摘 要：本文以HP34401A高精度數(shù)字萬用表為控制對象，基于虛擬儀器的原理設(shè)計了高精度數(shù)字萬用表四路切換記錄系統(tǒng)，使一臺數(shù)字萬用表能夠同時進行最多4個通道的信號測量。整個系統(tǒng)界面友好，系統(tǒng)容易操作,具有較高的實用價值，并且已經(jīng)在實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)在測試中常用的測試工具，它一般只有一路測試通道。而在現(xiàn)代測試中，由于測試目的的要求，經(jīng)常需要同時對多路信號進行測量。這時如果同時使用幾臺測試儀器，不但加大了成本，而且也難以協(xié)調(diào)工作。如果能夠設(shè)計一套系統(tǒng)，使一臺數(shù)字萬用表能夠分時對幾路信號進行測量，就能夠大大地方便測試人員的工作，并節(jié)約測試成本。根據(jù)這個原理，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)計了高精度數(shù)字萬用表四路切換記錄系統(tǒng)，使一臺HP34401A能夠同時進行最多四路信號測量，而且利用LabVIEW編寫了進行測控和測量的軟面板VI，它不但能夠進行相應(yīng)的參數(shù)控制，還具有數(shù)據(jù)記錄和圖形顯示等功能，豐富了測試內(nèi)容，使測試結(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。

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，它由帶串口的計算機、四通道切換電路、高精度數(shù)字萬用表和電源構(gòu)成。計算機與四通道切換電路通過USB或RS-232進行通信;HP34401A與計算機之間通過RS-232進行通信。

圖1 硬件組成

整個測試的過程為：被測量的四路模擬信號首先進入四通道切換電路;四通道模擬電路在計算機的控制下根據(jù)軟件的設(shè)定對四路信號進行分時切換，使每一時刻只有一路模擬信號能夠傳遞給HP34401A;HP34401A把接到信號的根據(jù)軟件的設(shè)定進行測量，然后把AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息通過RS-232接口傳送給計算機。

軟件部分作為系統(tǒng)的核心，運用圖形語言LabVIEW編寫。LabVIEW帶有豐富的擴展庫函數(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、存儲等，并能夠支持平臺工作，具有良好的可視性和操作性界面，能夠很好的完成對電路和數(shù)字萬用表的控制、信號采集、數(shù)據(jù)記錄和控制等功能。

3. HP 34401A

要實現(xiàn)計算機對數(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，在軟面板中實現(xiàn)數(shù)字萬用表的各種參數(shù)的設(shè)定，實現(xiàn)對數(shù)字萬用表的遠程控制。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試需用：

• 具有HP-IB （IEEE-488） 和 RS-232遠程接口;

• 最高讀取速率能夠達到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個讀取數(shù)據(jù)的存儲能力;

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

表1描述了編程語言和遠程接口的對應(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

這里因為電路使用的是RS-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行模擬信號的切換。它是硬件中唯一需要設(shè)計、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

測試信號經(jīng)過電壓跟隨后由在SCM控制下的多路復(fù)用器進行分時切換，使某一時刻只有一路信號能通過與數(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，它通過通信端口也計算機相連。因為有些計算機只有一個串行端口，所以設(shè)計了RS-232和USB兩種與計算機進行通信的端口電路。單片機能夠根據(jù)計算機發(fā)出的信號控制多路復(fù)用器，實現(xiàn)通道選擇和對切換時間的控制。這里選用Cygnal公司的C8051F310單片機。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，具有切換時間短，信號損失少的特點。這里只使用了其中的四個通道，如果實際情況需要，對硬件和軟件進行適當(dāng)?shù)男薷木涂梢园褟?fù)用通道增加為8個。由于測試信號的輸出阻抗是不確定的，多路復(fù)用器又有一定的阻抗，為了防止信號衰減，輸入的被檢測信號必須經(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，用來完成對四通道切換電路和HP 34401A的控制和數(shù)據(jù)采集、存儲等功能。它采用可視化語言LABVIEW進行編程，利用其強大的軟件功能和機構(gòu)化語言編程風(fēng)格，使得軟件的變得簡潔明了。

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、測試設(shè)置和系統(tǒng)設(shè)置三個部分。

5.1.1 初始化HP34401A

僅需要7個步驟就能夠編寫HP34401A，用來通過遠程接口進行數(shù)據(jù)測試。

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)部存儲器中讀取數(shù)據(jù);

⑦ 把測試數(shù)據(jù)讀入計算機。

步驟①、②、③為軟件啟動前，手動設(shè)置萬用表。因為這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把HP34401A設(shè)置為RS-232操作的遠程模式，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。

首先對串口進行初始化;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HP34401A的進行測量參數(shù)設(shè)置

HP34401A的測量參數(shù)設(shè)置包括測試功能設(shè)置（Function）、測試范圍設(shè)置（Range）和測試精度設(shè)置（Resolution）。在Function中能夠設(shè)置測試的信號為直流電壓、交流電壓、直流電流或者交流電流;在測試范圍設(shè)置（Range）中根據(jù)測試精度設(shè)置（Resolution）的設(shè)置，選擇測試值為0.1、1、10等不同的范圍;在測試精度設(shè)置（Resolution）中可以設(shè)置測試結(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是因為結(jié)果只能用“0”或者“1”表示。

5.1.2 測試設(shè)置

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

Initiate HP34401A和進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)置計算機與切換電路和萬用表通信的端口，以及默認的保存數(shù)據(jù)的文件名。

由于計算機與HP 34401A的通信端口為RS-232，所以在程序中嵌套SCPI語言實現(xiàn)對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，四個通道的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的把已采集信號的波形顯示出來，并且利用LABVIEW中g(shù)raph特有的功能，對圖形進行區(qū)域放大。數(shù)據(jù)存儲把采集到的數(shù)據(jù)存儲以.txt的文件格式存儲在采樣前設(shè)定的或默認的文件名中，并且在文件頭說明采樣通道和采樣起始時間。在前面板中還有一個數(shù)字框，用于實時顯示采集的數(shù)據(jù)。

6. 測試實例

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

圖4. VI前面板和測試結(jié)果

本次測試說明了本系統(tǒng)能夠使一臺高精度數(shù)字萬用表用于多通道信號測量。能夠滿足測試的需要。而且本系統(tǒng)的硬件構(gòu)成簡單，成本低，對硬件和軟件進行適當(dāng)?shù)男薷木湍軌驍U展進行更多的通道的測量，有很大的靈活性，非常適合于擴展高精度萬用表進行多通道測量?；贚abVIEW開發(fā)的軟件界面美觀、簡潔，同時也使采集系統(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。大大的方便了測試工作。它為測試工作人員提供了一個有效的測量手段，具有很高的使用價值。

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