多功能虛擬儀器的開發(fā)與設計

谷世達 趙鑫 朱澤垚 戴冬冰

摘要：虛擬儀器是計算機和儀器密切集合的成果，是當前儀器發(fā)展方向之一。它是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。運用虛擬儀器技術設計出來的簡單儀器具有比傳統(tǒng)儀器更強大的功能，設計出的高端儀器又有低成本的優(yōu)勢。本文設計了一個多功能虛擬儀器，集成了電阻測試、電子負載和蓄電池性能測試三種電氣測試功能，具有精度高、集成度高和功能可二次開發(fā)等特點。

關鍵詞：多功能；虛擬儀器；高精度；恒流源

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（ c）-0000-00

引言

虛擬儀器是以計算機為核心平臺，通過用戶設計定義、具有虛擬面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器具有性能高、開發(fā)時間少、擴展性強和無縫集成等優(yōu)勢，用戶可以根據(jù)實驗本身的特點自行編輯程序，做到實時更新，與時俱進，并且虛擬儀器實驗平臺能夠聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡教學。國內(nèi)目前對于虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)，往往側(cè)重于單一功能的設計，即只能完成某一方面功能的測試或測量，鮮有將多個復雜功能集成在一起的虛擬儀器系統(tǒng)。針對這一情況，本文運用虛擬儀器技術開發(fā)了一個將微小電阻測試、電子負載、蓄電池性能測試三項功能集成在一起的虛擬儀器系統(tǒng)。

1恒流源電路設計

恒流源電路即提供穩(wěn)定電流，以保證其它電路穩(wěn)定工作，這要求恒流源電路輸出電流應保持恒定。本系統(tǒng)核心硬件部件為恒流源，其精度直接決定了系統(tǒng)測量精度，其功率決定系統(tǒng)測試的量程范圍，因此設計出的恒流源要求功率大、精度高、穩(wěn)定性好。

恒流源有多種實現(xiàn)方式。按照IC的應用方式分類，可分為晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源。按照恒流方式分類可分為，開關方式和線性方式。本文主要研究設計一種線性方式集成運放構(gòu)成的高精度恒流源。

本文設計的恒流源如圖1所示：

恒流源的核心電路有PI調(diào)節(jié)器和功率電子電路組成，圖1中運算放大器U1組成比例放大器，U2組成積分器，共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可通過系統(tǒng)函數(shù)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。

該恒流源電壓給定部分采用USB2833數(shù)據(jù)采集卡，采用12位精度AD/DA，可輸出0-10V電壓，對應輸出電流0-3A。

在實際應用中，由于單個MOSFET允許通過的電流不足以滿足實際需求，因此可以通過MOSFET的并聯(lián)實現(xiàn)大功率的輸出，在本設計中采用4個N溝道場效應管，4個P溝道場效應管，以增大輸出電流。如果并聯(lián)的數(shù)量不多可以直接直接并聯(lián)使用，當需要輸出數(shù)百安培的電流時，應設計均流電路，保證各個MOS管流過的電流相等，防止一個損壞造成的大面積損壞。

在端口輸出端采用四線制接法，把兩根電源線，兩根信號線，電源和信號分開工作。在實際測量中，將信號端接在待測原件的外側(cè)，電源線接在待測原件的里側(cè)，這樣可以降低導線中電阻對測量的結(jié)果的影響，使精度得以提升。實驗證明恒流源的精度可達0.1%。

2電阻測試設計

傳統(tǒng)的電阻測試方法有伏安法、電橋法，雖然它們各有優(yōu)點，但都存在測量精度不高，測量微小電阻時誤差較大等缺點，本設計要達到測量高精度電阻的目的，因此，采用恒流源法。本系統(tǒng)利用被測電阻四端法伏安特性，將恒流源電流流入被測電阻R的兩根電流線和電壓表測量端的兩根電壓線分離開，使得數(shù)字電壓表測量端的電壓不再是恒流源兩端的直接電壓，可以減少系統(tǒng)誤差。

在電阻測試程序設計中，可以對給定電流進行任意設定，通過USB2833數(shù)據(jù)采集卡采集電流與電壓數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，再把結(jié)果顯示到人機界面上，為了清晰直觀的表現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的變化，在人機界面上使用了電流與時間曲線圖和電阻與時間曲線圖，方面觀察數(shù)據(jù)采集的變化，并且在程序中加入了對數(shù)據(jù)的保存，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

3電子負載設計

電子負載能夠準確檢測出負載電壓，精確調(diào)整負載電流，可以模擬負載實際工作情況，和模擬一些特殊的負載要求，如可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖電流，主要用于電源調(diào)試檢測。電子負載的功能主要由軟件實現(xiàn)并且可以允許用戶二次開發(fā)。

本系統(tǒng)的電子負載功能測試可以設定采樣周期，恒流源的值，輸出恒流源設定值，定時采樣電子負載兩端的電壓和電流，顯示并存儲采樣值，計算出被測電源的精度，功率和內(nèi)阻。電子負載功能測試程序包括對電子負載界面進行初始化；設定恒流源電流值和采樣周期；.計算被測電源精度，即用被測電源的輸出電壓與標準輸出電壓進行比較相減，得出被測電源精度；顯示更新的輸出電流、采樣電流、采樣電壓和被測電源精度；將輸出電流、采樣電流、采樣電壓和被測電源精度存入數(shù)據(jù)庫；判斷是否繼續(xù)進行電子負載功能測試，是則返回步驟2繼續(xù)進行，否則返回主控制程序。

4蓄電池性能測試設計

電池性能測試主要采用對電池進行各種方式的充放電來完成，采集充放電的參數(shù)，包括檢測電流、電壓、容量、內(nèi)阻、溫度、電池循環(huán)壽命等，并作出有關的各種曲線和圖表，最后得出蓄電池性能測試結(jié)果。

電池測試軟件設計是性能測試的核心技術，本系統(tǒng)的蓄電池性能測試能夠設定恒流充電和恒流放電，設定采樣周期，設定充電和放電的電流，輸出設定值，采樣被測電池的電流和電壓，顯示并存儲，計算出被測電池的容量、內(nèi)阻、電池循環(huán)壽命等。蓄電池性能測試程序包括電池測試界面初始化；設定充電或放電；設定恒流源電流和采樣周期；輸出電流，并定時采樣電流和電壓；計算被測電池容量，即用電流乘以時間得到電池容量；顯示更新的輸出電流、采樣電流、采樣電壓和被測電池容量；將輸出電流、采樣電流、電壓和被測電池容量存入數(shù)據(jù)庫；判斷是否繼續(xù)進行測試，是則返回步驟2繼續(xù)，否則返回主控制程序。

5多功能虛擬儀器系統(tǒng)的集成

電阻測試，電子負載和蓄電池性能測試都已有較成熟的理論，本文研究的重點是如何利用虛擬儀器技術實現(xiàn)集成測試，包括測試方法和測試軟件，以及系統(tǒng)控制軟件。

5.1多功能虛擬儀器系統(tǒng)硬件設計

多功能虛擬儀器系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示：

PC機與通信接口相連，通信接口連接高精度大功率恒流源，恒流源連接被測部件，包括電阻測試，電子負載和蓄電池。計算機通過通信接口設定恒流源量程和電流值，恒定電流施加到被測部件。被測部件的測量參數(shù)通過通信接口被計算機采集。

5.2多功能虛擬儀器系統(tǒng)軟件設計

多功能虛擬儀器系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示：

系統(tǒng)控制軟件：友好的人機界面，可選擇各種功能。

自動校準軟件：按自動校準理論校準恒流源量程和精度。

恒流源軟件：設定恒流源參數(shù)，采樣恒流源輸出電壓和電流。

電阻測試軟件：按恒流源法測試微小電阻參數(shù)。

電子負載軟件：模擬負載實際工作情況，調(diào)試檢測電源特性。

蓄電池性能測試軟件：按照電化學理論檢測蓄電池性能。

數(shù)據(jù)庫：所有測試數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫中，具有數(shù)據(jù)庫管理功能。

6結(jié)論

基于恒流源的多功能虛擬儀器系統(tǒng)，通過解決了恒流源的高精度和大功率的結(jié)合問題，提高了電阻測試、電子負載、蓄電池性能測試的測試精度和測量范圍，同時基于虛擬儀器三種功能的集成，充分利用了最先進的計算機軟硬件技術，得到了更高的開發(fā)效率和更完備的系統(tǒng)功能。用該測控系統(tǒng)進行了各項功能測試，證實該測控系統(tǒng)測定的參數(shù)準確，且能夠很好地實現(xiàn)復合功能，與傳統(tǒng)的單一功能虛擬儀器系統(tǒng)相比，這無疑是一個飛躍，對于虛擬儀器技術的發(fā)展也將起到積極的推動作用。

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