基于LabVIEW的3146A多功能測量系統(tǒng)開發(fā)

張凱宇， 范艾杰， 蔡志明， 趙茂章， 顧大偉

(南京工業(yè)大學 應用物理系，江蘇 南京 211800)

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基于LabVIEW的3146A多功能測量系統(tǒng)開發(fā)

張凱宇， 范艾杰， 蔡志明， 趙茂章， 顧大偉

(南京工業(yè)大學 應用物理系，江蘇 南京 211800)

設計了一套基于虛擬儀器軟件LabVIEW的ESCORT-3146A臺式數字萬用表多功能測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)中3146A臺式數字萬用表與計算機的通訊功能是利用LabVIEW中的串口通訊函數與子VI進行開發(fā)的，采用USB串口線實現計算機USB端口與3146A臺式數字萬用表RS232端口的物理連接。在集成3146A臺式數字萬用表前面板測量功能的基礎上，測量系統(tǒng)增加了圖形化顯示測量數據，采樣周期自由設定，海量數據存儲等功能。利用3146A臺式數字萬用表四線制測量電阻的功能，該測量系統(tǒng)還可以配合PT100進行精密測溫，測量范圍為0～200℃，測溫精度達到0.023 ℃。

臺式數字萬用表； labVIEW； 串口通訊； 精密測溫

0 引 言

數字萬用儀表具有即時測量，數字化顯示測量結果等功能，在實驗室、生產線、維修現場等場合有著廣泛的應用[1-2]。ESCORT-3146A臺式數字萬用表(3146A)是臺灣富貴電子工業(yè)股份有限公司生產的1臺5 1/2位雙顯示臺式數字萬用表，相較于同類型的安捷倫、吉時利等品牌儀表具有較高的功能價格比。該儀表可通過RS232接口(標準配件)或選購配備的IEEE-448接口(可選配件)與計算機實現連接，利用Quick BASIC或Turbo C等軟件在計算機上編寫操作程序對儀表進行控制，實現儀表的自動測量[3]。本文采用LabVIEW進行程序開發(fā)，與Quick BASIC或Turbo C等軟件相比，LabVIEW具有流程圖式的開發(fā)模式，程序編寫過程便捷，控件選擇豐富多樣，程序框圖清晰直觀[4]。

本文設計的3146A多功能測量系統(tǒng)，通過LabVIEW編寫的程序實現了PC端控制操作，在程序界面實現3146A的前面板功能，可以圖形化實時顯示測量數據，能夠便捷的存儲測量數據。在4線制測量電阻功能的基礎上，增加了利用PT100進行精密測溫的功能。

1 利用LabVIEW實現PC與3146A通訊

串口通信是指外接設備和計算機間，通過數據信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數據的一種通訊方式[8]。通常利用計算機COM口通過串口線與3146A的RS232接口相連接，實現數據傳輸。由于目前PC機COM口較少，本文采用了USB串口線實現3146A與PC的物理連接，該數據線具有USB轉COM口功能，可將PC端的USB接口轉換為虛擬COM口。多次試驗表明USB串口線與LabVIEW具有很好的兼容性，不同類型的USB串口線均可以在LabVIEW中順利使用。USB串口線與PC連接后，在計算機設備管理器內可看到增加了一個COM4端口。

1.1 串口通訊程序

LabVIEW 中使用標準的輸入/ 輸出應用程序編程接口(Virtual Instrument Software Architecture,VISA)完成儀器的控制，VISA 是對其他總線驅動函數進行的一個統(tǒng)一封裝的高層API[9]。LabVIEW 內置了8 個串口VI和函數，可以分別實現串口初始化、串口寫入、串口讀取、檢測串口緩存、中斷以及關閉串口等功能[10-13]。圖1為3146A多功能測量系統(tǒng)程序中涉及串口通訊的程序框圖，該部分按功能可分為四個模塊：串口初始化模塊、串口寫入模塊、串口讀取模塊、串口關閉模塊。

圖1 測量數據讀取程序框圖

串口初始化模塊主要由“VISA Configure Serial Port”子VI完成，將VISA資源名稱指定的串口(COM4口)按特定設置初始化?！安ㄌ芈省痹O為默認值9600；“數據比特”為輸入數據的位數，設置值為8；奇偶校驗的默認值為(0：無)。

串口寫入模塊主要由“VISA Write”函數完成，圖1所示的測量值讀取程序框圖中將字符串“R1”(RS232指令中的查詢指令)通過“write buffer”傳遞給“VISA Write”函數，實現在3146A主顯示屏顯示當前讀數的功能。

串口讀取模塊主要由“VISA Read”函數完成，從VISA資源名稱所指定的設備或接口中讀取指定數量的字節(jié)，并將測量數據返回至讀取緩沖區(qū)。如圖設置字節(jié)總數為800，將3146A測量所得數據通過該函數“read buffer”進行讀取。由于函數所得測量數據類型為字符串型，通過“分數/指數字符串至數值轉換”函數將其轉換為相應數值并實時顯示在顯示控件中。

串口關閉模塊主要由“VISA Close”函數完成，關閉VISA資源名稱指定的設備會話句柄或事件對象。

1.2 指令語法

3146A根據程序寫入緩沖區(qū)的指令實現相應功能。此處以指令語法S1為例進行介紹，其中三種參數被用來設定主顯示屏幕的測量功能、量程、測量速度：為指定測量功能，為指定量程，為指定測量速度。具體S1指令語法參數見表1。

2 3146A多功能測量系統(tǒng)程序

程序分為前面板操作界面與程序框圖界面，操作界面包含3146A的前面板功能，同時增設圖形化顯示、數據存儲、測量量程提示等功能。3146A多功能測量系統(tǒng)程序的開發(fā)主要分為3部分：生成測量指令并寫入儀器，數字化與圖形化顯示實時測量數據，測量數據存儲。

表1 S1指令語法與參數說明

2.1 生成測量指令并寫入儀器

圖2為生成測量指令部分所對應的前面板操作界面，其中測量選項下拉列表共有12種測量方式以供選擇。通過測量選項，檔位選擇和量程選項的設置，可以生成不同的測量指令。

圖2 測量功能選擇界面

3146A測量系統(tǒng)測量指令生成程序框圖(圖3)中利用了多層case結構，各包含多個分支，根據表1的指令語法規(guī)則，可以生成不同的指令以實現不同測量功能。例如：當測量系統(tǒng)在自動量程下S檔(慢速檔)測量直流電壓(VDC)時，程序通過框圖中的case結構，分別生成字符串“S”、“S10”和“0”，利用“連接字符串”函數組成字符串“S100S”作為測量指令，通過“初始化”子VI寫入3146A中。

圖3 測量指令生成程序框圖

2.2 實時數據顯示

數據顯示部分程序框圖如圖4，主要通過“創(chuàng)建波形”函數與“波形圖表”實現。利用在定時循環(huán)上放置移位寄存器，將實時的測量值通過“創(chuàng)建數組”函數組成一維數組創(chuàng)建波形函數，最后將生成的波形數據傳遞給波形圖表實現測量數據的圖形化實時顯示。通過改變定時循環(huán)周期可實現對采樣率的控制。

2.3 數據存儲

LabVIEW提供了豐富的控件和子VI選擇，利用LabVIEW基礎軟件包內“寫入測量文件”子VI可將測量數據進行保存(見圖5)。將圖4程序框圖中已用時間與測量數據以兩個一維數組形式通過“創(chuàng)建數組”函數構成二維數組在前面板顯示，同時將兩個一維數組數據類型分別轉換為動態(tài)數據類型，合并信號后傳遞給“寫入測量文件”子VI。

3 3146A精密測溫功能的實現

3146A具有5位半的高測量精度，能夠采用二線制與四線制測量電阻值。四線制在測量電阻的過程中減小了接觸電阻和導線電阻對測量結果的影響，具有靈敏度高、測量準確、方法巧妙等特點[14-15]。本文在3146A多功能測量系統(tǒng)程序中增設了利用Pt100實現精密測溫的功能。Pt100是用高純度的鉑鎳合金制成的溫度傳感器，一般使用測溫范圍為-50～200 ℃，在該溫區(qū)Pt100的阻值與溫度之間有著很好的線性關系，是一種常用的溫度傳感器[16]。本文設計的測量系統(tǒng)在四線制測電阻的基礎上，將測得的Pt100電阻值利用“公式節(jié)點”中的電阻值與溫度值的關系式轉換為溫度值。Pt100在0～200 ℃的溫區(qū)范圍內對應的阻值變化為100～175.86 Ω，選取3146A在1.2 kΩ量程檔使用四線法進行測量時可達到0.01Ω的測量精度，不考慮其他因素的影響，系統(tǒng)相應的測溫精度可達0.023 ℃，與普通的Pt100溫度變送器相比，具有極高的測溫精度。利用3146A電壓、電流、電阻值的測量功能，配備其它類型的傳感器后還可以在系統(tǒng)中方便地增加壓力、距離、濕度等參數的測量功能。

圖4 數據實時顯示程序框圖

圖5 數據儲存與存檔程序框圖

4 結 語

以3146A為代表的臺式數字萬用表測量功能豐富，使用范圍廣泛。利用LabVIEW對這類儀表進行二次開發(fā)，開發(fā)過程直觀便捷，開發(fā)系統(tǒng)可供選擇的控件與函數等豐富多樣，可以方便地擴展儀表功能，利于儀表更靈活的運用。本文開發(fā)的測量系統(tǒng)通過USB串口線實現PC與3146A的通訊連接，在程序操作界面再現了3146A的前面板功能，同時集成了圖形化實時顯示測量數據以及海量數據存儲等功能。在四線制測量Pt100電阻的基礎上，測量系統(tǒng)增加了精密測溫的功能，測量范圍為0～200 ℃，測溫精度達到0.023 ℃。

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Development of 3146A Multi-function Measurement System Based on LabVIEW

ZHANGKai-yu，FANAi-jie，CAIZhi-ming，ZHAOMao-zhang，GUDa-wei

(Department of Applied Physics， NanJing Tech University， Nanjing 211800， China)

By using the virtual instrument software LabVIEW, a multi-functional measurment system was designed based on ESCORT-3146A bench-type digital multimeter (DMM). The function of communication between PC and 3146A DMM was achieved by LabVIEW’s serial communication functions and sub VI. Physical connections between USB port of PC and RS232 port of 3146A DMM were realized with USB serial port line. On the basis of the integration of the front panel measuring functions of 3146A DMM, the additional functions were added to the measurement system, such as graphical displaying of measurement data, sampling period setting, massive data storage. Using the four-wire method of resistance measurement, this measurement system could coordinate with PT100 for precise temperature measurement, with measurement range of 0-200℃ and temperature measurement precision reached 0.023℃.

bench-type digital multimeter； labVIEW； serial port communication； precision temperature measurement

2015-05-26

江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目

張凱宇(1993-)，男，江蘇蘇州人，本科生，研究方向：虛擬儀器技術。

顧大偉(1978-)，男，江蘇江陰人，講師，研究方向：虛擬儀器技術，新型儲能器件。

Tel.：025-58139534；E-mail：dwgu@njtech.edu.cn

TM932；TP274+.2

A

1006-7167(2016)01-0121-04