基于LabVIEW的虛擬直流電壓表設(shè)計

張佑春

（安徽工商職業(yè)學(xué)院 電子信息系，合肥231131）

伴隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、測試測量技術(shù)等的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的測試儀器由于其本身存在的測量精度、測量誤差、硬件固化及維護(hù)成本等諸多缺陷，越來越不能適應(yīng)當(dāng)下測試測量行業(yè)發(fā)展的要求。20世紀(jì)80年代由NI公司提出的虛擬儀器是對傳統(tǒng)儀器時代的一次革命，虛擬儀器主要借助于計算機(jī)豐富的軟硬件資源，實現(xiàn)傳統(tǒng)測試測量儀器的數(shù)據(jù)采集功能，同時完成對信號的調(diào)理、處理、存儲、輸出和顯示等諸多功能［1-3］。虛擬儀器開發(fā)中使用一種圖形化的編程語言——LabVIEW，該軟件內(nèi)置VXI、GPIB、RS-232、RS-422、RS-485、USB等協(xié)議接口，富含ActiveX、TCP／IP等軟件標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，同時還提供CIN代碼接口節(jié)點和DLL動態(tài)鏈接庫功能［4-6］。軟件編程摒棄傳統(tǒng)的文本語言，采用直觀的圖形化語言——G語言，編程方便、界面友好。

本研究正是在綜合考慮傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的各自特點與應(yīng)用場合后，采用了虛擬儀器LabVIEW軟件，以計算機(jī)豐富的軟硬件為平臺，設(shè)計了一種新型的數(shù)字式直流電壓表。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1 硬件電路總體方案設(shè)計

虛擬直流電壓表的硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括測量對象、A／D轉(zhuǎn)換模塊、增益選擇模塊和通道輸入模塊4個部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 虛擬直流電壓表的硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 Design diagram of virtual DC voltmeter hardware system

1.2 A／D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計采用雙積分式12位A／D轉(zhuǎn)換芯片ICL7109，該芯片具有轉(zhuǎn)換速度快、轉(zhuǎn)換精度高等特點。為與微處理器通信方便，該芯片分別內(nèi)置了2個14位的數(shù)據(jù)寄存器和鎖存器，大大簡化了外圍電路設(shè)計。ICL7109提供了2種數(shù)據(jù)交換方式，即間接方式和直接方式，可以通過設(shè)置MODE引腳完成方式設(shè)定。前者采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)數(shù)據(jù)交換格式，主要針對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集；后者在數(shù)據(jù)輸出過程中，由B1～B8完成低8位字節(jié)數(shù)據(jù)輸出，由B9～B12完成高4位數(shù)據(jù)輸出。該方式可在片選和字節(jié)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)［7-9］。系統(tǒng)MODE引腳設(shè)置低電平，為直接方式，通過改變電位器的狀態(tài)，經(jīng)INH引腳完成模擬電壓Vx的輸入。A／D轉(zhuǎn)換時序圖與模塊電路原理圖分別如圖2、圖3所示。

1.3 增益選擇模塊設(shè)計

鑒于待測模擬信號比較微弱，為得到合適的測量信號，電路引入集成運算放大器LM324，增益選擇功能可以通過模擬開關(guān)CD4052實現(xiàn)。它是數(shù)字控制的模擬數(shù)據(jù)選擇／分配器，具有低導(dǎo)通阻抗和低泄漏電流等特性，通過2個二進(jìn)制輸入端A、B和一個禁止輸入端INH來實現(xiàn)通道選擇。模塊電路中支持4檔增益選擇，即0.5、1、2、5倍。增益選擇模塊電路如圖4所示。

1.4 通道輸入模塊設(shè)計

通道輸入模塊電路提供了3路輸入信號，分別是2.048V參考電壓VREF輸入通道，0V接地通道，以及直流測量電壓輸入通道，即7109＋和7109-。需要說明的是，測量電壓通過調(diào)節(jié)電位器來實現(xiàn)，電壓范圍在0～±4V之間。

由ICL7109的A／D轉(zhuǎn)換關(guān)系，有

圖2 A／D轉(zhuǎn)換時序圖Fig.2 A／D conversion timing chart

式中：VIN—A／D轉(zhuǎn)換器輸入電壓；NOUT—A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的12位數(shù)字量；VREF—A／D轉(zhuǎn)換器外部參考輸入電壓。調(diào)節(jié)至VREF＝2.048V，此時NOUT可以看作為以mV為單位表示的VIN，即

圖3 A／D轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖Fig.3 A／D converter module circuit diagram

圖4 增益選擇模塊電路原理圖Fig.4 Gain selection module circuit diagram

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)基于PC機(jī)的虛擬儀器軟件平臺——LabVIEW構(gòu)建測量方案，實現(xiàn)直流電壓的數(shù)字化測量，完成虛擬交流數(shù)字電壓表的設(shè)計。整個流程采取順序程序結(jié)構(gòu)，依次實現(xiàn)對象選擇、量程選擇、EPP接口初始化與讀數(shù)校驗、7109啟動與運行、量程超出判斷，以及結(jié)果顯示等功能。整個軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

2.2 DLL動態(tài)鏈接庫調(diào)用

程序設(shè)計主要借助Labwindows／CVI編寫底層fp函數(shù)，在程序?qū)崿F(xiàn)時可直接調(diào)用驅(qū)動函數(shù)動態(tài)鏈接，即7109.dll函數(shù)，驅(qū)動函數(shù)原型及常數(shù)和變量在封裝在cvidll.prj工程中。程序設(shè)計時，應(yīng)加入動態(tài)鏈接7109.dll動態(tài)鏈接庫函數(shù)。實現(xiàn)直流電壓測量的驅(qū)動函數(shù)主要包括以下函數(shù)：

void stdcall epp＿init（void） ∥初始化EPP接口；

int stdcall epp＿read＿check（void） ∥EPP讀數(shù)檢查；

int stdcall run＿7109（unsigned char m＿what，unsigned char gain＿cw，double vref，double＊rult） ∥運行7109，實現(xiàn)7109的讀數(shù)及轉(zhuǎn)化；

void stdcall amp＿7109（unsigned char gain＿cw，double＊gain，int＊showdot） ∥根據(jù)量程設(shè)置增益和顯示位數(shù)；

void stdcall indicator＿7109（unsigned char gain＿cw，double＊indicator＿gain，double＊indicator＿max） ∥根據(jù)量程設(shè)置7109輸入增益，電壓表最大顯示數(shù)字；

void stdcall start＿7109（void） ∥啟動7109；

int stdcall display（double display＿data） ∥顯示。

2.3 前面板設(shè)計

虛擬直流數(shù)字電壓表的主要功能是用于完成測量與顯示電位器或外部直流電壓。虛擬儀器前面板設(shè)計有測量對象選擇按鈕和測量與自測選擇按鈕，在數(shù)據(jù)測量中提供了數(shù)字和表盤兩者同時顯示。參照高速數(shù)據(jù)采集的相關(guān)主要性能指標(biāo)，設(shè)計設(shè)置了8檔量程，即8、4、2、0.8、0.4、0.2、0.08、0.04V，對應(yīng)增益為0.5、1、2、5、10、20、50、100倍。同時，前面板上設(shè)置超量程指示，測量的啟動和退出等功能?？紤]到電壓表在實際使用時的需要，故將量程選在最大檔，量程缺省值設(shè)為8V。虛擬直流電壓表前面板設(shè)計如圖6所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖Fig.5 Software design flow

圖6 虛擬直流電壓表前面板Fig.6 Front panel of virtual DC voltmeter

2.4 程序框圖設(shè)計

由前面板設(shè)計可知，“退出”按扭控制了程序的運行狀況，“測量”按鈕控制了測量狀況，因而可采用structure中的while循環(huán)作為設(shè)計主框架。考慮到LabVIEW的順序流程特性，順序結(jié)構(gòu)同樣適用于循環(huán)內(nèi)部設(shè)計。因此，可借助structure中的flat sequence case結(jié)構(gòu)完成程序流圖設(shè)計。

整體設(shè)計流程大體上由4個步驟構(gòu)成：首先，對EPP接口初始化，可通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)來完成，同時庫函數(shù)無需返回數(shù)值；其次，啟動7109，依然可通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)來完成，庫函數(shù)仍無需返回數(shù)值；再次，啟用EPP讀數(shù)據(jù)校驗，此處通過設(shè)置函數(shù)返回值來判斷EPP讀數(shù)據(jù)成功與否，成功則繼續(xù)，否則將“測量”按鈕彈起，程序停止；最后，運行7109，借助case結(jié)構(gòu)選擇測量對象和量程，把run＿7109的輸出用于表盤和led數(shù)字顯示。超量程可根據(jù)7109的返回值判斷，不等于1則超出，同時點亮超量程指示燈。部分程序框圖面板如圖7所示。

圖7 虛擬直流電壓表程序框圖面板Fig.7 Program diagram panel of virtual DC voltmeter

3 系統(tǒng)測試與分析

為分析與比較虛擬直流電壓表和傳統(tǒng)電壓表的測量測試性能，分別對被測對象進(jìn)行了測試，采用3塊傳統(tǒng)直流電壓表得到平均值，再與虛擬直流電壓表進(jìn)行誤差比較。容易得出，采用虛擬直流電壓表測試數(shù)據(jù)誤差小、精度高。測試結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 傳統(tǒng)電壓表測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of traditional voltmeter

表2 虛擬直流電壓表測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data virtual DC voltmeter

4 結(jié) 語

采用虛擬儀器LabVIEW軟件設(shè)計的虛擬直流電壓表，大大簡化了傳統(tǒng)電壓表的硬件結(jié)構(gòu)與制造維護(hù)成本，克服了傳統(tǒng)電壓表測量精度不高，數(shù)據(jù)無法存儲、分析、計算以及攜帶不方便等一系列缺點；同時，簡化的圖形編程語言進(jìn)一步縮短了開發(fā)周期，也方便后期產(chǎn)品功能更新和性能優(yōu)化。由于設(shè)計選取的A／D轉(zhuǎn)換器、參考電壓和增益電阻的精度高，經(jīng)過實驗測試，開發(fā)的虛擬直流電壓表具有測試方便、測量精度高等優(yōu)勢，有廣闊的市場應(yīng)用前景。

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