基于Labwindows的模擬和數(shù)字信號測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：基于Labwindows/CVI虛擬儀器的測試系統(tǒng)是主要針對于檢測多路不同電壓值而設(shè)計(jì)的一個(gè)測試電路，該測試系統(tǒng)是用于電壓測試，但是也可以同時(shí)檢測多路電壓通道。該系統(tǒng)主要是用于一些測試要求較低，電壓變化速率緩慢的一些電路中，主要優(yōu)點(diǎn)就是在測試的過程中，測試人員可以同時(shí)通過上位機(jī)界面來觀察其電壓值的變化，并且可以通過上位機(jī)界面描繪出其被測信號的波形，以便于查看電壓曲線變化。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 電壓測試 上位機(jī)界面

中圖分類號：TP21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0030-02

1 測試系統(tǒng)的基本原理

該測試系統(tǒng)的基本測試原理就是利用C8051f系列單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊來對其被測信號進(jìn)行采樣，將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)部程序處理，然后把處理完的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)完畢之后，再通過RS232通信將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，用上位機(jī)界面把電壓值顯示出來。

單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換A/D采樣頻率達(dá)到了200Ksps，能夠滿足測試的要求。由于在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中需要穩(wěn)定并準(zhǔn)確的存儲(chǔ)起來，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過程中使用的是SPI總線，因?yàn)槠鋫鬏斔俣瓤欤盘柗€(wěn)定，而且不會(huì)影響其A/D的轉(zhuǎn)換。在A/D采樣結(jié)束后需要將存儲(chǔ)器中的的數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)，RS232通信方式可以滿足其傳輸速度，而且相對穩(wěn)定。上位機(jī)顯示界面中需要清楚的顯示電壓的幅值，所以在PC機(jī)接受到數(shù)據(jù)后將其處理，并將處理完的電壓數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面中的模擬顯示欄或數(shù)字顯示欄中顯示出來，可以清晰的觀測到電路中所要檢測的某節(jié)點(diǎn)的電壓值。在上位機(jī)界面中還設(shè)有數(shù)據(jù)保存功能、圖形顯示功能，可以將其保存的數(shù)據(jù)通過波形的形式來查看。

2 測試電路的硬件設(shè)計(jì)及其軟件編程

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 電源模塊

電源模塊主要作用是為MCU單片機(jī)及其各個(gè)功能芯片提供相應(yīng)的電壓，使其能夠正常的工作。在該測試電路需要用到兩個(gè)不同的電壓值，一個(gè)是單片機(jī)所需的電壓是3.3V，另一個(gè)是RS232通信芯片需要的供電電壓是5.0V。而電路中所需要的電壓則是9V直流穩(wěn)壓電源。

為了能夠盡量得到穩(wěn)定的芯片供電電壓，我們在電路中加入了一些濾波電容，盡量使其直流電壓能夠穩(wěn)定，消除電壓對于芯片的影響。而且還在電路的一端加入了LED指示燈，來確認(rèn)供電電路能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦電壓模塊不能提供給其他模塊所需的電壓，則整個(gè)系統(tǒng)將不會(huì)正常工作。電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示：

2.1.2 輸入電壓模塊

測試電路中輸入的電壓主要是來自于被測電路中不同節(jié)點(diǎn)的各個(gè)電壓值，由于被測電路中的電壓值不統(tǒng)一，所以對于被測電壓進(jìn)行了處理，并且進(jìn)行了輸入通道的劃分，針對于不同范圍內(nèi)的檢測電壓需要對應(yīng)于相應(yīng)的通道進(jìn)行測量。在測試電路中，對于各個(gè)電壓進(jìn)行了分壓的形式，由于單片機(jī)管腳的輸入電壓是不能夠超過3.3V的，所以盡量將要測量的電壓值進(jìn)行比例分配，使其輸入單片機(jī)的電壓可以滿足其要求，然后測量分配后的電壓，再通過單片機(jī)內(nèi)部軟件操作進(jìn)行相應(yīng)的比例放大，可以準(zhǔn)確的獲得實(shí)際要測量的電壓值。

所檢測的電壓值主要是幾個(gè)區(qū)間：小于3.3V、3.3V～6.0V、6.0V～15.0V、15.0V～30.0V，對于不同電壓進(jìn)行分壓所需要的分壓電阻值不同，對于電壓處理的電路圖如圖3所示：

2.1.3 上位機(jī)與下位機(jī)之間的RS232串口通信

在RS232標(biāo)準(zhǔn)中，字符是以一串行的比特串來一個(gè)接一個(gè)的串行（serial）方式傳輸，優(yōu)點(diǎn)是傳輸線少，配線簡單，傳送距離可以較遠(yuǎn)，穩(wěn)定性好。由于該設(shè)計(jì)中的傳輸速度要求不高，傳輸距離短，所以選用了RS232通信方式。（圖4）

2.2 軟件編程

軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：A/D的采樣、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取、單片機(jī)與PC機(jī)之間的RS232通信；

在軟件編程中需要用到A/D采樣，為了能夠直接將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，同時(shí)采用了以SPI為接口的FM25V10存儲(chǔ)器，由于SPI具有較高的傳輸速度，所以不用擔(dān)心采集到的數(shù)據(jù)會(huì)被漏存，在采集完數(shù)據(jù)后將其數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，然后通過上位機(jī)界面來觀察采集到的電壓值。

2.3 基于Labwindows的上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面采用了NI公司推出的基于ANSI C的集成開發(fā)環(huán)境的Labwindows軟件編寫，Labwindows適用于測試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及信號的分析與處理。Labwindows/CVI軟件把C語言的有力與柔性同虛擬儀器軟件工具庫結(jié)合起來，包含了各種總線、數(shù)據(jù)采集和分析庫。Labwindows/CVI軟件的重要特征就是在Windows和Sun平臺(tái)上簡化了圖形用戶接口的設(shè)計(jì)，使用戶很容易的生成各種應(yīng)用程序，并且這些程序可以在不同的餓平臺(tái)上移植。

上位機(jī)的主要作用就是用來顯示所接受到的數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)保存起來，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來繪制相應(yīng)的圖形，可以更加形象的展現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化趨勢。在界面中我們分別對模擬量和數(shù)字量進(jìn)行了顯示，可以更加直觀的來看清數(shù)據(jù)的變化，同時(shí)可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的保存，在讀取數(shù)據(jù)完畢后同樣可以觀察數(shù)據(jù)的波形，以此來確定數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確無誤。

上位機(jī)界面的組成部分如圖5所示：

上位機(jī)界面主要分為兩個(gè)部分，左邊主要是顯示功能，用于顯示采集到的數(shù)據(jù)值；右邊主要是控制功能，用于對數(shù)據(jù)的處理和保存。上位機(jī)界面的操作方法十分簡單，點(diǎn)擊“開始”按鈕之后便可以將采集到的數(shù)據(jù)讀取到PC機(jī)上，然后數(shù)據(jù)處理后將會(huì)在顯示欄上顯示出相對應(yīng)通道上的數(shù)值。“停止”和“退出”按鈕用來結(jié)束上位機(jī)的操作。“保存數(shù)據(jù)”按鈕可以用來將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，保存的數(shù)據(jù)會(huì)在指定的文件夾中保存起來。查看數(shù)據(jù)是可以直接打開保存數(shù)據(jù)的文件，不用再去文件夾中查找?！安榭磾?shù)據(jù)”按鈕可以將接收到的數(shù)據(jù)用圖形來顯示，按鈕按下之后會(huì)彈出數(shù)據(jù)圖形。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可以得出了圖6所示的波形，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅值為5V的正弦電壓信號，然后用該測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，由于信號發(fā)生器本身就一個(gè)通道，所以該實(shí)驗(yàn)只是針對于一個(gè)通道進(jìn)行了測試，并且將采集到的電壓值用PC機(jī)顯示出來，所得到的圖形如圖6所示。

通過上圖可以看得出來，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的將被測的電壓信號通過上位機(jī)界面描繪出來，可以清晰的看出檢測信號的波形，而對于數(shù)字量同樣可以檢測出其高低電平，上位機(jī)界面中將其對應(yīng)的表示出來，“1”代表高電平，“0”代表低電平。由于數(shù)字量只是與某個(gè)電壓值進(jìn)行比較，所以在測試的過程中能夠正常的顯示出來。該系統(tǒng)主要是針對于模擬信號的測量，對于多通道信號的一個(gè)同時(shí)檢測，方便觀察電路的工作狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]張毅剛，喬立巖.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南[M].北京；機(jī)械工業(yè)出版社，2002-08.