入數據庫；判斷是否繼續進行電子負載功能測試，是則返回步驟2繼續進行，否則返回主控制程序。

4蓄電池性能測試設計

電池性能測試主要采用對電池進行各種方式的充放電來完成，采集充放電的參數，包括檢測電流、電壓、容量、內阻、溫度、電池循環壽命等，并作出有關的各種曲線和圖表，最后得出蓄電池性能測試結果。

電池測試軟件設計是性能測試的核心技術，本系統的蓄電池性能測試能夠設定恒流充電和恒流放電，設定采樣周期，設定充電和放電的電流，輸出設定值，采樣被測電池的電流和電壓，顯示并存儲，計算出被測電池的容量、內阻、電池循環壽命等。蓄電池性能測試程序包括電池測試界面初始化；設定充電或放電；設定恒流源電流和采樣周期；輸出電流，并定時采樣電流和電壓；計算被測電池容量，即用電流乘以時間得到電池容量；顯示更新的輸出電流、采樣電流、采樣電壓和被測電池容量；將輸出電流、采樣電流、電壓和被測電池容量存入數據庫；判斷是否繼續進行測試，是則返回步驟2繼續，否則返回主控制程序。

5多功能虛擬儀器系統的集成

電阻測試，電子負載和蓄電池性能測試都已有較成熟的理論，本文研究的重點是如何利用虛擬儀器技術實現集成測試，包括測試方法和測試軟件，以及系統控制軟件。

5.1多功能虛擬儀器系統硬件設計

多功能虛擬儀器系統硬件框圖如圖2所示：

PC機與通信接口相連，通信接口連接高精度大功率恒流源，恒流源連接被測部件，包括電阻測試，電子負載和蓄電池。計算機通過通信接口設定恒流源量程和電流值，恒定電流施加到被測部件。被測部件的測量參數通過通信接口被計算機采集。

5.2多功能虛擬儀器系統軟件設計

多功能虛擬儀器系統軟件框圖如圖3所示：

系統控制軟件：友好的人機界面，可選擇各種功能。

自動校準軟件：按自動校準理論校準恒流源量程和精度。

恒流源軟件：設定恒流源參數，采樣恒流源輸出電壓和電流。

電阻測試軟件：按恒流源法測試微小電阻參數。

電子負載軟件：模擬負載實際工作情況，調試檢測電源特性。

蓄電池性能測試軟件：按照電化學理論檢測蓄電池性能。

數據庫：所有測試數據存在數據庫中，具有數據庫管理功能。

6結論

基于恒流源的多功能虛擬儀器系統，通過解決了恒流源的高精度和大功率的結合問題，提高了電阻測試、電子負載、蓄電池性能測試的測試精度和測量范圍，同時基于虛擬儀器三種功能的集成，充分利用了最先進的計算機軟硬件技術，得到了更高的開發效率和更完備的系統功能。用該測控系統進行了各項功能測試，證實該測控系統測定的參數準確，且能夠很好地實現復合功能，與傳統的單一功能虛擬儀器系統相比，這無疑是一個飛躍，對于虛擬儀器技術的發展也將起到積極的推動作用。

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