張凱宇， 范艾杰， 蔡志明， 趙茂章， 顧大偉

(南京工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系，江蘇 南京 211800)

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基于LabVIEW的3146A多功能測(cè)量系統(tǒng)開發(fā)

張凱宇， 范艾杰， 蔡志明， 趙茂章， 顧大偉

(南京工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系，江蘇 南京 211800)

設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器軟件LabVIEW的ESCORT-3146A臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表多功能測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)中3146A臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表與計(jì)算機(jī)的通訊功能是利用LabVIEW中的串口通訊函數(shù)與子VI進(jìn)行開發(fā)的，采用USB串口線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)USB端口與3146A臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表RS232端口的物理連接。在集成3146A臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表前面板測(cè)量功能的基礎(chǔ)上，測(cè)量系統(tǒng)增加了圖形化顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，采樣周期自由設(shè)定，海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。利用3146A臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表四線制測(cè)量電阻的功能，該測(cè)量系統(tǒng)還可以配合PT100進(jìn)行精密測(cè)溫，測(cè)量范圍為0～200℃，測(cè)溫精度達(dá)到0.023 ℃。

臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表； labVIEW； 串口通訊； 精密測(cè)溫

0 引 言

數(shù)字萬(wàn)用儀表具有即時(shí)測(cè)量，數(shù)字化顯示測(cè)量結(jié)果等功能，在實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)線、維修現(xiàn)場(chǎng)等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。ESCORT-3146A臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表(3146A)是臺(tái)灣富貴電子工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的1臺(tái)5 1/2位雙顯示臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表，相較于同類型的安捷倫、吉時(shí)利等品牌儀表具有較高的功能價(jià)格比。該儀表可通過(guò)RS232接口(標(biāo)準(zhǔn)配件)或選購(gòu)配備的IEEE-448接口(可選配件)與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)連接，利用Quick BASIC或Turbo C等軟件在計(jì)算機(jī)上編寫操作程序?qū)x表進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)儀表的自動(dòng)測(cè)量[3]。本文采用LabVIEW進(jìn)行程序開發(fā)，與Quick BASIC或Turbo C等軟件相比，LabVIEW具有流程圖式的開發(fā)模式，程序編寫過(guò)程便捷，控件選擇豐富多樣，程序框圖清晰直觀[4]。

本文設(shè)計(jì)的3146A多功能測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)LabVIEW編寫的程序?qū)崿F(xiàn)了PC端控制操作，在程序界面實(shí)現(xiàn)3146A的前面板功能，可以圖形化實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠便捷的存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。在4線制測(cè)量電阻功能的基礎(chǔ)上，增加了利用PT100進(jìn)行精密測(cè)溫的功能。

1 利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)PC與3146A通訊

串口通信是指外接設(shè)備和計(jì)算機(jī)間，通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式[8]。通常利用計(jì)算機(jī)COM口通過(guò)串口線與3146A的RS232接口相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由于目前PC機(jī)COM口較少，本文采用了USB串口線實(shí)現(xiàn)3146A與PC的物理連接，該數(shù)據(jù)線具有USB轉(zhuǎn)COM口功能，可將PC端的USB接口轉(zhuǎn)換為虛擬COM口。多次試驗(yàn)表明USB串口線與LabVIEW具有很好的兼容性，不同類型的USB串口線均可以在LabVIEW中順利使用。USB串口線與PC連接后，在計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器內(nèi)可看到增加了一個(gè)COM4端口。

1.1 串口通訊程序

LabVIEW 中使用標(biāo)準(zhǔn)的輸入/ 輸出應(yīng)用程序編程接口(Virtual Instrument Software Architecture,VISA)完成儀器的控制，VISA 是對(duì)其他總線驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行的一個(gè)統(tǒng)一封裝的高層API[9]。LabVIEW 內(nèi)置了8 個(gè)串口VI和函數(shù)，可以分別實(shí)現(xiàn)串口初始化、串口寫入、串口讀取、檢測(cè)串口緩存、中斷以及關(guān)閉串口等功能[10-13]。圖1為3146A多功能測(cè)量系統(tǒng)程序中涉及串口通訊的程序框圖，該部分按功能可分為四個(gè)模塊：串口初始化模塊、串口寫入模塊、串口讀取模塊、串口關(guān)閉模塊。

圖1 測(cè)量數(shù)據(jù)讀取程序框圖

串口初始化模塊主要由“VISA Configure Serial Port”子VI完成，將VISA資源名稱指定的串口(COM4口)按特定設(shè)置初始化?！安ㄌ芈省痹O(shè)為默認(rèn)值9600；“數(shù)據(jù)比特”為輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)，設(shè)置值為8；奇偶校驗(yàn)的默認(rèn)值為(0：無(wú))。

串口寫入模塊主要由“VISA Write”函數(shù)完成，圖1所示的測(cè)量值讀取程序框圖中將字符串“R1”(RS232指令中的查詢指令)通過(guò)“write buffer”傳遞給“VISA Write”函數(shù)，實(shí)現(xiàn)在3146A主顯示屏顯示當(dāng)前讀數(shù)的功能。

串口讀取模塊主要由“VISA Read”函數(shù)完成，從VISA資源名稱所指定的設(shè)備或接口中讀取指定數(shù)量的字節(jié)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)返回至讀取緩沖區(qū)。如圖設(shè)置字節(jié)總數(shù)為800，將3146A測(cè)量所得數(shù)據(jù)通過(guò)該函數(shù)“read buffer”進(jìn)行讀取。由于函數(shù)所得測(cè)量數(shù)據(jù)類型為字符串型，通過(guò)“分?jǐn)?shù)/指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)值并實(shí)時(shí)顯示在顯示控件中。

串口關(guān)閉模塊主要由“VISA Close”函數(shù)完成，關(guān)閉VISA資源名稱指定的設(shè)備會(huì)話句柄或事件對(duì)象。

1.2 指令語(yǔ)法

3146A根據(jù)程序?qū)懭刖彌_區(qū)的指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。此處以指令語(yǔ)法S1為例進(jìn)行介紹，其中三種參數(shù)被用來(lái)設(shè)定主顯示屏幕的測(cè)量功能、量程、測(cè)量速度：為指定測(cè)量功能，為指定量程，為指定測(cè)量速度。具體S1指令語(yǔ)法參數(shù)見(jiàn)表1。

2 3146A多功能測(cè)量系統(tǒng)程序

程序分為前面板操作界面與程序框圖界面，操作界面包含3146A的前面板功能，同時(shí)增設(shè)圖形化顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測(cè)量量程提示等功能。3146A多功能測(cè)量系統(tǒng)程序的開發(fā)主要分為3部分：生成測(cè)量指令并寫入儀器，數(shù)字化與圖形化顯示實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

表1 S1指令語(yǔ)法與參數(shù)說(shuō)明

2.1 生成測(cè)量指令并寫入儀器

圖2為生成測(cè)量指令部分所對(duì)應(yīng)的前面板操作界面，其中測(cè)量選項(xiàng)下拉列表共有12種測(cè)量方式以供選擇。通過(guò)測(cè)量選項(xiàng)，檔位選擇和量程選項(xiàng)的設(shè)置，可以生成不同的測(cè)量指令。

圖2 測(cè)量功能選擇界面

3146A測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量指令生成程序框圖(圖3)中利用了多層case結(jié)構(gòu)，各包含多個(gè)分支，根據(jù)表1的指令語(yǔ)法規(guī)則，可以生成不同的指令以實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量功能。例如：當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)在自動(dòng)量程下S檔(慢速檔)測(cè)量直流電壓(VDC)時(shí)，程序通過(guò)框圖中的case結(jié)構(gòu)，分別生成字符串“S”、“S10”和“0”，利用“連接字符串”函數(shù)組成字符串“S100S”作為測(cè)量指令，通過(guò)“初始化”子VI寫入3146A中。

圖3 測(cè)量指令生成程序框圖

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示部分程序框圖如圖4，主要通過(guò)“創(chuàng)建波形”函數(shù)與“波形圖表”實(shí)現(xiàn)。利用在定時(shí)循環(huán)上放置移位寄存器，將實(shí)時(shí)的測(cè)量值通過(guò)“創(chuàng)建數(shù)組”函數(shù)組成一維數(shù)組創(chuàng)建波形函數(shù)，最后將生成的波形數(shù)據(jù)傳遞給波形圖表實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的圖形化實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)改變定時(shí)循環(huán)周期可實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣率的控制。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

LabVIEW提供了豐富的控件和子VI選擇，利用LabVIEW基礎(chǔ)軟件包內(nèi)“寫入測(cè)量文件”子VI可將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存(見(jiàn)圖5)。將圖4程序框圖中已用時(shí)間與測(cè)量數(shù)據(jù)以兩個(gè)一維數(shù)組形式通過(guò)“創(chuàng)建數(shù)組”函數(shù)構(gòu)成二維數(shù)組在前面板顯示，同時(shí)將兩個(gè)一維數(shù)組數(shù)據(jù)類型分別轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型，合并信號(hào)后傳遞給“寫入測(cè)量文件”子VI。

3 3146A精密測(cè)溫功能的實(shí)現(xiàn)

3146A具有5位半的高測(cè)量精度，能夠采用二線制與四線制測(cè)量電阻值。四線制在測(cè)量電阻的過(guò)程中減小了接觸電阻和導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，具有靈敏度高、測(cè)量準(zhǔn)確、方法巧妙等特點(diǎn)[14-15]。本文在3146A多功能測(cè)量系統(tǒng)程序中增設(shè)了利用Pt100實(shí)現(xiàn)精密測(cè)溫的功能。Pt100是用高純度的鉑鎳合金制成的溫度傳感器，一般使用測(cè)溫范圍為-50～200 ℃，在該溫區(qū)Pt100的阻值與溫度之間有著很好的線性關(guān)系，是一種常用的溫度傳感器[16]。本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)在四線制測(cè)電阻的基礎(chǔ)上，將測(cè)得的Pt100電阻值利用“公式節(jié)點(diǎn)”中的電阻值與溫度值的關(guān)系式轉(zhuǎn)換為溫度值。Pt100在0～200 ℃的溫區(qū)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的阻值變化為100～175.86 Ω，選取3146A在1.2 kΩ量程檔使用四線法進(jìn)行測(cè)量時(shí)可達(dá)到0.01Ω的測(cè)量精度，不考慮其他因素的影響，系統(tǒng)相應(yīng)的測(cè)溫精度可達(dá)0.023 ℃，與普通的Pt100溫度變送器相比，具有極高的測(cè)溫精度。利用3146A電壓、電流、電阻值的測(cè)量功能，配備其它類型的傳感器后還可以在系統(tǒng)中方便地增加壓力、距離、濕度等參數(shù)的測(cè)量功能。

圖4 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示程序框圖

圖5 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與存檔程序框圖

4 結(jié) 語(yǔ)

以3146A為代表的臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量功能豐富，使用范圍廣泛。利用LabVIEW對(duì)這類儀表進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)過(guò)程直觀便捷，開發(fā)系統(tǒng)可供選擇的控件與函數(shù)等豐富多樣，可以方便地?cái)U(kuò)展儀表功能，利于儀表更靈活的運(yùn)用。本文開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)USB串口線實(shí)現(xiàn)PC與3146A的通訊連接，在程序操作界面再現(xiàn)了3146A的前面板功能，同時(shí)集成了圖形化實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)以及海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。在四線制測(cè)量Pt100電阻的基礎(chǔ)上，測(cè)量系統(tǒng)增加了精密測(cè)溫的功能，測(cè)量范圍為0～200 ℃，測(cè)溫精度達(dá)到0.023 ℃。

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Development of 3146A Multi-function Measurement System Based on LabVIEW

ZHANGKai-yu，F(xiàn)ANAi-jie，CAIZhi-ming，ZHAOMao-zhang，GUDa-wei

(Department of Applied Physics， NanJing Tech University， Nanjing 211800， China)

By using the virtual instrument software LabVIEW, a multi-functional measurment system was designed based on ESCORT-3146A bench-type digital multimeter (DMM). The function of communication between PC and 3146A DMM was achieved by LabVIEW’s serial communication functions and sub VI. Physical connections between USB port of PC and RS232 port of 3146A DMM were realized with USB serial port line. On the basis of the integration of the front panel measuring functions of 3146A DMM, the additional functions were added to the measurement system, such as graphical displaying of measurement data, sampling period setting, massive data storage. Using the four-wire method of resistance measurement, this measurement system could coordinate with PT100 for precise temperature measurement, with measurement range of 0-200℃ and temperature measurement precision reached 0.023℃.

bench-type digital multimeter； labVIEW； serial port communication； precision temperature measurement

2015-05-26

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目

張凱宇(1993-)，男，江蘇蘇州人，本科生，研究方向：虛擬儀器技術(shù)。

顧大偉(1978-)，男，江蘇江陰人，講師，研究方向：虛擬儀器技術(shù)，新型儲(chǔ)能器件。

Tel.：025-58139534；E-mail：dwgu@njtech.edu.cn

TM932；TP274+.2

A

1006-7167(2016)01-0121-04