基于LabVIEW的同軸開關切換系統設計及應用

姚梅玲，賀 青，楊 雁，遲宗濤，黃 璐

(1.青島大學 自動化學院，青島 266071；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

基于LabVIEW的同軸開關切換系統設計及應用

姚梅玲1，賀 青2，楊 雁2，遲宗濤1，黃 璐2

(1.青島大學 自動化學院，青島 266071；2.中國計量科學研究院，北京 100029)

精密自動化測量和射頻應用領域，自動開關切換系統具有廣泛應用，設計高效率、抗干擾的開關自動切換系統在相關領域具有重要應用價值;普通電磁繼電器易受外界電磁干擾和射頻干擾影響，同時被控線路中會被引入電磁噪聲，在精密測量和射頻應用領域產生誤差，所以選擇屏蔽良好的同軸開關是最佳解決方案;控制端采用可視化編程語言G語言設計控制界面，基于LabVIEW平臺，通過DAQmx硬件驅動，實現同軸繼電器開關的程序控制切換和同軸線路的自動開啟或關閉功能;此同軸開關切換系統應用于精密可編程電容器，同軸開關控制23個近似滿足二進制關系的電容，用精密電容電橋檢測電容輸出值;實驗數據表明，此同軸開關切換系統準確實現任意電容的切換，并減少了外界干擾，提高了系統的測量精度和自動化程度。

精密測量；射頻；同軸開關；LabVIEW ；DAQmx驅動；可編程電容器

0 引言

同軸線路可防止電子線路中電磁干擾并提供良好的電磁屏蔽，因此在精密測量和射頻領域具有廣泛應用，涉及航空航天，通訊，醫療等眾多領域。隨著自動測試系統的發展，對精密測量和射頻領域的開關切換系統提出更為苛刻的要求。選擇同軸開關作為切換電路的開關，可以較好的提高系統的精度和效率[1]。極大提高整個系統的自動化程度，同時在很大程度上降低人為干擾，提高系統測量精度[2]。同軸開關在電磁兼容等測試系統中也具有重要應用，它可以降低信號之間的電磁干擾，提高系統的工作效率。

隨著電磁精密測量及射頻領域需要測量和分析的對象愈加復雜，借助LabVIEW開發自動測試系統，可極大提高效率。LabVIEW結合了簡單易用的圖形化開發環境與靈活強大的編程語言，提供了一個直覺式的編程環境，與測量硬件緊密結合，能讓用戶迅速開發出滿足需求的各種虛擬儀器系統。借助LabVIEW開發平臺，通過硬件驅動DAQmx，實現程序控制同軸繼電器開關，完成自動開啟或關閉同軸線路的功能，在精密測量和射頻應用領域具有廣泛應用。

此同軸開關切換系統應用在精密可編程電容器中，實現了范圍內任意電容值的準確輸出。實驗結果表明，此同軸開關切換系統實現了電容的可編程精密切換，并提高了系統的自動化程度。

1 LabVIEW及DAQmx介紹

虛擬儀器是一種其測試功能由測試軟件實現的計算機儀器系統，具有傳統儀器無法比擬的優勢。LabVIEW采用直觀圖形化的G語言，通過底層協議進行高度封裝節點(函數)，從而大大提高了開發效率，因此廣泛應用于儀器控制、數據采集、數據分析和數據顯示等許多領域[3]。

DAQmx硬件驅動程序是Nl公司研制的第三代硬件驅動程序，可作為硬件和LabVIEW之間的通信層，通過DAQmx可以將硬件設備集成至LabVIEW并將新函數加入函數選板供用戶直接調用，而用戶無需知道數據是具體如何傳遞的。相對于傳統的DAQ驅動，NI-DAQmx除了包含DAQ驅動的基本功能之外具有更高的效率和更優的性能，可以節省大量的系統配置、開發和數據記錄時間。另外DAQmx定義并加強了異常條件處理方法，比傳統DAQ驅動更可靠[4]。DAQmx重要的組成還包括MAX和DAQ助理。利用MAX配置設備工具，利用DAQ助手配置虛擬通道和任務，可大大簡化數據采集卡的配置。適用于同軸開關切換控制系統的應用程序開發。

2 同軸開關切換系統的原理

繼電器通過電帶動控制電路斷開和閉合。電子線路中最常見的電磁繼電器，其原理是控制電流流過線圈產生的電磁吸力對銜鐵產生作用，實現觸點的開閉，達到切換目的。電磁繼電器通常分為非磁保持型和磁保持型兩種繼電器。非磁保持型觸點結構簡單，簧片靠磁場的吸引力產生動作，閉合或是斷開電路，只需要磁場撤消，簧片依靠自己的彈性使得電路恢復原始狀態。磁保持型繼電器的特點在于斷電之后仍能保持狀態不變。通過脈沖作用于控制線圈，開關打開(關閉)，脈沖作用于另一組控制線圈時，產生相反工作狀態，其開關狀態被改變后無需施加外力，開關狀態能夠一直保持，它的功率消耗只在開關切換瞬間[5]。

對比普通繼電器的基礎之上，同軸繼電器做了屏蔽處理，避免了與電磁信號之間相互干擾，同時可以保證端子之間的獨立性，實現被控制的電路的準確切換。因此精密測量或射頻應用領域，通常選用信號損耗小的同軸繼電器[6]。

開關切換控制系統主要實現不同信號的切換，可以通過多個繼電器的組合來搭建開關系統。繼電器組合方式多種多樣，包括較為復雜的矩陣開關，一般常用多路組合方式。圖1～2為n路同軸繼電器組合成雙刀雙擲(DPDT)同軸開關工作方式和單刀雙擲(SPDT)同軸開關工作方式的原理圖。

圖1 DPDT同軸開關工作原理圖

圖2 SPDT同軸開關工作原理圖

3 基于LabVIEW的同軸開關切換控制系統設計

基于LabVIEW的同軸開關控制系統中，被控信號連接至同軸開關，同軸開關連接到數據采集卡，數據采集卡通過計算機的USB接口或是其他方式連接到計算機上，同軸開關及被控信號信息就與控制系統相連，從而實現LabVIEW控制程序對同軸開關進行切換控制的功能。

開關信號控制硬件選用NI公司的屏蔽式SCB-100接線盒，將同軸開關連接至計算機。配套使用SH100-100-F同軸電纜，可有效地屏蔽外界電磁干擾。開關數據采集設備選用NI公司的USB-6509，它含有96條雙向I/O通道，具有可靠的工業設計特性。同軸開關控制系統的整體結構框圖如圖3所示。

圖3 同軸開關切換控制系統框圖

控制程序是基于LabVIEW軟件平臺開發，通過人機交互控制指令的發送，實現同軸開關的切換。

LabVIEW平臺下，需先安裝好NI-DAQmx驅動以及選用的NI設備。

根據開關切換系統拓撲結構，選用數組類型表示開關狀態。控制程序的基本流程如下：首先判斷當前輸入開關狀態與歷史記錄中開關狀態相比是否發生變化，如果發生了改變就進入同軸開關控制系統的開關切換控制部分，將開關數組信息根據所選數據采集卡接線配置轉換為有用控制信號，作為DAQ助手的輸入控制信號；程序設置一段時間的延遲，等待同軸開關打開，進而被控信號打開；最后將當前開關狀態信息保存為歷史開關狀態。

對硬件設備的選擇及參數做相關設置之后，選擇任意編號的開關打開(關閉)，在DAQmx硬件驅動程序作用之下，對應編號的實際開關打開(關閉)，那么被此開關控制的信號或電路接通或斷開。

4 同軸開關切換系統在可編程電容器中應用

在電容測量儀器校準領域，目前對精密電容、測量電橋和精密LCR 表的校準只能實現在幾個特殊測量點下校準。若能實現精密可編程標準電容，將可以實現多個量程下任意測量點下的校驗[7]，大大提升我國在電容測量儀器方面的檢測校準能力。

基于以上需求，研制一種高穩定性的精密可編程的標準熔融石英電容器，其基本原理如圖4所示。

圖4 可編程電容器原理圖

圖4中電容C1到C23的電容值是按二進制方式編碼的，具體電容值如表1所示。最小電容的取值近似0.000 07 pF，最大電容值近似58 pF，組和電容值可輸出的最大值達到116 pF，這樣這個可編程電容的量值就可以實現覆蓋六個數量級的電容值。

同軸繼電器開關選用的是美國US公司生產的70000系列N端子同軸觸點式繼電器。70000系列同軸繼電器通過直流驅動信號，利用連接器實現電源單獨控制每個端口。為保證較好地屏蔽電磁干擾和射頻干擾以及良好的信號隔離性能，該產品采用全鋁外殼并且所有的信號通道都做了鍍鎳、裝墊片處理。另外可實現高達120 dB信號隔離和EMI/RFI屏蔽。選擇型號U76024-5PAL的同軸開關 ，內部開關類型是24×1的簧片繼電器？？(確認下這個名詞)，選用其1至23端口分別控制23個電容，25端口作為公共端。可編程電容器中同軸開關切換控制原理如圖5所示。

圖5 同軸開關切換控制系統原理圖

U76024-5PAL的同軸開關，阻抗為50歐姆，切換速度達到1 mS，控制電壓5 V。冷卻方式是對流冷卻，工作溫度范圍在-34℃～65℃之間，濕度要求是0～98% NC。使用壽命長，可以達到108次的操作。

開關切換控制程序LabVIEW界面如圖6所示。

圖6 同軸開關切換控制系統界面設計

選用AH2700A精密電容電橋校準各單元電容輸出值，將同軸開關依次切換，對應每個單元電容值依次測定(測得的電容值按底數為2的對數顯示)。測試結果如圖7所示，近似呈現為一條直線，電容值之間近似滿足二進制關系。

圖7 測試結果

以近似滿足二進制的電容標準值作為基數值，通過組合算法，計算分別輸出組合電容值為0.001 pF，0.01 pF，0.1 pF，1 pF，10 pF，100 pF的電容組和序列如表1“計算輸出值”一列所示。電容電橋測得的實際組合輸出值如表1“測量值”所示。

表1 組合電容測試數據

測量結果顯示1pF以上計算輸出值與測量值之間誤差達到10-6量級及以下。可編程電容器在同軸開關切換系統控制下，可以準確實現電容切換，同軸開關系統引入的雜散電容小于10 aF。同時同軸開關系統大大減少了電磁干擾引入，提高了自動化程度。誤差存在的主要來源可編程電容器電容單元溫度系數的影響。

5 結論

在LabVIEW平臺下，設計同軸開關切換控制系統，通過編寫控制程序實現同軸開關的切換。選用型號為U76024-5PAL的同軸開關控制精密可編程電容器的應用實例顯示此開關切換系統工作良好，開關切換準確，開關及被控線路之間互不干擾。基于LabVIEW的同軸切換系統可提高系統的自動化程度和測量精度，在精密測量領域和射頻領域具有廣泛應用價值。

[1] 陽志高,劉旺鎖,胡金華.自動測試平臺開關系統設計研究[J].計算機測量與控制,2007,15(1):19-20.

[2] 聞映紅,談振輝.射頻同軸開關轉換儀的研制[J].電子測量與儀器,2005,19(2):34-36.

[3] 李雪菊,鄒 澎.基于LabVIEW的單片機串口的高頻同軸開關轉換電路[J].微計算機信息, 2005,20(7-2):86-88.

[4] 張 榮. 基于DAQmx驅動與LABVIEW的數據采集系統設計[J].計算機應用與軟件,2011,28(3):180-181.

[5] 劉青立. 射頻同軸繼電器原理、結構及應用[J].機電元件,2009,29(2):30-33.

[6] Shakil Awan, Bryan Kibble, Jürgen Schurr. Coaxial Electrical Circuits for Interference-Free Measurements [M]. The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom, 2011:87-94.

[7] Andrew D. Koffman. Programmable Capacitors Developed at NIST [R].Brasil:CPEM,2014:1-15.

Design and Application of Coaxial Switching System Based on LabVIEW

Yao Meiling1, He Qing2, Yang Yan2, Chi Zongtao1, Huang Lu2

(1.College of Automation Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China;2.National Institute of Metrology, Beijing 100029, China)

In the precision automatic measurement field and the radio frequency field, the switch system has a wide range of applications. So a high efficiency, anti-interference switch system has important practical value. Ordinary electromagnetic relays are easily influenced by EMI/RFI, at the same time they bring electromagnetic noise to the lines. In the field of precision measurement and RF applications, such relays cause error. So the coaxial switch with good shielding was the best solution. Using G programming language designed the user interface. Based on the LabVIEW platform, through DAQmx hardware driver, coaxial relays were controlled by program to switch and coaxial circuit could automatically turn on or turn off. In the application of coaxial switch system in the programmable capacitor, coaxial switch controlled 23 binary-weighted capacitor elements. Capacitance bridge was used for testing the output value. The result reflected that this coaxial switch based on LabVIEW can switch any capacitor. The interference were reduced, at the same time, the precision and automation of the system were greatly improved.

precision measurement; radio frequency; coaxial switch; LabVIEW; DAQmx driver; programmable capacitor

2016-09-26；

2016-11-08。

國家自然科學基金資助項目(51377150)。

姚梅玲(1990-)，女，山東泰安人，碩士研究生，主要從事數據采集與信息處理，精密電磁計量等方向的研究。

遲宗濤(1964-)，男，教授，碩士生導師，主要從事傳感器與信息處理、精密電磁測量等方向的研究。

1671-4598(2017)03-0155-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.042

TM587.4

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