一種基于虛擬儀器的電參數(shù)測量系統(tǒng)設計

劉時宇，肖 波，韓 濤，詹習生

（湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，黃石435002）

當前，控制系統(tǒng)功能日趨復雜，電子產(chǎn)品絕大部分的外圍電路都是由電阻、電容、電感、二極管等組成的，在產(chǎn)品設計和設備維護測試中經(jīng)常需要測量它們的大小，以及需要函數(shù)信號源進行仿真和測試[1]。

在進行電路和元件參數(shù)的測量上，最廣泛使用的是萬用表，其結構簡單，攜帶方便，但它在對測量電感、電容參數(shù)時，在量程和準確性上都大打折扣；實驗室常用的信號發(fā)生源體積龐大，價格昂貴，不便攜帶[2]。本設計利用可視化虛擬儀器LabVIEW 作為數(shù)據(jù)處理平臺可使界面更人性化、成本降低。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本測量系統(tǒng)主要用于測量電壓、電阻、電容、電感的大小，產(chǎn)生函數(shù)信號進行仿真。系統(tǒng)主要由測試控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)通信單元、信號產(chǎn)生部分、設備接口等部分組成。其中測試控制系統(tǒng)主要作用是調配系統(tǒng)資源，完成對被測產(chǎn)品的測試，處理并顯示測試結果；數(shù)據(jù)采集單元對被測元件的測試數(shù)據(jù)進行采集和轉換；數(shù)據(jù)通信單元為硬件系統(tǒng)與虛擬儀器的橋梁，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)；信號產(chǎn)生部分為待測元件或電路提供必要的輸入信號，測量系統(tǒng)總體設計方案如圖1 所示。

圖1 測量系統(tǒng)總體設計方案Fig.1 Overall design scheme of measurement system

2 硬件系統(tǒng)設計

本方案的硬件系統(tǒng)主要可分為電源模塊電路、函數(shù)信號發(fā)生電路、參數(shù)測量電路、WiFi 模塊以及（時鐘電路，復位電路和指示燈電路等）較為簡單的電路。

2.1 函數(shù)信號發(fā)生電路

函數(shù)信號發(fā)生器模塊的功能是產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等函數(shù)波形，為待測元件提供穩(wěn)定、可靠、失真小的測試信號，確保測試參數(shù)的準確性。

在本部分硬件中，方案采用的主要模塊為DAC0832，采樣頻率為8 位的D/A 轉換芯片，采用雙緩沖方式，即在輸出模擬信號的同時可以采集下一個數(shù)字信號，能有效地提高轉換速率。在本方案中，信號發(fā)生的量程為5 V，故分辨率為5 V/256=19.5 mV。系統(tǒng)為DAC0832 外接了LM358 雙運算放大器。它廣泛的用于電源供電的運算放大器的場合，此處用于提高本系統(tǒng)的驅動能力，函數(shù)信號發(fā)生電路如圖2 所示。

圖2 函數(shù)信號發(fā)生電路Fig.2 Function signal generation circuit

2.2 參數(shù)測量電路

參數(shù)測量電路主要分為電壓、電阻、電感、電容4 個測量電路。其中電壓測量的硬件部分較為簡單，主要利用電阻分壓的方法對測量范圍進行的擴展，具體的測量方法由軟件實現(xiàn)；電阻和電容的測量電路均采用RC 振蕩電路；電感測量電路則采用電容三點式振蕩電路[3]。在實際測量操作中，測量哪種電子元器件就將對應的電路接入總電路中，接入的方法采用CD4052 多路選擇開關進行選擇，然后將對應脈沖信號傳入單片機，獲得測量值。

電阻測量的硬件部分中，采用NE555 定時器作為脈沖源，與已知電阻和電容組成555 多諧振蕩電路，然后將待測的電阻接入對應的測量端口，產(chǎn)生相應的振蕩脈沖傳入CD4052 芯片。進而傳入單片機的定時器的輸入捕獲端口進行脈沖計數(shù)，從而可計算出對應的頻率，進一步通過對應算法獲得待測電阻值。電容測量方法與電阻一致。電阻測量電路如圖3 所示，電容測量電路如圖4 所示。

圖3 電阻測量電路Fig.3 Resistance measuring circuit

圖4 電容測量電路Fig.4 Capacitance measuring circuit

電感測量的硬件部分中，同樣采用NE555 定時器作為脈沖源，與已知電阻、電容和三極管組成電容三點式振蕩電路，其振蕩電路的主要部分為電容和電感組成的回路。測量方法與上文提到電阻測量電路一致，但電路更復雜一些。電感測量電路如圖5所示。

圖5 電感測量電路Fig.5 Inductance measuring circuit

3 軟件系統(tǒng)設計

基于虛擬儀器的電參數(shù)測量系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是設計的關鍵部分，可主要分為參數(shù)測量控制器設計、函數(shù)信號控制器設計、虛擬儀器上位機軟件設計3 個部分，軟件系統(tǒng)設計總流程如圖6 所示。

圖6 軟件系統(tǒng)設計總流程Fig.6 Overall flow chart of software system design

3.1 參數(shù)測量控制器設計

參數(shù)測量控制指的是電壓、電阻、電感、電容的測量。其控制器的作用，是接收LabVIEW 傳來的開關信號進行識別，然后通過CD4052 將對應的電路接入，NE555 定時器產(chǎn)生特定頻率的脈沖信號，STM32 單片機運用定時器功能，對此脈沖信號進行輸入捕獲，從而完成待測元件參數(shù)測量。單片機內的參數(shù)測量控制器的設計就是對傳來的特定脈沖信號進行處理，得出待測元件的參數(shù)值。下面將以電阻測量實現(xiàn)方法為例進行探討，電壓，電感，電容測量實現(xiàn)方法與其類似。

電阻測量： 其中R1，R2為已知阻值；Rx為待測電阻。計算公式（1）與RC 振蕩的硬件電路有關，頻率f由單片機的定時器獲取，公式（3）由公式（2）演變，通過程序編寫即可計算出待測電阻Rx。

3.2 函數(shù)信號控制器設計

函數(shù)信號控制指的是產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等波形。其控制器的作用是接收LabVIEW傳來的開關信號進行識別，利用DAC0832 數(shù)模芯片組成的函數(shù)信號發(fā)生電路，完成不同類型函數(shù)信號輸出。下面將以正弦波為示例探討單片機實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生的過程。其它函數(shù)信號的實現(xiàn)方法與其基本一致。

為設計Y=sin（N），N 取128，即一個完整的基本的正弦信號的取樣周期有128 個數(shù)據(jù)信號點組成，決定了其精度。將數(shù)據(jù)存儲到STM32F103C8T6 單片機的RAM 當中，根據(jù)所要的頻率來取得信號數(shù)據(jù)的多少，點數(shù)多少的計算如下：

式中：N 表示取樣點數(shù)；T 表示所選擇的波形信號的周期；t 表示定時器設置的采樣時間長短，即從RAM中取得點數(shù)的間隔為M=128/N；M 表示在RAM 中取得點數(shù)的間隔，根據(jù)不同的間隔的點數(shù)決定產(chǎn)生一個波形信號的完整性。

本設計中要求信號的最高產(chǎn)生的頻率為1 kHz，根據(jù)香農(nóng)定理，采樣的周期最少要為所有信號周期的2 倍[4]。但是為了更好的保證信號的完整輸出，至少要采樣20 個點才能輸出完整波形，就要求采樣的頻率為它的20 倍，即10 kHz，定時器設置的采樣時間的大小為50 μs。

3.3 LabVIEW 上位機軟件設計

在LabVIEW 的程序框圖中，前面板界面的每一個界面都對應一段程序框圖，由端口、節(jié)點、圖框和連線構成，采用LabVIEW 圖形化編程語言[5]。本系統(tǒng)主要由WiFi 連接、 數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送3 個部分構成。其中，數(shù)據(jù)發(fā)送程序框圖如圖7 所示，數(shù)據(jù)接收程序框圖如圖8 所示。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送程序框圖Fig.7 Block diagram of data transmission program

圖8 數(shù)據(jù)接收程序框圖Fig.8 Block diagram of data receiving program

4 系統(tǒng)調試與驗證

首先，在LabVIEW 按下輸入IP 地址、端口號以及刷新時間，連接WiFi，指示燈點亮即操作正確；接下來打開對應的開關按鈕即可對電壓、電阻、電容、電感進行測量；通過調節(jié)函數(shù)類型組合框，幅值、頻率、持續(xù)時間等數(shù)值輸入控件按鈕，函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)出即可期望信號[6]，測試結果如圖9 所示。

圖9 LabVIEW 上位機測量結果Fig.9 Measurement results of LabVIEW upper computer

以上測量中，電壓、電阻、電感、電容的實際值分別為3.3 V，10 kΩ，100 μH，470 μF，誤差均小于2%。基于虛擬儀器的電參數(shù)測量系統(tǒng)有著傳統(tǒng)測量平臺（萬用表、示波器、信號源）無可比擬的優(yōu)越性。比如： 基于虛擬儀器的電參數(shù)測量系統(tǒng)可以在Lab-VIEW 上位機界面上清楚地看到電壓、 電阻信號變化的趨勢圖，可以對測量參數(shù)的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和調控；測量中，電阻的有效測量范圍為：0～100 kΩ；電容的有效測量范圍為：100 pF～200 μF；電感的有效測量范圍為：10 μH～10 mH；電壓的有效測量范圍為：0～33 V。基本滿足測量范圍和測量精度。

5 結語

本文介紹一種基于虛擬儀器的電參數(shù)測量系統(tǒng)設計，主要分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計。硬件系統(tǒng)主要包括電源模塊，電參數(shù)測量電路和函數(shù)信號發(fā)生電路；軟件系統(tǒng)完成了各個模塊的算法及程序設計，包括參數(shù)測量控制器設計、函數(shù)信號控制器設計、虛擬儀器上位機設計、WiFi 通信協(xié)議設計；同時也對應該注意的細節(jié)問題作出了說明。在團隊每個人的努力和學校老師的支持下，經(jīng)過多次調試與修正，方案能實現(xiàn)測試的基本要求，有效地提高了測試效率。