基于LabVIEW的智能萬用表設計

◎覃傳妹 覃傳寶 陳 瑩

基于LabVIEW的智能萬用表設計

◎覃傳妹 覃傳寶 陳 瑩

所謂的虛擬儀器是指以計算機為核心，將計算機與測試系統結合一體，計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件的功能，計算機的顯示器代替傳統儀器面板的測量儀器。虛擬儀器是科技時代發展的潮流，憑借其功能強大靈活性高、研發周期短、成本低、可操作性好等優點，將會越來越多的取代傳統儀器。本設計借助虛擬儀器軟件LabVIEW和數據采集板卡PCI-6221，制作了一個虛擬儀器萬用表。

本虛擬萬用表除了跟傳統的萬用表一樣可測量電壓、電流、電阻及檢測短路外還有當前時間的顯示、斷路電路的檢測、工作指示燈的顯示、歷史數據的保存和調用，當然也有信號檔位的選擇，還可以任意改動其功能和美化界面，是一款智能化、實用性強、性價比高的儀器，由虛擬軟件LabVIEW搭建而成，再通過PCI-6221數據采集板卡、通信電纜、接線盒連接外部信號，實現電壓、電流、電阻等信號的采集，到計算機顯示器上的萬用表界面顯示。

虛擬儀器萬用表硬件電路設計

NI公司的37針的PCI6221的DAQ卡是整個數據采集硬件電路的核心部分，其帶有16路模擬輸入端口，2路16位模擬輸出端口(833 kS/s)，10條數字I/O線，32位計數器/定時器。本設計通過差分方式連線，采集的電壓、電流、電阻信號分別各占用的兩個模擬輸入通道為(ai0，ai20)、(ai2，ai21)、(ai3，ai22)，模擬輸入/輸出通道能通過的電壓范圍為±10V，采集的信號太小可以先適當的放大一定的倍數再連接到DAQ卡的相應接線盒端口，之后再用軟件進行還原，采集的電壓不在±10V范圍內，先縮小適合的倍數。

虛擬儀器萬用表軟件設計

虛擬萬用表前面板如圖1所示，程序框圖總設計如圖2所示。

軟件設計解析

測量電壓信號。本虛擬萬用表電壓、電流、電阻的量程檔位的選擇用了數值類型的轉盤控件結合Case結構實現換擋，共有7個檔位所以Case結構有7個條件分支，把轉盤控件的文本標簽設置為“100Ω、5V、10V、OFF、100mA、200mA、50Ω”，對應的值為“0、1、2、3、4、5、6”，當控件輸出的值對應Case結構選擇器標簽值時，執行本分支內的代碼。萬用表測壓范圍在0-10V，有5V、10V兩個量程檔位，分別對應Case結構的1、2分支，如果測量小于等于5V的電壓先把檔位調到5V檔量程，通過DAQ卡的模擬通道(ai0，ai20)采集到的電壓信號顯示在萬用表顯示器上，如果采集的信號在5V-10V之間應該換到10V檔位，如果檔位放在5V但測量電壓超過量程，通過大小比較函數執行內嵌套的另一個條件結構“真”分支，真分支里面的代碼為一個賦值“已超出量程，請換擋”的字符串常量連接字符串控件（萬用表顯示器）的局部變量，可使（萬用表顯示器）顯示“已超出量程，請換擋”字樣提醒超過量程。如果采集超過10V的電壓，可以通過放大器硬件電路縮放倍數再采集，后再通過軟件放大相應倍數再顯示，而采集的電壓太小如0.5V以下的，最好先放大一定的倍數再采集，否則采集數據不穩定和引起較大的誤差。

測量電流信號。由于PCI-6221采集卡適合采集電壓信號，要采集電壓信號時應根據U=IR原理，先把電流換成電壓信號方可采集，本設計用2個1W的100歐電阻并聯組成一個電流至電壓的轉換電路，可測量的電流范圍為0-200mA，采集到的電壓信號單位先換成毫伏級再除以50Ω電阻得到電流信號。電流信號分有100mA檔和200mA檔編程思路和流程基本與電壓代碼相似。短路報警可在電流檔采集到的電流幾乎為0時可啟動短路報警燈。

測量電阻信號。電阻測量范圍0-100Ω，分50Ω和100Ω量程檔，電阻轉換成電壓需要一個電流源，可選200mA量程的電流源。采集到的電壓除以0.2A即可得到電阻顯示。斷路報警可認為在電阻采集檔采集到的電阻超過最大量程時點亮斷路報警燈。

萬用表顯示屏。萬用表顯示器用的是字符串顯示控件，DAQ卡每個通道采集到的都是數值型信號，可用數值至十進制數字符串轉換函數方可在萬用表顯示屏上顯示，顯示屏控件要多次調用可創建局部變量。系統要求顯示時間，可用獲取日期/時間字符串函數獲取系統時間顯示在字符串控件上。

數據保存。保存數據可供回放歷史數據使用，保存數據用文本文件格式，通過“當前VI路徑”、“拆分路徑”、“創建路徑”、“打開/創建/替換文件”等函數可自動創建文本文件在主程序保存的根目錄下，總共需要保存電壓、電流、電阻信號的數據，可以再調用一個3分支的條件結構來完成，比如當換到測量電流檔位時一邊顯示某一時刻的電流值一邊執行保存條件結構的分支1即可保存當前顯示的電流值，保存的數據要留3位小數點。

萬用表關閉檔。萬用表關閉檔對應3分支，當要停止工作關閉萬用表時，要把檔位打到“OFF”檔，程序框圖執行相應的代碼，送布爾常量“F”給電源指示燈即可關閉、送空字符串給字符串控件顯示器和時間即可清零，進一步輸出布爾量“T”給while循環的停止接線端就可以停止整個程序的執行。萬用表工作指示燈點亮只用在每一個分支里面輸出“真”信號給布爾類型的指示燈局部變量即可。

數據采集卡通道分配。模擬信號采集通過DAQ助手函數分配通道、設置連接方式、采樣數和采樣率，用拆分信號函數把電壓、電流、電阻信號拆分出來，再對這3個通道信號求平均值。

前面板裝飾。基于LabVIEW創建的虛擬儀器可以任意美化和改動儀器界面，根據個人的喜好對界面背景、字體、控件的顏色以及大小進行配置，顏色的調試可以調出“工具選板”的“設置顏色”工具來操作，字體的大小可以在自動狀態下選中再鼠標拖動放大或縮小即可，字體大小調節先選中需要調節的字體再單擊菜單欄中的“對話框字體”下拉列表選擇“大小”再選中字號。指示燈亮滅狀態的顏色設置可以通過右鍵快捷方式的“屬性”內部去設置。

基于虛擬儀器LabVIEW的智能萬用表適用于實驗室內，這樣可以節省買傳統萬用表的資金，通過外部轉換電路和放大處理電路的調整可以任意改變電壓、電流、電阻的采集量程，是一個操作性強、實用性大的虛擬儀器。

（作者單位：廣西大學行健文理學院）

廣西大學行健文理學院，自然科學類項目，編號為2012ZKLX03