基于虚拟仪器的多通道DC传感器校验平台设计
谢志远+韩思思+胡正伟+张晓+胡乐峰
摘 要： 为了提高DC传感器的校验效率，提出一种基于虚拟仪器的多通道DC传感器校验平台设计方案，并搭建了具体的校验平台。该校验平台由虚拟仪器控制及处理模块、多通道数据采集模块和RS 485总线通信模块三部分组成，具有多通道校验、数据处理和分析功能强大等特点。结合DC传感器的校验需求，进行了DC传感器的校验实验。实验结果表明，所设计的校验平台能准确有效地实现多路DC传感器的校验，提高了传感器校验的效率和自动化水平。
关键词： 多通道DC传感器； 校验平台； 虚拟仪器； 多通道数据采集模块
中图分类号： TN722.7+3?34； TN98； TM45 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0144?05
Abstract： In order to improve the verification efficiency of DC sensor， a design scheme of multi?channel DC sensor calibration platform based on virtual instrument is presented， and a physical calibration platform was built. The calibration platform is composed of virtual instrument control and processing module， multi?channel data acquisition module and RS 485 bus communication module. It has characteristics of multi?channel calibration， powerful data processing and analysis. According to the calibration requirement of DC sensor， the calibration experiments of DC sensor were carried out. The experimental results show that the calibration platform can calibrate multi?channel DC sensor accurately and effectively， and improve efficiency and automation level of sensor calibration.
Keywords： multi?channel DC sensor； calibration platform； virtual instrument； multi?channel data acquisition module
0 引 言
直流电流（Direct Current，DC）传感器不仅用来测量直流电流，而且是直流供电系统中重要的漏电保护设备之一。随着直流输电、供电的发展和应用的日渐广泛，大量的直流设备与工具投入使用，DC传感器作为直流电流测量和漏电保护所必须的关键器件，目前市场需求量在逐年提高。为了保证直流电流的准确测量和保护功能的正常运行，DC传感器的精确校准是一个重要环节。在保证准确度同时，为了提高校验效率，本文给出了一种基于虚拟仪器的多通道DC传感器校验平台的设计方案。为了验证方案的可行性，设计并实现了15路DC传感器校验的校验平台。
本文给出的校验平台设计方案的优点有，基于虚拟仪器的多通道DC传感器的校验平台，摆脱了传统仪器的开发成本高和过程复杂的缺点；可以快速完成对多通道DC传感器的数据采集、分析处理，具有较高的校验效率。
1 多通道DC传感器校验平台设计方案
图1为本文给出的多通道DC传感器校验平台设计方案的结构框图。从图1可以看出，本校验平台主要由3部分构成：虚拟仪器控制及处理模块；多路数据采集模块；与传感器进行通信的RS 485总线通信模块。
校验平台的基本工作原理为：每只DC传感器的电压输出端口与数据采集模块的其中一个通道连接，作为该通道的模拟输入信号；数据采集模块并行实现对每个通道的实时采样，并转换为输入信号的数字输出量。其中一个通道作为参考通道，对基准电压进行采样。虚拟仪器控制及处理模块可以计算每一个通道采集数据与基准信号的差值，并进行校准系数的相关计算，通过RS 485总线通信模块将校准系数发送给指定的传感器，从而实现校准。
2 15路DC传感器校验平台的设计
为了验证多路DC传感器校验平台方案的可行性，本文成功搭建了15路DC传感器校验平台。本节按平台的3个组成部分，分别介绍每个组成部分的具体实现。
2.1 虚拟仪器控制及处理模块
本校验平台基于LabVIEW 2011实现虚拟仪器控制及处理模块的开发。LabVIEW是一种图形化的编程软件，它被工业界、学术界和实验室研究广泛接受，被看作标准的数据采集和仪器控制软件。使用这种图形化的程序语言编程时，主要借助于流程图或者框图来完成仪器的各种功能，基本上不需要写程序代码，很大程度上避免了程序代码的编写和硬件电路的設计，缩短了开发周期[1?2]。LabVIEW程序设计包括前面板设计和程序框图设计。
2.1.1 虚拟仪器前面板设计
LabVIEW前面板是用户操作界面，通常使用输入控件和显示控件来创建前面板。输入控件和输出控件分别用来模拟仪器的输入/输出装置，前者为LabVIEW的程序框图提供数据，后者用来显示程序框图获取或生成的数据[3]。
虚拟仪器功能框图如图2所示，主要包括数据采集、数据显示、数据处理、分析、报警提示、串口发送校验命令模块。
采集数据读取模块用于读取数据采集模块的采集电压值，数据显示用于实时显示采集到的电压数据，数据处理模块包括数据实时存储与回放，分析模块包括采集电压值的误差分析，以便向传感器发送更加精确的校验命令。当传感器电压值与基准电压的差值大于预设值时，报警提示模块启动，报警灯变亮，提示该路传感器需要校验。串口发送校验命令模块的主要功能是向被校验传感器发送校验命令及校验数据。
根据该虚拟仪器功能框图，设计出的主界面（前面板）如图3所示。主界面包括输入通道参数配置、串口通信调试、实时数据显示、各通道是否校验、运行控制按钮5部分。
2.1.2 虚拟仪器程序框图
程序框图是图形化源代码的集合，它决定了VI的运行方式。前面板上的输入控件和显示控件在框图中都有对象端点与之一一对应。连线将输入控件和显示控件的接线端与各VI和函数相互连接，是端口间的数据通道。
虚拟程序框图主要包括采集数据读取与显示模块、数据存储与回放模块、数据分析模块、通信模块等。采集数据读取与显示模块如图4所示，数据存储与回放模块如图5所示。
2.2 多通道数据采集模块
数据采集模块选购凌华科技USB接口多功能数据采集模块USB?1901。该采集模块在LabVIEW平台下能直接被驱动，它具有16个通道，每个通道具有16位分辨率，模拟输入采样率最高达到250 KS/s，且模拟输出的更新频率[4]达1 MS/s，完全满足本校验平台的需要。在本校验平台中，通道0连接标准电压源信号，通道1～15分别连接15路被校验DC传感器的电压信号。数据采集模块的具体参数如表1所示。
2.3 RS 485总线通信模块
RS 485总线适用于主从式多机通信场合，它采用两根通信线，通常用A和B来表示，采用差分信号输入，可以抑制共模干扰，提高了通信的可靠性，因此本校验平台选用RS 485通信方式[5]。
为了完成校验命令和校验数据的通信，需要一定的通信协议的支持。鉴于Modbus通信协议支持RS 485接口，且是一种符合国家标准GB/T 19582?2008的通信协议，因此本平台选用Modbus通信协议。Modbus通信协议支持主从式结构，允许一台主设备与多台从设备进行通信，仅主设备能向从设备发送通信指令，从设备根据主设备的通信指令作出相应响应[6]。本校验平台中，主设备是计算机，从设备是多路DC传感器。
校验命令使用Modbus通信协议中的RTU传输模式进行发送，在RTU消息帧中每个8 B包含2个4 B的十六进制字符[7]。这种方式的优点主要是在同一波特率下，传输同样的信息需要的位数少。RTU模式下的Modbus传输格式如表2所示。
表2中，设备地址是与主设备通信某台从设备的惟一识别码。功能代码用于识别通信帧的功能。如果第一个DC传感器终端的设备地址是01，根据Modbus协议标准，发送命令的功能代码是06，将校验系数K打包为Modbus协议要求的字符串形式。发送指令的最后2 B是CRC校验码，用于实现主从设备Modbus协议传输的差错控制。
3 校验平台验证
3.1 DC传感器的校验需求
如图6所示，DC传感器由AVR单片机及其外围电路组成，ATmeg16单片机是DC传感器的主控芯片，负责完成DC采样、计算和通信等功能。TLC5615是一个串行10位的D/A转换芯片，与MCU之间通过SPI总线连接。为了能够表示反向电流，采用集成运放LF353构成运算电路实现负电压输出。
DACTLC5615的作用是将当前测得的数字量的DC值转换为模拟电压值。若N为待转换的数字量，VREFIN为基准输入电压，则转换后的输出电压可由式（1）表示。
输出电压VOUT通过运算电路可得输出电压Vo，Vo可由式（2）表示。Vo的大小可反映DC传感器所测得的当前电流的大小，Vo也是数据采集模块采集到的电压值。
式中，Vref为参考电压，可根据具体的校验需求进行设置。
该DC传感器的校准需求为量程校准，具体要求为DC=20 mA时，Vo=5 V；DC=-20 mA时，Vo=-5 V。DC传感器的线性度由传感器本身负责。
由于器件存在分散特性，不同DC传感器的输出电压值Vo之间存在偏差，因此不能将相关系数固化到程序中，因此需要校验平台对单只傳感器进行分别校准。
3.2 校验平台的校验流程
校验流程图如图7所示。此校验流程图是一路DC传感器的校验流程，其他DC传感器通过相同的流程完成校验。首先将采集到的DC传感器电压值与基准电压比较。当各通道时，整个过程结束。反之，当不符合条件时，选择启动校验。校验时，LabVIEW通过Matlab Script节点调用该路DC传感器电压值、基准电压由式（1）、式（2）分别转换为N′，N的Matlab程序，从而得出校验系数K的值。
3.3 校验平台的运行
运行本校验平台，虚拟仪器前面板如图8所示。在LabVIEW主界面的输入通道参数设置中，采集通道选择的是0～15通道。波形图表中显示各通道的电压值和电压差值。各通道是否校验模块中5号传感器的报警提示灯变亮，表明此传感器需要校验，在串口通信调试模块的校验传感器控件中选5，点击发送按钮，校验系数通过串口向5号传感器发送。再次采集DC传感器电压值，报警提示灯不再亮，完成校验。
4 数据分析
为了检验所设计的校验平台是否满足校验需求，对校验之后的DC传感器进行测量比对，分别测量了DC等于0 mA，2 mA，5 mA，10 mA，20 mA的情况，各电流对应的理论电压值如表4所示。
实验结果如图9～图13所示。横坐标是15路DC传感器ID，纵坐标是测量输出电压与理论输出电压误差值。
从实验结果来看，经过本校验平台的校验之后，DC传感器输出电压的绝对误差小于0.025 V，在漏电保护领域的实际应用中可满足要求[8]。因此，用此校验系统对DC传感器开展校验工作是可行的。
5 结 语
本文采用虚拟仪器技术在计算机上实现DC传感器校验平台设计，它主要有以下特点：在结构上，“虚拟仪器校验平台”是在PC机上实现的仪器，校验平台的各种功能主要通过安装在计算机上的LabVIEW编程环境来快速实现[9]；在功能上，此校验平台同时校验多路DC传感器，不仅可以采集数据，分析数据，发送指令，而且还能实时数据显示、自动存储等；在操作上，LabVIEW使校验平台的操作得到极大的简化，所有的操作都在前面板进行。此校验平台的成功设计为DC传感器的校验提供了可靠、方便的工具。其明显优势是校验快捷方便，易于操作，适用于实验室和现场校验的应用场合。
参考文献
[1] 程蕾.基于虚拟仪器的高压电流传感器在线校验系统[D].武汉：华中科技大学，2009.
[2] 张陈荣.基于LabVIEW的虚拟实验仪器的研究与开发[D].合肥：合肥工业大学，2007.
[3] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2001.
[4] 佚名.凌华科技发布便携式USB接口数据采集模块[J].自动化应用，2011（11）：38.
[5] 凌国平，周新建.如何提高测控系统中RS485通信的可靠性[J].仪器仪表学报，2005（z1）：470?471.
[6] 谢启，顾启民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus RTU通信协议的实现[J].煤矿机械，2006，27（12）：95?97.
[7] 张旭.带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.
[8] 中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 11205—2011直流漏电流传感器[S].北京：机械工业出版社，2011.
[9] 宁伟红.基于虚拟仪器的电子式互感器校验系统的设计与实现[D].北京：华北电力大学，2009.
摘 要： 为了提高DC传感器的校验效率，提出一种基于虚拟仪器的多通道DC传感器校验平台设计方案，并搭建了具体的校验平台。该校验平台由虚拟仪器控制及处理模块、多通道数据采集模块和RS 485总线通信模块三部分组成，具有多通道校验、数据处理和分析功能强大等特点。结合DC传感器的校验需求，进行了DC传感器的校验实验。实验结果表明，所设计的校验平台能准确有效地实现多路DC传感器的校验，提高了传感器校验的效率和自动化水平。
关键词： 多通道DC传感器； 校验平台； 虚拟仪器； 多通道数据采集模块
中图分类号： TN722.7+3?34； TN98； TM45 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0144?05
Abstract： In order to improve the verification efficiency of DC sensor， a design scheme of multi?channel DC sensor calibration platform based on virtual instrument is presented， and a physical calibration platform was built. The calibration platform is composed of virtual instrument control and processing module， multi?channel data acquisition module and RS 485 bus communication module. It has characteristics of multi?channel calibration， powerful data processing and analysis. According to the calibration requirement of DC sensor， the calibration experiments of DC sensor were carried out. The experimental results show that the calibration platform can calibrate multi?channel DC sensor accurately and effectively， and improve efficiency and automation level of sensor calibration.
Keywords： multi?channel DC sensor； calibration platform； virtual instrument； multi?channel data acquisition module
0 引 言
直流电流（Direct Current，DC）传感器不仅用来测量直流电流，而且是直流供电系统中重要的漏电保护设备之一。随着直流输电、供电的发展和应用的日渐广泛，大量的直流设备与工具投入使用，DC传感器作为直流电流测量和漏电保护所必须的关键器件，目前市场需求量在逐年提高。为了保证直流电流的准确测量和保护功能的正常运行，DC传感器的精确校准是一个重要环节。在保证准确度同时，为了提高校验效率，本文给出了一种基于虚拟仪器的多通道DC传感器校验平台的设计方案。为了验证方案的可行性，设计并实现了15路DC传感器校验的校验平台。
本文给出的校验平台设计方案的优点有，基于虚拟仪器的多通道DC传感器的校验平台，摆脱了传统仪器的开发成本高和过程复杂的缺点；可以快速完成对多通道DC传感器的数据采集、分析处理，具有较高的校验效率。
1 多通道DC传感器校验平台设计方案
图1为本文给出的多通道DC传感器校验平台设计方案的结构框图。从图1可以看出，本校验平台主要由3部分构成：虚拟仪器控制及处理模块；多路数据采集模块；与传感器进行通信的RS 485总线通信模块。
校验平台的基本工作原理为：每只DC传感器的电压输出端口与数据采集模块的其中一个通道连接，作为该通道的模拟输入信号；数据采集模块并行实现对每个通道的实时采样，并转换为输入信号的数字输出量。其中一个通道作为参考通道，对基准电压进行采样。虚拟仪器控制及处理模块可以计算每一个通道采集数据与基准信号的差值，并进行校准系数的相关计算，通过RS 485总线通信模块将校准系数发送给指定的传感器，从而实现校准。
2 15路DC传感器校验平台的设计
为了验证多路DC传感器校验平台方案的可行性，本文成功搭建了15路DC传感器校验平台。本节按平台的3个组成部分，分别介绍每个组成部分的具体实现。
2.1 虚拟仪器控制及处理模块
本校验平台基于LabVIEW 2011实现虚拟仪器控制及处理模块的开发。LabVIEW是一种图形化的编程软件，它被工业界、学术界和实验室研究广泛接受，被看作标准的数据采集和仪器控制软件。使用这种图形化的程序语言编程时，主要借助于流程图或者框图来完成仪器的各种功能，基本上不需要写程序代码，很大程度上避免了程序代码的编写和硬件电路的設计，缩短了开发周期[1?2]。LabVIEW程序设计包括前面板设计和程序框图设计。
2.1.1 虚拟仪器前面板设计
LabVIEW前面板是用户操作界面，通常使用输入控件和显示控件来创建前面板。输入控件和输出控件分别用来模拟仪器的输入/输出装置，前者为LabVIEW的程序框图提供数据，后者用来显示程序框图获取或生成的数据[3]。
虚拟仪器功能框图如图2所示，主要包括数据采集、数据显示、数据处理、分析、报警提示、串口发送校验命令模块。
采集数据读取模块用于读取数据采集模块的采集电压值，数据显示用于实时显示采集到的电压数据，数据处理模块包括数据实时存储与回放，分析模块包括采集电压值的误差分析，以便向传感器发送更加精确的校验命令。当传感器电压值与基准电压的差值大于预设值时，报警提示模块启动，报警灯变亮，提示该路传感器需要校验。串口发送校验命令模块的主要功能是向被校验传感器发送校验命令及校验数据。
根据该虚拟仪器功能框图，设计出的主界面（前面板）如图3所示。主界面包括输入通道参数配置、串口通信调试、实时数据显示、各通道是否校验、运行控制按钮5部分。
2.1.2 虚拟仪器程序框图
程序框图是图形化源代码的集合，它决定了VI的运行方式。前面板上的输入控件和显示控件在框图中都有对象端点与之一一对应。连线将输入控件和显示控件的接线端与各VI和函数相互连接，是端口间的数据通道。
虚拟程序框图主要包括采集数据读取与显示模块、数据存储与回放模块、数据分析模块、通信模块等。采集数据读取与显示模块如图4所示，数据存储与回放模块如图5所示。
2.2 多通道数据采集模块
数据采集模块选购凌华科技USB接口多功能数据采集模块USB?1901。该采集模块在LabVIEW平台下能直接被驱动，它具有16个通道，每个通道具有16位分辨率，模拟输入采样率最高达到250 KS/s，且模拟输出的更新频率[4]达1 MS/s，完全满足本校验平台的需要。在本校验平台中，通道0连接标准电压源信号，通道1～15分别连接15路被校验DC传感器的电压信号。数据采集模块的具体参数如表1所示。
2.3 RS 485总线通信模块
RS 485总线适用于主从式多机通信场合，它采用两根通信线，通常用A和B来表示，采用差分信号输入，可以抑制共模干扰，提高了通信的可靠性，因此本校验平台选用RS 485通信方式[5]。
为了完成校验命令和校验数据的通信，需要一定的通信协议的支持。鉴于Modbus通信协议支持RS 485接口，且是一种符合国家标准GB/T 19582?2008的通信协议，因此本平台选用Modbus通信协议。Modbus通信协议支持主从式结构，允许一台主设备与多台从设备进行通信，仅主设备能向从设备发送通信指令，从设备根据主设备的通信指令作出相应响应[6]。本校验平台中，主设备是计算机，从设备是多路DC传感器。
校验命令使用Modbus通信协议中的RTU传输模式进行发送，在RTU消息帧中每个8 B包含2个4 B的十六进制字符[7]。这种方式的优点主要是在同一波特率下，传输同样的信息需要的位数少。RTU模式下的Modbus传输格式如表2所示。
表2中，设备地址是与主设备通信某台从设备的惟一识别码。功能代码用于识别通信帧的功能。如果第一个DC传感器终端的设备地址是01，根据Modbus协议标准，发送命令的功能代码是06，将校验系数K打包为Modbus协议要求的字符串形式。发送指令的最后2 B是CRC校验码，用于实现主从设备Modbus协议传输的差错控制。
3 校验平台验证
3.1 DC传感器的校验需求
如图6所示，DC传感器由AVR单片机及其外围电路组成，ATmeg16单片机是DC传感器的主控芯片，负责完成DC采样、计算和通信等功能。TLC5615是一个串行10位的D/A转换芯片，与MCU之间通过SPI总线连接。为了能够表示反向电流，采用集成运放LF353构成运算电路实现负电压输出。
DACTLC5615的作用是将当前测得的数字量的DC值转换为模拟电压值。若N为待转换的数字量，VREFIN为基准输入电压，则转换后的输出电压可由式（1）表示。
输出电压VOUT通过运算电路可得输出电压Vo，Vo可由式（2）表示。Vo的大小可反映DC传感器所测得的当前电流的大小，Vo也是数据采集模块采集到的电压值。
式中，Vref为参考电压，可根据具体的校验需求进行设置。
该DC传感器的校准需求为量程校准，具体要求为DC=20 mA时，Vo=5 V；DC=-20 mA时，Vo=-5 V。DC传感器的线性度由传感器本身负责。
由于器件存在分散特性，不同DC传感器的输出电压值Vo之间存在偏差，因此不能将相关系数固化到程序中，因此需要校验平台对单只傳感器进行分别校准。
3.2 校验平台的校验流程
校验流程图如图7所示。此校验流程图是一路DC传感器的校验流程，其他DC传感器通过相同的流程完成校验。首先将采集到的DC传感器电压值与基准电压比较。当各通道时，整个过程结束。反之，当不符合条件时，选择启动校验。校验时，LabVIEW通过Matlab Script节点调用该路DC传感器电压值、基准电压由式（1）、式（2）分别转换为N′，N的Matlab程序，从而得出校验系数K的值。
3.3 校验平台的运行
运行本校验平台，虚拟仪器前面板如图8所示。在LabVIEW主界面的输入通道参数设置中，采集通道选择的是0～15通道。波形图表中显示各通道的电压值和电压差值。各通道是否校验模块中5号传感器的报警提示灯变亮，表明此传感器需要校验，在串口通信调试模块的校验传感器控件中选5，点击发送按钮，校验系数通过串口向5号传感器发送。再次采集DC传感器电压值，报警提示灯不再亮，完成校验。
4 数据分析
为了检验所设计的校验平台是否满足校验需求，对校验之后的DC传感器进行测量比对，分别测量了DC等于0 mA，2 mA，5 mA，10 mA，20 mA的情况，各电流对应的理论电压值如表4所示。
实验结果如图9～图13所示。横坐标是15路DC传感器ID，纵坐标是测量输出电压与理论输出电压误差值。
从实验结果来看，经过本校验平台的校验之后，DC传感器输出电压的绝对误差小于0.025 V，在漏电保护领域的实际应用中可满足要求[8]。因此，用此校验系统对DC传感器开展校验工作是可行的。
5 结 语
本文采用虚拟仪器技术在计算机上实现DC传感器校验平台设计，它主要有以下特点：在结构上，“虚拟仪器校验平台”是在PC机上实现的仪器，校验平台的各种功能主要通过安装在计算机上的LabVIEW编程环境来快速实现[9]；在功能上，此校验平台同时校验多路DC传感器，不仅可以采集数据，分析数据，发送指令，而且还能实时数据显示、自动存储等；在操作上，LabVIEW使校验平台的操作得到极大的简化，所有的操作都在前面板进行。此校验平台的成功设计为DC传感器的校验提供了可靠、方便的工具。其明显优势是校验快捷方便，易于操作，适用于实验室和现场校验的应用场合。
参考文献
[1] 程蕾.基于虚拟仪器的高压电流传感器在线校验系统[D].武汉：华中科技大学，2009.
[2] 张陈荣.基于LabVIEW的虚拟实验仪器的研究与开发[D].合肥：合肥工业大学，2007.
[3] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2001.
[4] 佚名.凌华科技发布便携式USB接口数据采集模块[J].自动化应用，2011（11）：38.
[5] 凌国平，周新建.如何提高测控系统中RS485通信的可靠性[J].仪器仪表学报，2005（z1）：470?471.
[6] 谢启，顾启民，涂水林，等.基于LabVIEW的Modbus RTU通信协议的实现[J].煤矿机械，2006，27（12）：95?97.
[7] 张旭.带多接口的多通道数据采集记录仪研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.
[8] 中华人民共和国工业和信息化部.JB/T 11205—2011直流漏电流传感器[S].北京：机械工业出版社，2011.
[9] 宁伟红.基于虚拟仪器的电子式互感器校验系统的设计与实现[D].北京：华北电力大学，2009.
