基于LabVIEW的電壓電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

種興靜，高軍偉

（青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島266071）

LabVIEW 是一種靈活的編程語言，相較于C 語言或者JAVA 語言，LabVIEW 語言是一種圖形化的編程語言，程序設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，靈活性很強(qiáng)，利于用戶對(duì)上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。LabVIEW 可以做運(yùn)動(dòng)控制、算法的仿真等，但用的最多的還是Lab-VIEW 數(shù)據(jù)采集，例如一些板卡的測(cè)試以及自動(dòng)化控制類的數(shù)據(jù)采集等。一個(gè)VI 程序包括前面板和程序面板。前面板是用戶所能看到的界面，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、波形顯示、數(shù)據(jù)輸入等其他功能，程序面板是前面板運(yùn)行的一個(gè)支持。通過建立VI 程序來實(shí)現(xiàn)一系列的功能，達(dá)到用戶的要求。

基于LabVIEW 數(shù)據(jù)采集的功能[1-3]，本文提出了在LabVIEW 2014 編程軟件環(huán)境下，利用USB 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)電壓電流變化情況。在控制器設(shè)計(jì)過程中，利用LabVIEW 2014 編程軟件編寫電壓電流采集控制程序。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電壓電流的準(zhǔn)確測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)性良好，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在USB 數(shù)據(jù)采集卡電壓電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，USB數(shù)據(jù)采集卡通過USB 接口與上位機(jī)搭建，安裝驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與USB 數(shù)據(jù)采集卡的通訊，LabVIEW 調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)，完成串口通訊[4]。LabVIEW 前面板作為人機(jī)交互界面，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控測(cè)量的電壓、電流的變化情況，通過波形圖方式直接顯示出來，并將獲得的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。

USB 數(shù)據(jù)采集卡電壓電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 USB 數(shù)據(jù)采集卡

電壓電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用恒凱電子的USBDAQ V1．2 數(shù)據(jù)采集卡，如圖2所示。使用USB2．0高速總線接口，具有即插即用的易用特性，便攜式特點(diǎn)可以成為用戶的最佳選擇，可以取代PCI 卡更加方便的使用。該數(shù)據(jù)采集卡采用8 路差分/16 路單端輸入，具有2 路模擬信號(hào)輸出，12 位AD，通道轉(zhuǎn)換速度為100 kHz，最大的共模電壓為±10 V，可支持輸入通道連續(xù)自動(dòng)掃描。USB-DAQ V1．2 數(shù)據(jù)采集卡可工作多種常用的操作系統(tǒng)，如Win7、XP、Win9x/Me 等。該數(shù)據(jù)采集卡可用于各種傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，以及工業(yè)生產(chǎn)中的控制和測(cè)量，還可以應(yīng)用于科研等其他領(lǐng)域，結(jié)合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、便捷的軟件編程方式[5]，與傳感器、控制器搭建，完成各種數(shù)據(jù)信號(hào)處理、分析和保存，可以大大降低設(shè)計(jì)成本。

圖2 USB 采集卡Fig.2 USB data auquision card

USB_DAQ 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入電路如圖3所示，MUX、MUX2 為多路選擇器，每次將1 組AI 或1 個(gè)AI 接入放大器（AMP）。MUX2 用于切換單端或差分輸入模式。AMP 放大器根據(jù)板上的跳線和撥碼開關(guān)選擇不同的放大倍數(shù)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理及緩沖，使信號(hào)適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的量程。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，從而實(shí)現(xiàn)AI 信號(hào)數(shù)字化。AI FIFO 可對(duì)固定或無限次數(shù)采樣執(zhí)行單個(gè)或多個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換。AI 采集過程中，采用先進(jìn)先出（FIFO）緩存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)不會(huì)丟失[6-7]。

圖3 USB_DAQ 模擬輸入電路Fig.3 USB_DAQ analog input circuit

2.2 測(cè)量電路

被測(cè)可調(diào)電壓模塊和蜂鳴電壓報(bào)警模塊如圖4和圖5所示，電壓模塊的電壓范圍為0～5 V，USB 數(shù)據(jù)采集卡的AD1 端口和GND 端口分別連接可調(diào)電壓模塊端口P7 的1和2，用USB 數(shù)據(jù)采集卡的模擬通道對(duì)模擬電壓進(jìn)行采集[8]，對(duì)被測(cè)電壓持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控，獲取測(cè)量的電壓值。圖5 為電壓報(bào)警模塊，USB 數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端口OUT1和接地端口GND 分別連接電壓報(bào)警模塊端口P10的1和2，當(dāng)電壓超過設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)控的超壓報(bào)警。

圖4 被測(cè)可調(diào)電壓圖Fig.4 Measured adjustable voltage diagram

圖5 電壓報(bào)警模塊圖Fig.5 Voltage alarm module diagram

測(cè)流電路如圖6所示，F(xiàn)1 為貼片自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，用以保護(hù)測(cè)流電路。P8 端口的1、2 分別連接USB 數(shù)據(jù)采集卡的AD8 端口和AD16 端口。測(cè)流電路的P9 的1、2 分別連接P14 的1、2 來測(cè)量被測(cè)電路中的電流。

圖6 測(cè)流電路圖Fig.6 Flow measurement circuit diagram

被測(cè)電流電路如圖7所示，被測(cè)電流電路采用5 V 電源供電，可通過調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)電流的改變。

圖7 被測(cè)電流電路圖Fig.7 Measured current circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電壓監(jiān)控模塊

USB 數(shù)據(jù)采集卡電壓監(jiān)控模塊的LabVIEW 程序框圖如圖8所示。軟件采用While 循環(huán)與條件結(jié)構(gòu)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)采集。調(diào)用庫函數(shù)ADSingleV12（）完成模擬通道電壓的單次采集，設(shè)定采集時(shí)模擬輸入模式ad_mod 為1，實(shí)現(xiàn)USB 數(shù)據(jù)采集卡的單端采集模式；AD 輸入通道設(shè)置chan 為0，將AD1 端口設(shè)為電壓數(shù)據(jù)采集的通道；設(shè)置USB 采集卡的量程代碼gain 為10，測(cè)量電壓的量程設(shè)定為0～5 V。庫函數(shù)ADSingleV12（）的adResult 將采集到的電壓直接顯示，并通過反饋節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過插入數(shù)組，依次將電壓數(shù)據(jù)通過波形圖呈現(xiàn)出來。采集到的電壓數(shù)據(jù)再通過創(chuàng)建波形完成電壓的實(shí)時(shí)采集，最后通過“導(dǎo)出波形至電子表格文件”，將采集到的電壓數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。庫函數(shù)DoSetV12 設(shè)定chan 為0 來實(shí)現(xiàn)USB 數(shù)據(jù)采集卡的OUT1 端口作為蜂鳴器報(bào)警模塊的輸入端口，通過布爾（0，1）轉(zhuǎn)換函數(shù)設(shè)置DoSetV12 的state 的狀態(tài)，state 為1 時(shí)報(bào)警，為0 時(shí)消除報(bào)警。

圖8 電壓監(jiān)控程序框圖Fig.8 Voltage monitoring block diagram

3.2 電流監(jiān)控模塊

USB 數(shù)據(jù)采集卡電流監(jiān)控模塊的LabVIEW 程序框圖如圖9所示。調(diào)用庫函數(shù)ADSingleV12（）完成模擬通道電壓的單次采集，設(shè)定采集時(shí)模擬輸入模式ad_mod 為0，實(shí)現(xiàn)USB 數(shù)據(jù)采集卡的差分采集模式；AD 輸入通道設(shè)置chan 為7，將AD8 端口設(shè)為電流數(shù)據(jù)采集的通道；設(shè)置USB 采集卡的量程代碼gain 為6，測(cè)量電壓的量程設(shè)定為-0．5～0．5 V，由于測(cè)流電路中測(cè)量1 Ω 電阻兩端的電壓，所以利用歐姆定律，所測(cè)的電壓除以1 Ω 等于電流值，單位為安培。庫函數(shù)ADSingleV12（）的adResult 將采集到的電流乘1000，設(shè)置測(cè)量電流的單位為毫安，并通過反饋節(jié)點(diǎn)將采集到的電流數(shù)據(jù)通過插入數(shù)組，依次將電流數(shù)據(jù)通過波形圖呈現(xiàn)出來。采集到的電流數(shù)據(jù)再通過創(chuàng)建波形完成電流的實(shí)時(shí)采集，最后使用“導(dǎo)出波形至電子表格文件”函數(shù)，將采集到的電流數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。同樣，當(dāng)測(cè)量電流值超過設(shè)定值，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

圖9 電流監(jiān)控程序框圖Fig.9 Current monitoring block diagram

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

USB 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)采集到的電壓波形圖如圖10所示，設(shè)置報(bào)警電壓為5 V，當(dāng)測(cè)量電壓低于5 V 時(shí)，超壓指示燈關(guān)閉為紅色；當(dāng)測(cè)量電壓超過5 V 時(shí)，超壓指示燈開啟為綠色，并且蜂鳴電壓報(bào)警模塊自動(dòng)開啟，完成蜂鳴報(bào)警。

圖10 電壓波形圖Fig.10 Voltage waveform diagram

通過數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)將采集電壓保存到數(shù)據(jù)庫，采集到的電壓值如圖11所示，電壓采集的時(shí)間間隔為1 s，可以詳細(xì)記錄電壓采集的時(shí)間，并且能夠精確的測(cè)量電壓數(shù)據(jù)。

圖11 電壓值顯示Fig.11 Voltage value display

USB 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)采集到的電流結(jié)果通過波形圖顯示，采集結(jié)果如圖12所示，設(shè)定的最大報(bào)警電流為500 mA，電流監(jiān)控系統(tǒng)同樣具備電流超值報(bào)警功能。

通過數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)將采集電流保存到數(shù)據(jù)庫，采集到的電流值如圖13所示，電流采集的時(shí)間間隔為5 s，可以詳細(xì)記錄電流采集的時(shí)間，并且能夠精確的測(cè)量電流數(shù)據(jù)，測(cè)量電流的單位為毫安。

圖12 電流波形圖Fig.12 Current waveform

圖13 電流值顯示Fig.13 Current value display

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于USB 采集卡的電壓電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以安全可靠運(yùn)行，能夠高效、便捷的對(duì)電壓、電流進(jìn)行精確的測(cè)量，并可實(shí)現(xiàn)電壓、電流超值報(bào)警功能，通過LabVIEW 前面板可以監(jiān)測(cè)到電壓、電流數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，并將采集的詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫，方便對(duì)采集到的數(shù)據(jù)查看。