基于DAQ及LabVIEW的虛擬數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

摘要：為解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中成本高、技術(shù)更新慢及維護(hù)等方面的困難，適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)發(fā)展的要求，本文在分析數(shù)字電壓表原理的基礎(chǔ)上，利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)字電壓表。虛擬數(shù)字電壓表除數(shù)據(jù)采集由DAQ實(shí)現(xiàn)外，其他功能均由軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，有利于系統(tǒng)集成。經(jīng)測(cè)試，此數(shù)字電壓表性能可靠，能達(dá)到測(cè)試者的要求。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)字電壓表；LabVIEW；DAQ

O 引言
    電子儀器與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室是高等工科院校必備的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。為了提供一定的實(shí)驗(yàn)規(guī)模，保證每個(gè)學(xué)生得到實(shí)際動(dòng)手能力的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般需購(gòu)置大量的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器，如示波器、電壓表、信號(hào)源等，投資大、技術(shù)更新快、維護(hù)困難。電壓表更是不可或缺的測(cè)量?jī)x器之一。
    傳統(tǒng)的數(shù)字電壓表采用A／D轉(zhuǎn)換器件和通用集成邏輯器件來設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)不便于系統(tǒng)功能修改和升級(jí)，缺乏靈活性，接線較復(fù)雜，故障率高。以單片機(jī)為核心的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)是目前使用過最廣泛的一種設(shè)計(jì)方式，但其工作速度較低，功能修改及調(diào)試需要硬件電路的支持。
    在本文設(shè)計(jì)中，結(jié)合虛擬儀器新技術(shù)來完成為數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)，使其不但更有利于系統(tǒng)集成，提高系統(tǒng)的測(cè)試精度，適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，解決投資、維護(hù)等問題，還考慮到該儀器主要用于教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，使用時(shí)，學(xué)生科通過操作，設(shè)置參數(shù)，根據(jù)自己的需要來定義儀器的功能；同時(shí)現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)正向著智能化、自動(dòng)化、小型化、模塊化和開放系統(tǒng)的方向發(fā)展，基于虛擬儀器的電子測(cè)量?jī)x器可滿足這種要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理
1．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    虛擬儀器(virtual instrument，VI)是20世紀(jì)80年代末由美國(guó)國(guó)家儀器公司(national instrument corp，NI)提出的新概念。它以通用計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，加上特定的硬件接口，用戶通過軟件開發(fā)平臺(tái)編寫應(yīng)用程序，以完成傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)得到工業(yè)界的廣泛接受與運(yùn)用，成為儀器技術(shù)的主流。
    根據(jù)虛擬儀器的總體結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，虛擬儀器的內(nèi)部功能可劃分成數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析、和數(shù)據(jù)表達(dá)式三個(gè)功能模塊。按照測(cè)控功能硬件的不同，VI可分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用PC-DAQ體系結(jié)構(gòu)。

    數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術(shù)之一。也是LabVIEW與其他編程語(yǔ)言相比的優(yōu)勢(shì)所在。在設(shè)計(jì)中根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)采用PC-DAQ(Data AcQuisition)體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集部分采用NI USB-6009 DAQ，模擬信號(hào)8通道單端輸入，最高采樣率42kSa／s(多通道合計(jì))。數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示部分在PC機(jī)中用LabVIEW 8．2實(shí)現(xiàn)。PC機(jī)配置為：奔騰4 CPU 2．00GHz、內(nèi)存256MB、硬盤60GB。其采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1．2 電壓表設(shè)計(jì)原理
    基于DAQ及LabVIEW的數(shù)字電壓表包括直流電壓表和交流電壓表的功能，直流電壓表的設(shè)計(jì)原理如圖3所示，采用電壓-時(shí)間變換型原理。
    電壓-時(shí)間變換型原理是指測(cè)量時(shí)將被測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔△t，電壓越大，△t越大，然后按△t大小控制定時(shí)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值即為電壓值。電壓-時(shí)間變換型又稱為V-T型或斜坡電壓式。

    傳統(tǒng)的交流電壓表按對(duì)波形響應(yīng)的輸出量分為峰值電壓表、均值電壓表和有效值電壓表，它們的工作原理類似，只是檢波電路的參數(shù)有所不同：峰值電壓表采用二極管峰值檢波器，表頭的偏轉(zhuǎn)正比于被測(cè)電壓(任意波形)的峰值；均值電壓表一般都采用二極管全波或橋式整流電路作為檢波器，表頭偏轉(zhuǎn)正比于被測(cè)電壓的平均值；有效值經(jīng)常采用熱電變換和模擬計(jì)算電路兩種方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量，因此，對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象必須選用不同的測(cè)量?jī)x表。

2 基于LabVIEW的軟件程序設(shè)計(jì)
2．1 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)儀器的關(guān)鍵在硬件，而虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。其最核心的思想是利用計(jì)算機(jī)的硬／軟件資源，使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化(虛擬化)，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性。因此要完成虛擬儀器的測(cè)試功能，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。
    LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言，主要用來開發(fā)數(shù)據(jù)采集、儀器控制及數(shù)據(jù)處理分析等軟件，目前在國(guó)際測(cè)試、測(cè)控行業(yè)比較流行，在國(guó)內(nèi)的測(cè)控領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。它大大降低了程序設(shè)計(jì)的難度，使得測(cè)試工程師可以專注于實(shí)現(xiàn)儀器功能，而不是跟程序文本代碼做艱苦斗爭(zhēng)?；贚abVIEW的虛擬儀器測(cè)試軟件設(shè)計(jì)包括前面板的設(shè)計(jì)及后臺(tái)圖形化控制程序的設(shè)計(jì)。
2．2 基于虛擬儀器技術(shù)的電壓表的軟件實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)前面分析的數(shù)字電壓表的原理及測(cè)試方法，系統(tǒng)能完成直流和交流電壓的測(cè)試功能，本文設(shè)計(jì)的電壓表主要用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備，主要是讓學(xué)生掌握電壓表的電路構(gòu)成、電壓表的工作原理、電壓表的測(cè)試方法以及交流電壓表對(duì)正弦波形和非正弦波形的不同響應(yīng)。則虛擬電壓表應(yīng)具有電源開關(guān)控制、輸入?yún)?shù)控制、波形顯示、峰值、有效值和平均值三種結(jié)果顯示，且輸入信號(hào)的采樣可調(diào)節(jié)等功能。
2．2．1 直流電壓表的實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)對(duì)數(shù)字電壓表原理的分析和程序設(shè)計(jì)的一般方法，虛擬直流電壓表的軟件流程圖如圖4所示。

    其前面板如圖5所示。

    前面板由輸入控制和輸出顯示兩部分組成，操作方便，界面友好。輸入控制用來控制系統(tǒng)的運(yùn)行方式，系統(tǒng)可進(jìn)行仿真和測(cè)試兩個(gè)功能，量程選擇用來設(shè)定電壓量程，針對(duì)不同的直流輸入，設(shè)置檢測(cè)量程；輸出顯示用來顯示測(cè)量的結(jié)果，以兩個(gè)顯示控件用來顯示待測(cè)電壓波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓波形，同時(shí)，面板上模擬了指針式儀表的指針，用來指示被測(cè)量的大小。兩個(gè)布爾數(shù)組指示燈控件分別顯示每次比較結(jié)果和是否超出量程。由于測(cè)試存在隨機(jī)性，程序還設(shè)計(jì)了自動(dòng)報(bào)警功能。
2．2．2 交流電壓表的實(shí)現(xiàn)
    基于對(duì)交流電壓表原理的分析，在設(shè)計(jì)的過程中，利用LabVEW提供的工具模塊對(duì)采集的電壓信號(hào)通過不同形式的檢波、計(jì)算等處理分析得出交流電壓信號(hào)的有效值、峰值和平均值。對(duì)于一個(gè)純粹的交流電壓，正半周期信號(hào)和負(fù)半周期信號(hào)對(duì)稱，平均值等于零，所以一般我們不直接測(cè)量平均值。在設(shè)計(jì)時(shí)，按Functions>>Nu-meric>>Absolute value取交流電壓的絕對(duì)值，然后求平均值，即全波平均值；交流電壓中的最大值，即為峰值?？梢园褦?shù)據(jù)進(jìn)行比較求出最大值，可通過Waveform MinMax來進(jìn)行處理；用DC value測(cè)量直流分量和用RMS value測(cè)量有效值。這樣即把有賴于硬件電路的測(cè)試全部由軟件來實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的性能及集成度。其設(shè)計(jì)的程序框圖如圖6所示。

    在測(cè)試中，基于USB6009DAQ設(shè)計(jì)的電壓表，采樣正弦信號(hào)的最高頻率為65000Hz，顯示波形的最高幅度為11．35V。

3 系統(tǒng)分析
    虛擬直流電壓表針對(duì)不同的直流輸入，其量程的大小影響測(cè)試的精度，在測(cè)量電壓時(shí)，應(yīng)使被測(cè)電壓在量程的2／3以上。一般量程應(yīng)選定在被測(cè)電壓的3倍值以上。當(dāng)輸入直流測(cè)試信號(hào)在0～3V時(shí)，測(cè)試的量程應(yīng)選在10V，其測(cè)試的誤差基本為O．0012V。交流測(cè)試時(shí)，利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出測(cè)試信號(hào)，將虛擬電壓表和萬用表與示波器的測(cè)試值進(jìn)行比較，虛擬電壓表測(cè)試值如表1所示。在測(cè)試中，應(yīng)注意合理設(shè)置采樣率，其是減小測(cè)量誤差的重要途徑。

    示波器和數(shù)字萬用表(三位半)測(cè)量值如表2所示。

    虛擬儀表測(cè)得的正弦波峰值平均值為：11．49801V
    萬用表測(cè)得的正弦波峰-峰值的平均值：(23+23+23+23+23+23+23+23+23+23)／10=23 V，峰值為：11．5V，其兩儀表的測(cè)量誤差在O．00199V。由此可見，設(shè)計(jì)的虛擬電壓表能夠滿足實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量需求。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于DAQ及LabVIEW的數(shù)字電壓表能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字電壓表的功能，可視化的前面板控件構(gòu)造儀器的用戶界面，人機(jī)交互性強(qiáng)，界面友好。經(jīng)過調(diào)試、運(yùn)行，該設(shè)計(jì)能滿足實(shí)驗(yàn)室用數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)要求；且系統(tǒng)功能擴(kuò)展方便，通過增加部分軟件，就可以實(shí)現(xiàn)濾波器、信號(hào)源等的功能，可解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)更新與維護(hù)困難等難題。