摘 要：本文以HP34401A高精度數(shù)字萬用表為控制對(duì)象，基于虛擬儀器的原理設(shè)計(jì)了高精度數(shù)字萬用表四路切換記錄系統(tǒng)，使一臺(tái)數(shù)字萬用表能夠同時(shí)進(jìn)行最多4個(gè)通道的信號(hào)測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)界面友好，系統(tǒng)容易操作,具有較高的實(shí)用價(jià)值，并且已經(jīng)在實(shí)際中得到了很好的應(yīng)用。

關(guān)鍵字：虛擬儀器;LabVIEW;數(shù)字萬用表;多通道測(cè)試

A Four-channel Switching System of Digital Multimeter Based on Virtual Instrument XIE Jie, YANG Bo, HE Qiang

Abstract: This paper describes a four-channel switching system, which can perform four channels or less measurement at the same time by one digital multimeter. The four-channel switching system, used in HP34401A high-performance digital multimeter, is designed based on virtual instrument. The interface is friendly and it is easy to operate. The switching system can meet practice needs and perform well.

Key words: virtual instrument; LabVIEW; digital multimeter; multi-channel testing

1. 引言

高精度萬用表是現(xiàn)在測(cè)試中常用的測(cè)試工具，它一般只有一路測(cè)試通道。而在現(xiàn)代測(cè)試中，由于測(cè)試目的的要求，經(jīng)常需要同時(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。這時(shí)如果同時(shí)使用幾臺(tái)測(cè)試儀器，不但加大了成本，而且也難以協(xié)調(diào)工作。如果能夠設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)，使一臺(tái)數(shù)字萬用表能夠分時(shí)對(duì)幾路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，就能夠大大地方便測(cè)試人員的工作，并節(jié)約測(cè)試成本。根據(jù)這個(gè)原理，作者以HP34401A高精度數(shù)字萬用表為例，基于虛擬儀器的原理設(shè)計(jì)了高精度數(shù)字萬用表四路切換記錄系統(tǒng)，使一臺(tái)HP34401A能夠同時(shí)進(jìn)行最多四路信號(hào)測(cè)量，而且利用LabVIEW編寫了進(jìn)行測(cè)控和測(cè)量的軟面板VI，它不但能夠進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)控制，還具有數(shù)據(jù)記錄和圖形顯示等功能，豐富了測(cè)試內(nèi)容，使測(cè)試結(jié)果更具有直觀性;而且儀器的軟面板化使系統(tǒng)具有更大的靈活性，更便于更改和升級(jí)。

2. 總體方案

系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。

硬件部分的組成如圖1所示，它由帶串口的計(jì)算機(jī)、四通道切換電路、高精度數(shù)字萬用表和電源構(gòu)成。計(jì)算機(jī)與四通道切換電路通過USB或RS-232進(jìn)行通信;HP34401A與計(jì)算機(jī)之間通過RS-232進(jìn)行通信。

圖1 硬件組成

整個(gè)測(cè)試的過程為：被測(cè)量的四路模擬信號(hào)首先進(jìn)入四通道切換電路;四通道模擬電路在計(jì)算機(jī)的控制下根據(jù)軟件的設(shè)定對(duì)四路信號(hào)進(jìn)行分時(shí)切換，使每一時(shí)刻只有一路模擬信號(hào)能夠傳遞給HP34401A;HP34401A把接到信號(hào)的根據(jù)軟件的設(shè)定進(jìn)行測(cè)量，然后把AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息通過RS-232接口傳送給計(jì)算機(jī)。

軟件部分作為系統(tǒng)的核心，運(yùn)用圖形語言LabVIEW編寫。LabVIEW帶有豐富的擴(kuò)展庫函數(shù)，包括了數(shù)據(jù)采集、通信接口總線和串口儀器控制、數(shù)據(jù)顯示、分析、存儲(chǔ)等，并能夠支持平臺(tái)工作，具有良好的可視性和操作性界面，能夠很好的完成對(duì)電路和數(shù)字萬用表的控制、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)記錄和控制等功能。

3. HP 34401A

要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字萬用表的控制，萬用表必須帶有通信端口，具有可編程性，根據(jù)萬用表的性能和要求編寫程序，在軟面板中實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬用表的各種參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字萬用表的遠(yuǎn)程控制。高精度數(shù)字萬用表一般都能夠滿足這樣的要求。這里介紹一下HP 34401A的性能。

HP 34401A是一種六位半的高精度數(shù)字萬用表，它以下的系統(tǒng)特性使它能夠滿足于各種測(cè)試需用：

• 具有HP-IB （IEEE-488） 和 RS-232遠(yuǎn)程接口;

• 最高讀取速率能夠達(dá)到1000次/秒;

• 適用于三種標(biāo)準(zhǔn)可編程語言：SCPI 、HP 3478A 和Fluke 8840;

• 具有512個(gè)讀取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力;

從以上的性能可以看出，HP34401的靈活的系統(tǒng)特性使它具有遠(yuǎn)程端口和可編程功能，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且具有較高的讀取速度，能夠滿足測(cè)試的要求。

表1描述了編程語言和遠(yuǎn)程接口的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)它能夠選擇相應(yīng)的編程語言和接口形式。

Table 1. 語言和接口關(guān)系表

這里因?yàn)殡娐肥褂玫氖荝S-232接口，而HP 3478A 和Fluke 8840A/8842A兩種語言不支持RS-232接口，所以選擇了SCPI作為數(shù)字萬用表的編程語言。

4. 四通道切換電路

四通道切換電路用于進(jìn)行模擬信號(hào)的切換。它是硬件中唯一需要設(shè)計(jì)、制作的部分，它的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 四通道切換電路的組成

測(cè)試信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨后由在SCM控制下的多路復(fù)用器進(jìn)行分時(shí)切換，使某一時(shí)刻只有一路信號(hào)能通過與數(shù)字萬用表的接口傳遞給數(shù)字萬用表。

電路的控制部分為單片機(jī)，它通過通信端口也計(jì)算機(jī)相連。因?yàn)橛行┯?jì)算機(jī)只有一個(gè)串行端口，所以設(shè)計(jì)了RS-232和USB兩種與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的端口電路。單片機(jī)能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)控制多路復(fù)用器，實(shí)現(xiàn)通道選擇和對(duì)切換時(shí)間的控制。這里選用Cygnal公司的C8051F310單片機(jī)。多路復(fù)用器使用的是MAXIM公司的DG408，它為8通道的CMOS模擬多路復(fù)用器，具有切換時(shí)間短，信號(hào)損失少的特點(diǎn)。這里只使用了其中的四個(gè)通道，如果實(shí)際情況需要，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷木涂梢园褟?fù)用通道增加為8個(gè)。由于測(cè)試信號(hào)的輸出阻抗是不確定的，多路復(fù)用器又有一定的阻抗，為了防止信號(hào)衰減，輸入的被檢測(cè)信號(hào)必須經(jīng)過電壓跟隨后再輸入多路復(fù)用器。

5. 軟件

軟件部分是這套系統(tǒng)的核心，用來完成對(duì)四通道切換電路和HP 34401A的控制和數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)等功能。它采用可視化語言LABVIEW進(jìn)行編程，利用其強(qiáng)大的軟件功能和機(jī)構(gòu)化語言編程風(fēng)格，使得軟件的變得簡(jiǎn)潔明了。

軟件包括參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集兩模塊。

5.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置包括初始化HP34401A、測(cè)試設(shè)置和系統(tǒng)設(shè)置三個(gè)部分。

5.1.1 初始化HP34401A

僅需要7個(gè)步驟就能夠編寫HP34401A，用來通過遠(yuǎn)程接口進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。

① 把HP34401A 設(shè)置為重置狀態(tài);

② 根據(jù)所需設(shè)置HP34401A ;

③ 設(shè)置觸發(fā)狀態(tài);

④ 初始化HP34401A ;

⑤ 觸發(fā)HP34401A ;

⑥ 從緩沖或內(nèi)部存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù);

⑦ 把測(cè)試數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)。

步驟①、②、③為軟件啟動(dòng)前，手動(dòng)設(shè)置萬用表。因?yàn)檫@里選用的與通信端口為RS-232，所以在使用萬用表之前要先手動(dòng)把HP34401A設(shè)置為RS-232操作的遠(yuǎn)程模式，并且設(shè)置波特率和偏置與程序中的一致。

步驟④、⑤、⑥和⑦則由軟件來完成。這里主要介紹步驟④。

首先對(duì)串口進(jìn)行初始化;在串口初始化后，先發(fā)送“＊CLS”命令把萬用表的寄存器清空;然后發(fā)送“SYST:REM” 命令把萬用表置于用RS-232操作的遙控模式。最后是對(duì)HP34401A的進(jìn)行測(cè)量參數(shù)設(shè)置

HP34401A的測(cè)量參數(shù)設(shè)置包括測(cè)試功能設(shè)置（Function）、測(cè)試范圍設(shè)置（Range）和測(cè)試精度設(shè)置（Resolution）。在Function中能夠設(shè)置測(cè)試的信號(hào)為直流電壓、交流電壓、直流電流或者交流電流;在測(cè)試范圍設(shè)置（Range）中根據(jù)測(cè)試精度設(shè)置（Resolution）的設(shè)置，選擇測(cè)試值為0.1、1、10等不同的范圍;在測(cè)試精度設(shè)置（Resolution）中可以設(shè)置測(cè)試結(jié)果為41/2、51/2或 61/2等不同的精度，參數(shù)的精度被設(shè)置為1/2是因?yàn)榻Y(jié)果只能用“0”或者“1”表示。

5.1.2 測(cè)試設(shè)置

在測(cè)試配置中可以選取采樣方式為定點(diǎn)還是定時(shí)，并且進(jìn)行通道的選擇。如果設(shè)定的為定時(shí)采樣，在采樣的過程中，將顯示出設(shè)定采樣時(shí)間和已采樣時(shí)間;如果設(shè)定的為定點(diǎn)采樣，在采樣的過程中將顯示出設(shè)定采樣點(diǎn)數(shù)和已采樣點(diǎn)數(shù)。

Initiate HP34401A和進(jìn)行通道選擇的流程代碼如圖3所示。

5.1.3 系統(tǒng)設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置包括采樣模式選擇和程序配置。用來設(shè)置計(jì)算機(jī)與切換電路和萬用表通信的端口，以及默認(rèn)的保存數(shù)據(jù)的文件名。

由于計(jì)算機(jī)與HP 34401A的通信端口為RS-232，所以在程序中嵌套SCPI語言實(shí)現(xiàn)對(duì)HP 34401A的編程。高精度的數(shù)字萬用表的說明書中一般都提供編寫萬用表的命令。

圖3 初始化HP34401A和通道選擇流程代碼

5.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三部分。

數(shù)據(jù)采集用來采集萬用表輸送過來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求轉(zhuǎn)化為各種數(shù)據(jù)格式，輸送給圖形顯示或數(shù)據(jù)記錄。在采樣的過程中，四個(gè)通道的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的把已采集信號(hào)的波形顯示出來，并且利用LABVIEW中g(shù)raph特有的功能，對(duì)圖形進(jìn)行區(qū)域放大。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以.txt的文件格式存儲(chǔ)在采樣前設(shè)定的或默認(rèn)的文件名中，并且在文件頭說明采樣通道和采樣起始時(shí)間。在前面板中還有一個(gè)數(shù)字框，用于實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)。

6. 測(cè)試實(shí)例

本測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。圖4即為VI的前面板和同時(shí)測(cè)試四個(gè)某型號(hào)的傳感器的零位穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果。圖形中部的控件用來切換測(cè)試設(shè)置和系統(tǒng)設(shè)置的界面。

圖4. VI前面板和測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試說明了本系統(tǒng)能夠使一臺(tái)高精度數(shù)字萬用表用于多通道信號(hào)測(cè)量。能夠滿足測(cè)試的需要。而且本系統(tǒng)的硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷木湍軌驍U(kuò)展進(jìn)行更多的通道的測(cè)量，有很大的靈活性，非常適合于擴(kuò)展高精度萬用表進(jìn)行多通道測(cè)量?；贚abVIEW開發(fā)的軟件界面美觀、簡(jiǎn)潔，同時(shí)也使采集系統(tǒng)的采集方式具有了更靈活的方式，使數(shù)據(jù)的采集結(jié)果更富有直觀性。大大的方便了測(cè)試工作。它為測(cè)試工作人員提供了一個(gè)有效的測(cè)量手段，具有很高的使用價(jià)值。

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