基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的鋁電解電容器測(cè)試與記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行鋁電解電容器測(cè)試過(guò)程中，高頻次的設(shè)備操作和龐大的測(cè)試數(shù)據(jù)記錄使得測(cè)試人員疲于應(yīng)對(duì)。本文作者利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)試儀器，設(shè)計(jì)出了一套鋁電解電容器自動(dòng)測(cè)試和記錄系統(tǒng)，在保障測(cè)試質(zhì)量的同時(shí)極大地提高了測(cè)試效率。

關(guān)鍵詞：電容器;LabVIEW;虛擬儀器

鋁電解電容器在進(jìn)行“初始測(cè)量”和各類環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)后的“最后測(cè)量”中都必須要測(cè)試電容量、損耗角正切和阻抗。使用傳統(tǒng)儀器測(cè)試時(shí)需進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、檔位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)記錄等一系列操作，對(duì)于項(xiàng)目繁雜、數(shù)量龐大的電容器樣品，工作量無(wú)疑是巨大的。所以，如何利用好現(xiàn)有儀器設(shè)備，高效高質(zhì)地完成數(shù)量龐大的鋁電解電容器測(cè)試成為當(dāng)務(wù)之急。本文利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行軟件編程，結(jié)合USB-GPIB卡，與HP-4274A進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、交換和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)鋁電解電容器的快速自動(dòng)測(cè)試和記錄。

1 鋁電解電容器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T5993-2003電子設(shè)備用固定電容器 第4部分：分規(guī)范 固體和非固體電解質(zhì)鋁電容器》[1]的要求，鋁電解電容器基本性能參數(shù)測(cè)試條件及各項(xiàng)目所需測(cè)試的樣品數(shù)量如表1。

從表中可以看出，單批次的鋁電解電容器三項(xiàng)性能需要進(jìn)行近700次測(cè)試，每次測(cè)試均需要對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行基本參數(shù)調(diào)整和測(cè)試數(shù)據(jù)記錄，工作量巨大且此過(guò)程中容易出現(xiàn)人為操作誤差。

2 電容器性能測(cè)試儀器介紹

HP4274A LCR電橋是美國(guó)惠普公司的產(chǎn)品，該儀表能快速測(cè)量電感L、電容C、電阻R、損耗因素D、矢量阻抗|Z|等，其頻率范圍從100Hz到100kHz，測(cè)試電壓范圍從1mV～5Vrms，該儀表電容測(cè)試范圍為0.01fF～1999.0mF，測(cè)量精度為0.1%，完全滿足GB/T 5993-2003對(duì)鋁電解電容器各項(xiàng)性能指標(biāo)所需測(cè)試儀器的要求。除“Local”人工操作模式外，儀器自帶GPIB通訊端口，可實(shí)現(xiàn)“Remote”操控模式，為遠(yuǎn)程測(cè)試控制提供了硬件支持。其GPIB命令為L(zhǎng)V（電壓）、F11（電容量測(cè)試頻率）、F12（損耗角正切測(cè)試頻率）、F18（阻抗測(cè)試頻率）、A（X）對(duì)應(yīng)各頻率值等，此命令將作為后續(xù)測(cè)試程序設(shè)計(jì)時(shí)控制命令輸入。

3 虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW

“軟件就是儀器”[2]，虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件（本文的HP4274A、USB-GPIB），結(jié)合高效軟件來(lái)完成各種測(cè)試和自動(dòng)化的應(yīng)用。作為虛擬儀器技術(shù)中應(yīng)用最廣的開(kāi)發(fā)環(huán)境，LabVIEW采用框圖的形式進(jìn)行編程，是開(kāi)發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的最理想選擇。該開(kāi)發(fā)環(huán)境集成了滿足 GPIB、RS-232和 RS-485等協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 通訊部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通訊部分硬件采用USB3488A USB-GPIB卡實(shí)現(xiàn)PC端和HP4274A的即時(shí)命令交互和數(shù)據(jù)傳輸，軟件程序框圖見(jiàn)圖1。通過(guò)“VISA Open”以及GPIB卡地址建立通訊鏈路、“VISA Write”將地址寫入、“VISA Read”讀取其值作為下次通訊建立的輸入值、“VISA Close”關(guān)閉GPIB口釋放資源。執(zhí)行此段程序，HP4274A面板remote燈將被點(diǎn)亮，表示儀器控制通訊鏈路已配置完成。

4.2 登錄部分設(shè)計(jì)

作為第三方實(shí)驗(yàn)室，質(zhì)量體系文件明確要求進(jìn)行測(cè)試過(guò)程控制以及相應(yīng)的痕跡管理，這對(duì)測(cè)試操作人員和測(cè)試原始數(shù)據(jù)記錄做出了明確要求。因此，此部分設(shè)計(jì)主要目的在于嚴(yán)格控制系統(tǒng)使用人員并將測(cè)試人員、試驗(yàn)時(shí)間等信息進(jìn)行采集以便在測(cè)試原始記錄中自動(dòng)填寫。

本部分采用LabSQL ADO-tool命令集進(jìn)行編程。“測(cè)試人員”的登錄名和密碼通過(guò)Access進(jìn)行加密存儲(chǔ)和授權(quán)。程序編寫時(shí)，通過(guò)對(duì)“登錄名”和“密碼”的采集，并使用“ADO Connection Create—>ADO Connection Open—>SQL Execute—>ADO Connection Close”各子VI的框圖編制以及在控制面板的控件調(diào)配，實(shí)現(xiàn)測(cè)試登錄、密碼修改、進(jìn)入系統(tǒng)、退出系統(tǒng)等功能，如圖2。登錄完成后，點(diǎn)擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕即可進(jìn)入測(cè)試界面，也可以點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”按鈕退出整體系統(tǒng)，如圖3。

4.3 測(cè)試和數(shù)據(jù)保存部分設(shè)計(jì)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試并做好結(jié)果記錄是實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量體系管理中最為關(guān)鍵的過(guò)程。因此本部分設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，需兼顧測(cè)試結(jié)果的快速精確獲取和定位保存。

測(cè)試部分采用LabVIEW GPIB命令集[3]進(jìn)行編程。HP4274A 的“電壓、頻率、電容”等測(cè)試命令通過(guò)“GPIB Write—>GPIB Read”命令控制儀器進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置、測(cè)試和結(jié)果返回，將結(jié)果進(jìn)行緩存，并在后續(xù)數(shù)據(jù)保存中使用。測(cè)試界面如圖4，“Start”為單支電容器測(cè)試控制按鈕，“Complete”為測(cè)試完成按鈕。

數(shù)據(jù)保存部分采用“LabVIEW Office ToolKit”進(jìn)行編程。通過(guò)“字符轉(zhuǎn)換—>Open Excel—>Open New Workbook—>Open New Worksheet—>Set Cell Value”各VI命令完成模板表格打開(kāi)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元格定位程序編寫。在“數(shù)據(jù)保存”界面，手動(dòng)錄入本批次電容器測(cè)試的相關(guān)信息，如任務(wù)編號(hào)、生產(chǎn)廠商信息、委托方信息、所檢電容器電容量限值范圍、損耗角正切偏差范圍、阻抗允差范圍等，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”，測(cè)試部分緩存的結(jié)果數(shù)據(jù)和手動(dòng)錄入的信息將自動(dòng)保存至以“任務(wù)編號(hào)”為文件名的Excel模板表格對(duì)應(yīng)的單元格中;點(diǎn)擊“繼續(xù)測(cè)試”按鈕將跳至測(cè)試界面進(jìn)行下一批次測(cè)試;點(diǎn)擊“測(cè)試結(jié)束”將退出系統(tǒng)程序，數(shù)據(jù)保存界面如圖5。因?yàn)閿?shù)據(jù)保存完整，測(cè)試人員可通過(guò)測(cè)試電腦所連接的打印機(jī)完成“原始記錄”打印工作，作為測(cè)試的紙質(zhì)檔原始記錄進(jìn)行保存。

4.4 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)

通過(guò)將各子程序框圖進(jìn)行封裝，形成如圖6所示整體程序框圖。由測(cè)試筆記本、系統(tǒng)軟件、USB-GPIB卡和HP4274A構(gòu)成的系統(tǒng)整體如圖7所示。此系統(tǒng)提高了鋁電解電容器性能指標(biāo)測(cè)試效率，大幅度減少了測(cè)試工作量。良好的人機(jī)交互界面，使系統(tǒng)具有更高的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提升了實(shí)驗(yàn)室老舊設(shè)備的使用價(jià)值。從開(kāi)發(fā)至今，此系統(tǒng)已經(jīng)測(cè)試了200多批次近萬(wàn)個(gè)樣品，表現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 5993-2003，電子設(shè)備用固定電容器 第4部分：分規(guī)范 固體和非固體電解質(zhì)鋁電容器[S].北京：中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2003.

[2]羅明.基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程儀器測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].中南大學(xué)，2009.

[3]胡鳳，明陸澤.基于LabVIEW和GPIB的數(shù)字示波器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016（03）： 289-290+295.