一種基于虛擬儀器的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉時(shí)宇，肖 波，韓 濤，詹習(xí)生

（湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，黃石435002）

當(dāng)前，控制系統(tǒng)功能日趨復(fù)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(shè)計(jì)和設(shè)備維護(hù)測(cè)試中經(jīng)常需要測(cè)量它們的大小，以及需要函數(shù)信號(hào)源進(jìn)行仿真和測(cè)試[1]。

在進(jìn)行電路和元件參數(shù)的測(cè)量上，最廣泛使用的是萬用表，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，但它在對(duì)測(cè)量電感、電容參數(shù)時(shí)，在量程和準(zhǔn)確性上都大打折扣；實(shí)驗(yàn)室常用的信號(hào)發(fā)生源體積龐大，價(jià)格昂貴，不便攜帶[2]。本設(shè)計(jì)利用可視化虛擬儀器LabVIEW 作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)可使界面更人性化、成本降低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本測(cè)量系統(tǒng)主要用于測(cè)量電壓、電阻、電容、電感的大小，產(chǎn)生函數(shù)信號(hào)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)主要由測(cè)試控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)通信單元、信號(hào)產(chǎn)生部分、設(shè)備接口等部分組成。其中測(cè)試控制系統(tǒng)主要作用是調(diào)配系統(tǒng)資源，完成對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)試，處理并顯示測(cè)試結(jié)果；數(shù)據(jù)采集單元對(duì)被測(cè)元件的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)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(hào)產(chǎn)生部分為待測(cè)元件或電路提供必要的輸入信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme of measurement system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(hào)發(fā)生電路、參數(shù)測(cè)量電路、WiFi 模塊以及（時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和指示燈電路等）較為簡(jiǎn)單的電路。

2.1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路

函數(shù)信號(hào)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(cè)元件提供穩(wěn)定、可靠、失真小的測(cè)試信號(hào)，確保測(cè)試參數(shù)的準(zhǔn)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(zhuǎn)換芯片，采用雙緩沖方式，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)可以采集下一個(gè)數(shù)字信號(hào)，能有效地提高轉(zhuǎn)換速率。在本方案中，信號(hào)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(yùn)算放大器。它廣泛的用于電源供電的運(yùn)算放大器的場(chǎng)合，此處用于提高本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路如圖2 所示。

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

2.2 參數(shù)測(cè)量電路

參數(shù)測(cè)量電路主要分為電壓、電阻、電感、電容4 個(gè)測(cè)量電路。其中電壓測(cè)量的硬件部分較為簡(jiǎn)單，主要利用電阻分壓的方法對(duì)測(cè)量范圍進(jìn)行的擴(kuò)展，具體的測(cè)量方法由軟件實(shí)現(xiàn)；電阻和電容的測(cè)量電路均采用RC 振蕩電路；電感測(cè)量電路則采用電容三點(diǎn)式振蕩電路[3]。在實(shí)際測(cè)量操作中，測(cè)量哪種電子元器件就將對(duì)應(yīng)的電路接入總電路中，接入的方法采用CD4052 多路選擇開關(guān)進(jìn)行選擇，然后將對(duì)應(yīng)脈沖信號(hào)傳入單片機(jī)，獲得測(cè)量值。

電阻測(cè)量的硬件部分中，采用NE555 定時(shí)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(cè)的電阻接入對(duì)應(yīng)的測(cè)量端口，產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩脈沖傳入CD4052 芯片。進(jìn)而傳入單片機(jī)的定時(shí)器的輸入捕獲端口進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，從而可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的頻率，進(jìn)一步通過對(duì)應(yīng)算法獲得待測(cè)電阻值。電容測(cè)量方法與電阻一致。電阻測(cè)量電路如圖3 所示，電容測(cè)量電路如圖4 所示。

圖3 電阻測(cè)量電路Fig.3 Resistance measuring circuit

圖4 電容測(cè)量電路Fig.4 Capacitance measuring circuit

電感測(cè)量的硬件部分中，同樣采用NE555 定時(shí)器作為脈沖源，與已知電阻、電容和三極管組成電容三點(diǎn)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(cè)量方法與上文提到電阻測(cè)量電路一致，但電路更復(fù)雜一些。電感測(cè)量電路如圖5所示。

圖5 電感測(cè)量電路Fig.5 Inductance measuring circuit

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，可主要分為參數(shù)測(cè)量控制器設(shè)計(jì)、函數(shù)信號(hào)控制器設(shè)計(jì)、虛擬儀器上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)3 個(gè)部分，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程如圖6 所示。

圖6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程Fig.6 Overall flow chart of software system design

3.1 參數(shù)測(cè)量控制器設(shè)計(jì)

參數(shù)測(cè)量控制指的是電壓、電阻、電感、電容的測(cè)量。其控制器的作用，是接收LabVIEW 傳來的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，然后通過CD4052 將對(duì)應(yīng)的電路接入，NE555 定時(shí)器產(chǎn)生特定頻率的脈沖信號(hào)，STM32 單片機(jī)運(yùn)用定時(shí)器功能，對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行輸入捕獲，從而完成待測(cè)元件參數(shù)測(cè)量。單片機(jī)內(nèi)的參數(shù)測(cè)量控制器的設(shè)計(jì)就是對(duì)傳來的特定脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，得出待測(cè)元件的參數(shù)值。下面將以電阻測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法為例進(jìn)行探討，電壓，電感，電容測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法與其類似。

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

3.2 函數(shù)信號(hào)控制器設(shè)計(jì)

函數(shù)信號(hào)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(guān)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，利用DAC0832 數(shù)模芯片組成的函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路，完成不同類型函數(shù)信號(hào)輸出。下面將以正弦波為示例探討單片機(jī)實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生的過程。其它函數(shù)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法與其基本一致。

為設(shè)計(jì)Y=sin（N），N 取128，即一個(gè)完整的基本的正弦信號(hào)的取樣周期有128 個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)點(diǎn)組成，決定了其精度。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到STM32F103C8T6 單片機(jī)的RAM 當(dāng)中，根據(jù)所要的頻率來取得信號(hào)數(shù)據(jù)的多少，點(diǎn)數(shù)多少的計(jì)算如下：

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

本設(shè)計(jì)中要求信號(hào)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(hào)周期的2 倍[4]。但是為了更好的保證信號(hào)的完整輸出，至少要采樣20 個(gè)點(diǎn)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(shí)器設(shè)置的采樣時(shí)間的大小為50 μs。

3.3 LabVIEW 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在LabVIEW 的程序框圖中，前面板界面的每一個(gè)界面都對(duì)應(yīng)一段程序框圖，由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成，采用LabVIEW 圖形化編程語(yǔ)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(gè)部分構(gòu)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(diào)試與驗(yàn)證

首先，在LabVIEW 按下輸入IP 地址、端口號(hào)以及刷新時(shí)間，連接WiFi，指示燈點(diǎn)亮即操作正確；接下來打開對(duì)應(yīng)的開關(guān)按鈕即可對(duì)電壓、電阻、電容、電感進(jìn)行測(cè)量；通過調(diào)節(jié)函數(shù)類型組合框，幅值、頻率、持續(xù)時(shí)間等數(shù)值輸入控件按鈕，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出即可期望信號(hào)[6]，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 LabVIEW 上位機(jī)測(cè)量結(jié)果Fig.9 Measurement results of LabVIEW upper computer

以上測(cè)量中，電壓、電阻、電感、電容的實(shí)際值分別為3.3 V，10 kΩ，100 μH，470 μF，誤差均小于2%?；谔摂M儀器的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)有著傳統(tǒng)測(cè)量平臺(tái)（萬用表、示波器、信號(hào)源）無可比擬的優(yōu)越性。比如： 基于虛擬儀器的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)可以在Lab-VIEW 上位機(jī)界面上清楚地看到電壓、 電阻信號(hào)變化的趨勢(shì)圖，可以對(duì)測(cè)量參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和調(diào)控；測(cè)量中，電阻的有效測(cè)量范圍為：0～100 kΩ；電容的有效測(cè)量范圍為：100 pF～200 μF；電感的有效測(cè)量范圍為：10 μH～10 mH；電壓的有效測(cè)量范圍為：0～33 V?；緷M足測(cè)量范圍和測(cè)量精度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹一種基于虛擬儀器的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)主要包括電源模塊，電參數(shù)測(cè)量電路和函數(shù)信號(hào)發(fā)生電路；軟件系統(tǒng)完成了各個(gè)模塊的算法及程序設(shè)計(jì)，包括參數(shù)測(cè)量控制器設(shè)計(jì)、函數(shù)信號(hào)控制器設(shè)計(jì)、虛擬儀器上位機(jī)設(shè)計(jì)、WiFi 通信協(xié)議設(shè)計(jì)；同時(shí)也對(duì)應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)問題作出了說明。在團(tuán)隊(duì)每個(gè)人的努力和學(xué)校老師的支持下，經(jīng)過多次調(diào)試與修正，方案能實(shí)現(xiàn)測(cè)試的基本要求，有效地提高了測(cè)試效率。