| 标题 | 基于VIIS?EM平台的虚拟万用表的设计 |
| 范文 | 吴正玲 摘 要： 为了完善吉林大学自主研发的虚拟电子测量仪器集成系统（VIIS?EM），采用模块化的思想，研发设计了智能化虚拟万用表。智能数字万用表的主测量部分由集成电路构成，从而实现以最简洁方式达到较高的性价比。采用动态链接库的形式设计仪器驱动，将硬件I/O操作封装成函数，通过访问USB驱动，实现数据的输入/输出。采用LabVIEW 8.6开发工具，通过用CLF节点调用动态链接库的方式，实现与USB控制器通信，达到控制虚拟数字万用表的目的。结果表明，所设计的虚拟万用表除了具有传统数字万用表的功能外，还具有数据分析、存储、报表、网络通信等功能，可广泛应用于电工电子测量、实验教学等相关领域。 关键词： VIIS?EM； 虚拟万用表； LabVIEW； 动态链接库 中图分类号： TN98?34； TM993.2 文献标识码： A 文章编号： 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 数字万用表（DMM）是电子测量及设备维修等相关工作中应用最广泛、使用最频繁的一种数字仪表。虽然当前数字万用表的技术已趋于成熟，但随着工业生产的飞速发展和科学技术不断进步，传统数字万用表显露出数据分析处理能力差、不能直观显示测量值变化趋势、难以实现网络化及远程测试无存储记忆功能等不足[1?2]。虚拟仪器技术的诞生，带给测试测量和自动化等领域一场革新，它是利用计算机的仪器和测量技术，将计算机技术与高性能模块化硬件和灵活的软件结合在一起，建立其功能强大，灵活易变的虚拟系统来代替传统仪器的功能[3?4]。本文设计的虚拟万用表应用于吉林大学仪器科学与电气工程学院VI实验室自主研发出虚拟电子测量仪器集成系统（Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring，VIIS?EM）。该万用表除了兼有传统数字万用表功能外，还具有数据分析、存储、报表、网络通信等功能。 1 系统的总体设计 VIIS?EM系统采用模块化的设计思想，将诸多体积庞大，相互独立的测试测量仪器集成到一个系统中，形成“多个模块化仪器+一个控制器”的构成方式，其总体结构如图1所示。目前设计的机箱中有9个设备槽，0号槽为控制器插槽，其余为模块化仪器插槽。控制器与模块化仪器都设计为相同的3U尺寸（3.94 inch×6.3 inch，100 mm×160 mm），并嵌入在机箱中。VIIS?EM系统仪器间通信采用的是自定义的类VXI总线方式，机箱内备板集成有直流稳压电源，提供±12 V，±5 V直流电压。 目前吉林大学研发的VIIS?EM平台现已研发成功，并且科技转化投入部分高校实验教学的模块化仪器有：频率特性测试仪、数字存储示波器、逻辑分析仪、信号发生器、数字集成电路测试仪、LCR测试仪、频率计数器、程控电源。本次设计虚拟万用表的加入更加完善了这套虚拟电子测试平台。 依据虚拟电子测试平台整体结构模型和总线通信协议，虚拟万用表系统总体结构如图2所示，主要由转换模块、测量模块、主控模块三部分组成，转换模块实现了对输入信号的衰减和测量功能的切换；测量模块包括电压、电流等测量模式电路，采用单片智能DMM专用芯片MAX134实现对输入信号的测量；主控模块由FPGA和MCU组成，实现系统控制和总线接口通信。为了方便数字万用表硬件设备板卡集成到VIIS?EM系统之前的设备调试，设计了串口通信模块。 2 系统的硬件设计 2.1 测量模块设计 测量电路是虚拟数字万用表硬件部分的核心，选用单片智能数字万用表专用芯片MAX134来进行设计。由于MAX134集成度高、外围元件少、线路简单，大大地节省了开发周期。MAX134最大计数值通常取N=±39 999；测量单极性信号时还可将N提高到79 999；若将备用位专供自动校零用，则N=±3 999。这比普遍3位半A/D转换器计数值提高了20倍。MAX134的测量电路包括电压模式、电阻模式、电流模式和二极管模式。 MAX134构成的电压模式电路只有400 mV量程可以直接输入，4～4 000 V量程需经过分压网络输入，具体电路如图3所示，其中R2～R5（设计采用0.2%，[14] W的精密电阻）为分压网络，C4～C7用于频率补偿，同时R1～R5与C4～C7构成RC型宽频带不失真衰减器。MAX134工作时如果给Vref引脚（26脚）输入655 mV的基准电压可以抑制50 Hz工频干扰，设计时655 mV的基准电压是通过电位器分压得到的。MAX134的内部积分器需要外接积分元件，为图3中的R7，R8，C5，内部滤波放大电路的外围滤波元件为R9，R10，C6，C7。 MAX134构成电流测量模式电路如图4所示，4 A量程时，分流电阻R28为1.0 Ω（10 W）；400 mA量程时，分流电阻R28为1.0 Ω（1 W）。同时输入端还增加了D5，D6作为过压保护，0.5 A的保险丝作为过流保护（对于4 A档，FU取5 A）。 MAX134构成的电阻测量电路如图5所示，采用比例法测量电阻，图5中R1～R6为标准电阻，2 kΩ正温度系数热敏电阻PTC和作二极管接法的VT1，VT2都是保护元件，稳压管ICL8069提供了电阻测试时的参考电压1.2 V。需要指出的是电路通断功能的测试，实质上就是通过测试测量点间的电阻R来判断的。设计时MCU读取MAX134的测试结果，当测试点间电阻小于50 Ω，则认为两点间短路，MCU控制蜂鸣器发出声音。 2.2 转换模块设计 转换模块包括AC/DC转换电路和功能转换电路。由于MAX134内部没有集成AC/DC转换电路，在测量交流量时需外接AC/DC转换电路，电路如图6所示，工作方式是按平均值响应。电路采用双JFET输入运算放大器TL062，C28，C29为隔直电容；U5A与[R16 ，R17]构成同相比例放大电路，D4，D5双向限幅二极管，起到保护输入端的作用； U5B与D7构成半波整流，D6起到整流保护作用；RPX为电路校正电位器；C32，C33，R24，R25组成两级RC滤波器，AC/DC的输入接MAX134_28引脚，输出接MAX134_29引脚。 MAX134的电压测量和电阻测量使用的引脚是相同的，这就需要进行功能间切换。功能转换电路主要由继电器、精密电阻等组成，电路如图7所示。当控制信号RELAY_A3为高电平时，继电器的3引脚与4引脚内部触点相连，6引脚和5引脚内部触点相连， 配合MAX134内部的模拟开关（通过向MAX134写入控制字来实现对其控制），就会使R1～R6构成电阻和电路通断的测试功能所需的参考电阻网络，即实现电阻和电路通断的测试功能。当控制信号RELAY_A3为低电平时，继电器的2引脚与3引脚内部触点相连，引脚6和引脚7连通， 同时设置MAX134，使其内部的模拟开关配合，可使R1～R6构成分压电阻衰减网络，实现电压和二极管测试功能。 2.3 主控模块设计 主控模块由两个控制单元组成，AT89C52单片机与MAX134相连，主要负责完成功能及量程的设定，具体硬件连接图如图8所示。 MAX134经过4位双向数据线（MAX134_D3～MAX134_D0）、3条地址线（MAX134_A2～MAX134_A0）、两个读/写控制信号线（DMM_RD，DMM_RD）及转换结束信号线（EOC）与MCU控制模块相连。地址线MAX134_A2～MAX134_A0用以选择其内部寄存器，在写入模式下，数据从总线上写入所选定的寄存器中，完成功能及量程设定。MAX134底层的接口电路是在FPGA中实现的，其控制字写入接口电路如图9所示，转换结果读取电路如图10所示。首先设置MAX134_A2～MAX134_A0 三位地址总线， 也就是选择好相应寄存器，设置DMM_RD，DMM_RD控制信号，以确保读写操作正确。然后根据实际需求，通过向MAX134写入控制字或者从MAX134中读取转换结果。 由于MAX134的4位数据线是双向的，可以用作控制码写入数据线，同时也可用作转换结果读取数据线，为了使控制字写入过程和转换结果读取过程不冲突，所以写入、读取电路用了“锁存器+缓冲器”结构。 3 系统软件设计 虚拟数字万用表硬件板卡微控制器选用的是AT89S52，主要用于完成上位机的控制命令解释，以及实现数字万用表板卡中具体命令函数，其程序的编写采用C语言来实现。微控制器主程序流程图如图11所示，首先调用设备初始化开始子函数，对系统进行初始化，完成数字万用表模块的设备、功能等项目的设置。 仪器面板控制软件采用LabVIEW开发，主要是完成显示、处理、存储等功能，虚拟万用表的程序框图如图12所示，工作界面如图13所示。基于VIIS?EM平台研制虚拟万用表，与传统万用表相比，功能更加强大，更加智能化。可以用图表、指针、数字等多种形式显示测量结果，可以说是将模拟万用表和数字万用表相结合。 4 测试结果 现对基于VIIS?EM平台的虚拟万用表进行功能测试，记录数据如表1所示。 表1 数字万用表部分功能测试数据记录 在测试时，直流电压测试使用的是DF1731SL3A（三位有效数字，±20 V）直流电压源；交流电压测试使用的是DM32030（8位有效数字，1 mV～10 V）函数发生器；电阻测试时选用的电阻误差为0.2%（[14] W）；电流测量时将电阻连接电压源输出，用Tektronix TDS2012B示波器（100 MHz，1 GS/s）测量其电流值，标定本系统。测试结果显示设计的虚拟万用表是满足设计要求的。 5 结 语 从丰富完善VIIS?EM平台出发，以设计现代智能化数字万用表为目的，依照VIIS?EM平台的机械规范与总线协议，现设计出一款基于VIIS?EM平台的虚拟万用表。通过反复的实验测试，表明其功能与精度是满足设计要求的。设计采用虚拟仪器技术，结合了计算机强大的信息处理能力，将一部分硬件电路难以达到的功能交予软件来实现，使设计的投资更小，更新速度加快。所设计的虚拟万用表具有传统数字万用表的基本测量功能的同时且更加的智能化，还具有数据分析、存储、网络通信等功能。采用虚拟仪器技术使得虚拟万用表具有庞大的显示功能，使仪器的可扩展性强，可以在通用性的基础上进行功能提升和扩充，具有丰富的可重构前景。 参考文献 [1] 秦辉，韩冰，马术才，等.智能数字万用表研制[J].实验技术与管理，2010，27（7）：64?67. [2] 刘洋，王厚军，戴志坚.PXI高精度数字万用表的设计与实现[J].电子测量技术，2011，34（10）：69?71. [3] 路亚峰，陈义军，温新岐，等.虚拟仪器技术研究现状与展望[J].国外电子测量技术，2010，29（11）：35?37. [4] 伍星华，王旭.国内虚拟仪器技术的应用研究现状与展望[J].现代科学仪器，2011（4）：112?116. [5] 赵吉祥，张秉仁，尹超平.基于VIIS?EM的虚拟示波器设计[J].实验室研究与探索，2013，32（10）：76?79. [6] 尹超平，张秉仁，赵吉祥.基于VIIS?EM平台的虚拟数字集成电路测试仪的设计[J].电子技术应用，2013，39（5）：89?92. |
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