基于VIIS?EM平臺(tái)的虛擬萬用表的設(shè)計(jì)

吳正玲

摘 要： 為了完善吉林大學(xué)自主研發(fā)的虛擬電子測(cè)量?jī)x器集成系統(tǒng)（VIIS?EM），采用模塊化的思想，研發(fā)設(shè)計(jì)了智能化虛擬萬用表。智能數(shù)字萬用表的主測(cè)量部分由集成電路構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)以最簡(jiǎn)潔方式達(dá)到較高的性價(jià)比。采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式設(shè)計(jì)儀器驅(qū)動(dòng)，將硬件I/O操作封裝成函數(shù)，通過訪問USB驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。采用LabVIEW 8.6開發(fā)工具，通過用CLF節(jié)點(diǎn)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方式，實(shí)現(xiàn)與USB控制器通信，達(dá)到控制虛擬數(shù)字萬用表的目的。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的虛擬萬用表除了具有傳統(tǒng)數(shù)字萬用表的功能外，還具有數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、報(bào)表、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，可廣泛應(yīng)用于電工電子測(cè)量、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： VIIS?EM； 虛擬萬用表； LabVIEW； 動(dòng)態(tài)鏈接庫

中圖分類號(hào)： TN98?34； TM993.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）24?0124?04

Design of virtual multimeter based on VIIS?EM platform

WU Zhengling

（College of Information and Control Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin 132022， China）

Abstract： In order to perfect the virtual instrument integration system for electronic measuring （VIIS?EM） developed by Jilin University independently， the modular thought is adopted to develop and design the intelligent virtual multimeter. The main measuring part of the intelligent digital multimeter is composed of the integrated circuit to reach the high cost performance with the most concise way. The dynamic link library is used to design the drive of the instrument to encapsulate the hardware I/O operation into a function. The data input and output are realized by the access of USB driver. The multimeter was developed with LabVIEW8.6. The pattern to call the dynamic link library by CLF node is used to communicate with USB controller to achieve the purpose of controlling the virtual digital mulltimeter. The virtual multimeter has the functions of data analysis， storage， report and network communication besides the functions owned by the traditional digital multimeter， and can be widely used in electrical and electronic measurement， experimental teaching and other related fields.

Keywords： VIIS?EM； virtual multimeter； LabVIEW； dynamic link library

0 引 言

數(shù)字萬用表（DMM）是電子測(cè)量及設(shè)備維修等相關(guān)工作中應(yīng)用最廣泛、使用最頻繁的一種數(shù)字儀表。雖然當(dāng)前數(shù)字萬用表的技術(shù)已趨于成熟，但隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)數(shù)字萬用表顯露出數(shù)據(jù)分析處理能力差、不能直觀顯示測(cè)量值變化趨勢(shì)、難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化及遠(yuǎn)程測(cè)試無存儲(chǔ)記憶功能等不足[1?2]。虛擬儀器技術(shù)的誕生，帶給測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域一場(chǎng)革新，它是利用計(jì)算機(jī)的儀器和測(cè)量技術(shù)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與高性能模塊化硬件和靈活的軟件結(jié)合在一起，建立其功能強(qiáng)大，靈活易變的虛擬系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的功能[3?4]。本文設(shè)計(jì)的虛擬萬用表應(yīng)用于吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院VI實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)出虛擬電子測(cè)量?jī)x器集成系統(tǒng)（Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring，VIIS?EM）。該萬用表除了兼有傳統(tǒng)數(shù)字萬用表功能外，還具有數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、報(bào)表、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

VIIS?EM系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將諸多體積龐大，相互獨(dú)立的測(cè)試測(cè)量?jī)x器集成到一個(gè)系統(tǒng)中，形成“多個(gè)模塊化儀器+一個(gè)控制器”的構(gòu)成方式，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前設(shè)計(jì)的機(jī)箱中有9個(gè)設(shè)備槽，0號(hào)槽為控制器插槽，其余為模塊化儀器插槽?？刂破髋c模塊化儀器都設(shè)計(jì)為相同的3U尺寸（3.94 inch×6.3 inch，100 mm×160 mm），并嵌入在機(jī)箱中。VIIS?EM系統(tǒng)儀器間通信采用的是自定義的類VXI總線方式，機(jī)箱內(nèi)備板集成有直流穩(wěn)壓電源，提供±12 V，±5 V直流電壓。

目前吉林大學(xué)研發(fā)的VIIS?EM平臺(tái)現(xiàn)已研發(fā)成功，并且科技轉(zhuǎn)化投入部分高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模塊化儀器有：頻率特性測(cè)試儀、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字集成電路測(cè)試儀、LCR測(cè)試儀、頻率計(jì)數(shù)器、程控電源。本次設(shè)計(jì)虛擬萬用表的加入更加完善了這套虛擬電子測(cè)試平臺(tái)。

依據(jù)虛擬電子測(cè)試平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)模型和總線通信協(xié)議，虛擬萬用表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由轉(zhuǎn)換模塊、測(cè)量模塊、主控模塊三部分組成，轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的衰減和測(cè)量功能的切換；測(cè)量模塊包括電壓、電流等測(cè)量模式電路，采用單片智能DMM專用芯片MAX134實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的測(cè)量；主控模塊由FPGA和MCU組成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和總線接口通信。為了方便數(shù)字萬用表硬件設(shè)備板卡集成到VIIS?EM系統(tǒng)之前的設(shè)備調(diào)試，設(shè)計(jì)了串口通信模塊。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

測(cè)量電路是虛擬數(shù)字萬用表硬件部分的核心，選用單片智能數(shù)字萬用表專用芯片MAX134來進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于MAX134集成度高、外圍元件少、線路簡(jiǎn)單，大大地節(jié)省了開發(fā)周期。MAX134最大計(jì)數(shù)值通常取N=±39 999；測(cè)量單極性信號(hào)時(shí)還可將N提高到79 999；若將備用位專供自動(dòng)校零用，則N=±3 999。這比普遍3位半A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)值提高了20倍。MAX134的測(cè)量電路包括電壓模式、電阻模式、電流模式和二極管模式。

MAX134構(gòu)成的電壓模式電路只有400 mV量程可以直接輸入，4～4 000 V量程需經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)輸入，具體電路如圖3所示，其中R2～R5（設(shè)計(jì)采用0.2%，[14] W的精密電阻）為分壓網(wǎng)絡(luò)，C4～C7用于頻率補(bǔ)償，同時(shí)R1～R5與C4～C7構(gòu)成RC型寬頻帶不失真衰減器。MAX134工作時(shí)如果給Vref引腳（26腳）輸入655 mV的基準(zhǔn)電壓可以抑制50 Hz工頻干擾，設(shè)計(jì)時(shí)655 mV的基準(zhǔn)電壓是通過電位器分壓得到的。MAX134的內(nèi)部積分器需要外接積分元件，為圖3中的R7，R8，C5，內(nèi)部濾波放大電路的外圍濾波元件為R9，R10，C6，C7。

MAX134構(gòu)成電流測(cè)量模式電路如圖4所示，4 A量程時(shí)，分流電阻R28為1.0 Ω（10 W）；400 mA量程時(shí)，分流電阻R28為1.0 Ω（1 W）。同時(shí)輸入端還增加了D5，D6作為過壓保護(hù)，0.5 A的保險(xiǎn)絲作為過流保護(hù)（對(duì)于4 A檔，F(xiàn)U取5 A）。

MAX134構(gòu)成的電阻測(cè)量電路如圖5所示，采用比例法測(cè)量電阻，圖5中R1～R6為標(biāo)準(zhǔn)電阻，2 kΩ正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和作二極管接法的VT1，VT2都是保護(hù)元件，穩(wěn)壓管ICL8069提供了電阻測(cè)試時(shí)的參考電壓1.2 V。需要指出的是電路通斷功能的測(cè)試，實(shí)質(zhì)上就是通過測(cè)試測(cè)量點(diǎn)間的電阻R來判斷的。設(shè)計(jì)時(shí)MCU讀取MAX134的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)間電阻小于50 Ω，則認(rèn)為兩點(diǎn)間短路，MCU控制蜂鳴器發(fā)出聲音。

2.2 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換模塊包括AC/DC轉(zhuǎn)換電路和功能轉(zhuǎn)換電路。由于MAX134內(nèi)部沒有集成AC/DC轉(zhuǎn)換電路，在測(cè)量交流量時(shí)需外接AC/DC轉(zhuǎn)換電路，電路如圖6所示，工作方式是按平均值響應(yīng)。電路采用雙JFET輸入運(yùn)算放大器TL062，C28，C29為隔直電容；U5A與[R16 ，R17]構(gòu)成同相比例放大電路，D4，D5雙向限幅二極管，起到保護(hù)輸入端的作用； U5B與D7構(gòu)成半波整流，D6起到整流保護(hù)作用；RPX為電路校正電位器；C32，C33，R24，R25組成兩級(jí)RC濾波器，AC/DC的輸入接MAX134_28引腳，輸出接MAX134_29引腳。

MAX134的電壓測(cè)量和電阻測(cè)量使用的引腳是相同的，這就需要進(jìn)行功能間切換。功能轉(zhuǎn)換電路主要由繼電器、精密電阻等組成，電路如圖7所示。當(dāng)控制信號(hào)RELAY_A3為高電平時(shí)，繼電器的3引腳與4引腳內(nèi)部觸點(diǎn)相連，6引腳和5引腳內(nèi)部觸點(diǎn)相連， 配合MAX134內(nèi)部的模擬開關(guān)（通過向MAX134寫入控制字來實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制），就會(huì)使R1～R6構(gòu)成電阻和電路通斷的測(cè)試功能所需的參考電阻網(wǎng)絡(luò)，即實(shí)現(xiàn)電阻和電路通斷的測(cè)試功能。當(dāng)控制信號(hào)RELAY_A3為低電平時(shí)，繼電器的2引腳與3引腳內(nèi)部觸點(diǎn)相連，引腳6和引腳7連通， 同時(shí)設(shè)置MAX134，使其內(nèi)部的模擬開關(guān)配合，可使R1～R6構(gòu)成分壓電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)電壓和二極管測(cè)試功能。

2.3 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊由兩個(gè)控制單元組成，AT89C52單片機(jī)與MAX134相連，主要負(fù)責(zé)完成功能及量程的設(shè)定，具體硬件連接圖如圖8所示。

MAX134經(jīng)過4位雙向數(shù)據(jù)線（MAX134_D3～MAX134_D0）、3條地址線（MAX134_A2～MAX134_A0）、兩個(gè)讀/寫控制信號(hào)線（DMM_RD，DMM_RD）及轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)線（EOC）與MCU控制模塊相連。地址線MAX134_A2～MAX134_A0用以選擇其內(nèi)部寄存器，在寫入模式下，數(shù)據(jù)從總線上寫入所選定的寄存器中，完成功能及量程設(shè)定。MAX134底層的接口電路是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的，其控制字寫入接口電路如圖9所示，轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取電路如圖10所示。首先設(shè)置MAX134_A2～MAX134_A0 三位地址總線， 也就是選擇好相應(yīng)寄存器，設(shè)置DMM_RD，DMM_RD控制信號(hào)，以確保讀寫操作正確。然后根據(jù)實(shí)際需求，通過向MAX134寫入控制字或者從MAX134中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

由于MAX134的4位數(shù)據(jù)線是雙向的，可以用作控制碼寫入數(shù)據(jù)線，同時(shí)也可用作轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取數(shù)據(jù)線，為了使控制字寫入過程和轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取過程不沖突，所以寫入、讀取電路用了“鎖存器+緩沖器”結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬數(shù)字萬用表硬件板卡微控制器選用的是AT89S52，主要用于完成上位機(jī)的控制命令解釋，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬用表板卡中具體命令函數(shù)，其程序的編寫采用C語言來實(shí)現(xiàn)。微控制器主程序流程圖如圖11所示，首先調(diào)用設(shè)備初始化開始子函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，完成數(shù)字萬用表模塊的設(shè)備、功能等項(xiàng)目的設(shè)置。

儀器面板控制軟件采用LabVIEW開發(fā)，主要是完成顯示、處理、存儲(chǔ)等功能，虛擬萬用表的程序框圖如圖12所示，工作界面如圖13所示?；赩IIS?EM平臺(tái)研制虛擬萬用表，與傳統(tǒng)萬用表相比，功能更加強(qiáng)大，更加智能化。可以用圖表、指針、數(shù)字等多種形式顯示測(cè)量結(jié)果，可以說是將模擬萬用表和數(shù)字萬用表相結(jié)合。

4 測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)對(duì)基于VIIS?EM平臺(tái)的虛擬萬用表進(jìn)行功能測(cè)試，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)字萬用表部分功能測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

在測(cè)試時(shí)，直流電壓測(cè)試使用的是DF1731SL3A（三位有效數(shù)字，±20 V）直流電壓源；交流電壓測(cè)試使用的是DM32030（8位有效數(shù)字，1 mV～10 V）函數(shù)發(fā)生器；電阻測(cè)試時(shí)選用的電阻誤差為0.2%（[14] W）；電流測(cè)量時(shí)將電阻連接電壓源輸出，用Tektronix TDS2012B示波器（100 MHz，1 GS/s）測(cè)量其電流值，標(biāo)定本系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的虛擬萬用表是滿足設(shè)計(jì)要求的。

5 結(jié) 語

從豐富完善VIIS?EM平臺(tái)出發(fā)，以設(shè)計(jì)現(xiàn)代智能化數(shù)字萬用表為目的，依照VIIS?EM平臺(tái)的機(jī)械規(guī)范與總線協(xié)議，現(xiàn)設(shè)計(jì)出一款基于VIIS?EM平臺(tái)的虛擬萬用表。通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明其功能與精度是滿足設(shè)計(jì)要求的。設(shè)計(jì)采用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力，將一部分硬件電路難以達(dá)到的功能交予軟件來實(shí)現(xiàn)，使設(shè)計(jì)的投資更小，更新速度加快。所設(shè)計(jì)的虛擬萬用表具有傳統(tǒng)數(shù)字萬用表的基本測(cè)量功能的同時(shí)且更加的智能化，還具有數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。采用虛擬儀器技術(shù)使得虛擬萬用表具有龐大的顯示功能，使儀器的可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以在通用性的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能提升和擴(kuò)充，具有豐富的可重構(gòu)前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦輝，韓冰，馬術(shù)才，等.智能數(shù)字萬用表研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（7）：64?67.

[2] 劉洋，王厚軍，戴志堅(jiān).PXI高精度數(shù)字萬用表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2011，34（10）：69?71.

[3] 路亞峰，陳義軍，溫新岐，等.虛擬儀器技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2010，29（11）：35?37.

[4] 伍星華，王旭.國內(nèi)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2011（4）：112?116.

[5] 趙吉祥，張秉仁，尹超平.基于VIIS?EM的虛擬示波器設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（10）：76?79.

[6] 尹超平，張秉仁，趙吉祥.基于VIIS?EM平臺(tái)的虛擬數(shù)字集成電路測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（5）：89?92.