姚梅玲，賀 青，楊 雁，遲宗濤，黃 璐

(1.青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島 266071；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

基于LabVIEW的同軸開關(guān)切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

姚梅玲1，賀 青2，楊 雁2，遲宗濤1，黃 璐2

(1.青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島 266071；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

精密自動(dòng)化測(cè)量和射頻應(yīng)用領(lǐng)域，自動(dòng)開關(guān)切換系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)高效率、抗干擾的開關(guān)自動(dòng)切換系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值;普通電磁繼電器易受外界電磁干擾和射頻干擾影響，同時(shí)被控線路中會(huì)被引入電磁噪聲，在精密測(cè)量和射頻應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生誤差，所以選擇屏蔽良好的同軸開關(guān)是最佳解決方案;控制端采用可視化編程語(yǔ)言G語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制界面，基于LabVIEW平臺(tái)，通過DAQmx硬件驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同軸繼電器開關(guān)的程序控制切換和同軸線路的自動(dòng)開啟或關(guān)閉功能;此同軸開關(guān)切換系統(tǒng)應(yīng)用于精密可編程電容器，同軸開關(guān)控制23個(gè)近似滿足二進(jìn)制關(guān)系的電容，用精密電容電橋檢測(cè)電容輸出值;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此同軸開關(guān)切換系統(tǒng)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)任意電容的切換，并減少了外界干擾，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和自動(dòng)化程度。

精密測(cè)量；射頻；同軸開關(guān)；LabVIEW ；DAQmx驅(qū)動(dòng)；可編程電容器

0 引言

同軸線路可防止電子線路中電磁干擾并提供良好的電磁屏蔽，因此在精密測(cè)量和射頻領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，涉及航空航天，通訊，醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。隨著自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)精密測(cè)量和射頻領(lǐng)域的開關(guān)切換系統(tǒng)提出更為苛刻的要求。選擇同軸開關(guān)作為切換電路的開關(guān)，可以較好的提高系統(tǒng)的精度和效率[1]。極大提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，同時(shí)在很大程度上降低人為干擾，提高系統(tǒng)測(cè)量精度[2]。同軸開關(guān)在電磁兼容等測(cè)試系統(tǒng)中也具有重要應(yīng)用，它可以降低信號(hào)之間的電磁干擾，提高系統(tǒng)的工作效率。

隨著電磁精密測(cè)量及射頻領(lǐng)域需要測(cè)量和分析的對(duì)象愈加復(fù)雜，借助LabVIEW開發(fā)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可極大提高效率。LabVIEW結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形化開發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的編程語(yǔ)言，提供了一個(gè)直覺式的編程環(huán)境，與測(cè)量硬件緊密結(jié)合，能讓用戶迅速開發(fā)出滿足需求的各種虛擬儀器系統(tǒng)。借助LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，通過硬件驅(qū)動(dòng)DAQmx，實(shí)現(xiàn)程序控制同軸繼電器開關(guān)，完成自動(dòng)開啟或關(guān)閉同軸線路的功能，在精密測(cè)量和射頻應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

此同軸開關(guān)切換系統(tǒng)應(yīng)用在精密可編程電容器中，實(shí)現(xiàn)了范圍內(nèi)任意電容值的準(zhǔn)確輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此同軸開關(guān)切換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電容的可編程精密切換，并提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

1 LabVIEW及DAQmx介紹

虛擬儀器是一種其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。LabVIEW采用直觀圖形化的G語(yǔ)言，通過底層協(xié)議進(jìn)行高度封裝節(jié)點(diǎn)(函數(shù))，從而大大提高了開發(fā)效率，因此廣泛應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等許多領(lǐng)域[3]。

DAQmx硬件驅(qū)動(dòng)程序是Nl公司研制的第三代硬件驅(qū)動(dòng)程序，可作為硬件和LabVIEW之間的通信層，通過DAQmx可以將硬件設(shè)備集成至LabVIEW并將新函數(shù)加入函數(shù)選板供用戶直接調(diào)用，而用戶無需知道數(shù)據(jù)是具體如何傳遞的。相對(duì)于傳統(tǒng)的DAQ驅(qū)動(dòng)，NI-DAQmx除了包含DAQ驅(qū)動(dòng)的基本功能之外具有更高的效率和更優(yōu)的性能，可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和數(shù)據(jù)記錄時(shí)間。另外DAQmx定義并加強(qiáng)了異常條件處理方法，比傳統(tǒng)DAQ驅(qū)動(dòng)更可靠[4]。DAQmx重要的組成還包括MAX和DAQ助理。利用MAX配置設(shè)備工具，利用DAQ助手配置虛擬通道和任務(wù)，可大大簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集卡的配置。適用于同軸開關(guān)切換控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)。

2 同軸開關(guān)切換系統(tǒng)的原理

繼電器通過電帶動(dòng)控制電路斷開和閉合。電子線路中最常見的電磁繼電器，其原理是控制電流流過線圈產(chǎn)生的電磁吸力對(duì)銜鐵產(chǎn)生作用，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的開閉，達(dá)到切換目的。電磁繼電器通常分為非磁保持型和磁保持型兩種繼電器。非磁保持型觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簧片靠磁場(chǎng)的吸引力產(chǎn)生動(dòng)作，閉合或是斷開電路，只需要磁場(chǎng)撤消，簧片依靠自己的彈性使得電路恢復(fù)原始狀態(tài)。磁保持型繼電器的特點(diǎn)在于斷電之后仍能保持狀態(tài)不變。通過脈沖作用于控制線圈，開關(guān)打開(關(guān)閉)，脈沖作用于另一組控制線圈時(shí)，產(chǎn)生相反工作狀態(tài)，其開關(guān)狀態(tài)被改變后無需施加外力，開關(guān)狀態(tài)能夠一直保持，它的功率消耗只在開關(guān)切換瞬間[5]。

對(duì)比普通繼電器的基礎(chǔ)之上，同軸繼電器做了屏蔽處理，避免了與電磁信號(hào)之間相互干擾，同時(shí)可以保證端子之間的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)被控制的電路的準(zhǔn)確切換。因此精密測(cè)量或射頻應(yīng)用領(lǐng)域，通常選用信號(hào)損耗小的同軸繼電器[6]。

開關(guān)切換控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的切換，可以通過多個(gè)繼電器的組合來搭建開關(guān)系統(tǒng)。繼電器組合方式多種多樣，包括較為復(fù)雜的矩陣開關(guān)，一般常用多路組合方式。圖1～2為n路同軸繼電器組合成雙刀雙擲(DPDT)同軸開關(guān)工作方式和單刀雙擲(SPDT)同軸開關(guān)工作方式的原理圖。

圖1 DPDT同軸開關(guān)工作原理圖

圖2 SPDT同軸開關(guān)工作原理圖

3 基于LabVIEW的同軸開關(guān)切換控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW的同軸開關(guān)控制系統(tǒng)中，被控信號(hào)連接至同軸開關(guān)，同軸開關(guān)連接到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡通過計(jì)算機(jī)的USB接口或是其他方式連接到計(jì)算機(jī)上，同軸開關(guān)及被控信號(hào)信息就與控制系統(tǒng)相連，從而實(shí)現(xiàn)LabVIEW控制程序?qū)νS開關(guān)進(jìn)行切換控制的功能。

開關(guān)信號(hào)控制硬件選用NI公司的屏蔽式SCB-100接線盒，將同軸開關(guān)連接至計(jì)算機(jī)。配套使用SH100-100-F同軸電纜，可有效地屏蔽外界電磁干擾。開關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用NI公司的USB-6509，它含有96條雙向I/O通道，具有可靠的工業(yè)設(shè)計(jì)特性。同軸開關(guān)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 同軸開關(guān)切換控制系統(tǒng)框圖

控制程序是基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)，通過人機(jī)交互控制指令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)同軸開關(guān)的切換。

LabVIEW平臺(tái)下，需先安裝好NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)以及選用的NI設(shè)備。

根據(jù)開關(guān)切換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選用數(shù)組類型表示開關(guān)狀態(tài)?？刂瞥绦虻幕玖鞒倘缦拢菏紫扰袛喈?dāng)前輸入開關(guān)狀態(tài)與歷史記錄中開關(guān)狀態(tài)相比是否發(fā)生變化，如果發(fā)生了改變就進(jìn)入同軸開關(guān)控制系統(tǒng)的開關(guān)切換控制部分，將開關(guān)數(shù)組信息根據(jù)所選數(shù)據(jù)采集卡接線配置轉(zhuǎn)換為有用控制信號(hào)，作為DAQ助手的輸入控制信號(hào)；程序設(shè)置一段時(shí)間的延遲，等待同軸開關(guān)打開，進(jìn)而被控信號(hào)打開；最后將當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)信息保存為歷史開關(guān)狀態(tài)。

對(duì)硬件設(shè)備的選擇及參數(shù)做相關(guān)設(shè)置之后，選擇任意編號(hào)的開關(guān)打開(關(guān)閉)，在DAQmx硬件驅(qū)動(dòng)程序作用之下，對(duì)應(yīng)編號(hào)的實(shí)際開關(guān)打開(關(guān)閉)，那么被此開關(guān)控制的信號(hào)或電路接通或斷開。

4 同軸開關(guān)切換系統(tǒng)在可編程電容器中應(yīng)用

在電容測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)領(lǐng)域，目前對(duì)精密電容、測(cè)量電橋和精密LCR 表的校準(zhǔn)只能實(shí)現(xiàn)在幾個(gè)特殊測(cè)量點(diǎn)下校準(zhǔn)。若能實(shí)現(xiàn)精密可編程標(biāo)準(zhǔn)電容，將可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)量程下任意測(cè)量點(diǎn)下的校驗(yàn)[7]，大大提升我國(guó)在電容測(cè)量?jī)x器方面的檢測(cè)校準(zhǔn)能力。

基于以上需求，研制一種高穩(wěn)定性的精密可編程的標(biāo)準(zhǔn)熔融石英電容器，其基本原理如圖4所示。

圖4 可編程電容器原理圖

圖4中電容C1到C23的電容值是按二進(jìn)制方式編碼的，具體電容值如表1所示。最小電容的取值近似0.000 07 pF，最大電容值近似58 pF，組和電容值可輸出的最大值達(dá)到116 pF，這樣這個(gè)可編程電容的量值就可以實(shí)現(xiàn)覆蓋六個(gè)數(shù)量級(jí)的電容值。

同軸繼電器開關(guān)選用的是美國(guó)US公司生產(chǎn)的70000系列N端子同軸觸點(diǎn)式繼電器。70000系列同軸繼電器通過直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用連接器實(shí)現(xiàn)電源單獨(dú)控制每個(gè)端口。為保證較好地屏蔽電磁干擾和射頻干擾以及良好的信號(hào)隔離性能，該產(chǎn)品采用全鋁外殼并且所有的信號(hào)通道都做了鍍鎳、裝墊片處理。另外可實(shí)現(xiàn)高達(dá)120 dB信號(hào)隔離和EMI/RFI屏蔽。選擇型號(hào)U76024-5PAL的同軸開關(guān) ，內(nèi)部開關(guān)類型是24×1的簧片繼電器？？(確認(rèn)下這個(gè)名詞)，選用其1至23端口分別控制23個(gè)電容，25端口作為公共端。可編程電容器中同軸開關(guān)切換控制原理如圖5所示。

圖5 同軸開關(guān)切換控制系統(tǒng)原理圖

U76024-5PAL的同軸開關(guān)，阻抗為50歐姆，切換速度達(dá)到1 mS，控制電壓5 V。冷卻方式是對(duì)流冷卻，工作溫度范圍在-34℃～65℃之間，濕度要求是0～98% NC。使用壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到108次的操作。

開關(guān)切換控制程序LabVIEW界面如圖6所示。

圖6 同軸開關(guān)切換控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

選用AH2700A精密電容電橋校準(zhǔn)各單元電容輸出值，將同軸開關(guān)依次切換，對(duì)應(yīng)每個(gè)單元電容值依次測(cè)定(測(cè)得的電容值按底數(shù)為2的對(duì)數(shù)顯示)。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，近似呈現(xiàn)為一條直線，電容值之間近似滿足二進(jìn)制關(guān)系。

圖7 測(cè)試結(jié)果

以近似滿足二進(jìn)制的電容標(biāo)準(zhǔn)值作為基數(shù)值，通過組合算法，計(jì)算分別輸出組合電容值為0.001 pF，0.01 pF，0.1 pF，1 pF，10 pF，100 pF的電容組和序列如表1“計(jì)算輸出值”一列所示。電容電橋測(cè)得的實(shí)際組合輸出值如表1“測(cè)量值”所示。

表1 組合電容測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)量結(jié)果顯示1pF以上計(jì)算輸出值與測(cè)量值之間誤差達(dá)到10-6量級(jí)及以下。可編程電容器在同軸開關(guān)切換系統(tǒng)控制下，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電容切換，同軸開關(guān)系統(tǒng)引入的雜散電容小于10 aF。同時(shí)同軸開關(guān)系統(tǒng)大大減少了電磁干擾引入，提高了自動(dòng)化程度。誤差存在的主要來源可編程電容器電容單元溫度系數(shù)的影響。

5 結(jié)論

在LabVIEW平臺(tái)下，設(shè)計(jì)同軸開關(guān)切換控制系統(tǒng)，通過編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)同軸開關(guān)的切換。選用型號(hào)為U76024-5PAL的同軸開關(guān)控制精密可編程電容器的應(yīng)用實(shí)例顯示此開關(guān)切換系統(tǒng)工作良好，開關(guān)切換準(zhǔn)確，開關(guān)及被控線路之間互不干擾。基于LabVIEW的同軸切換系統(tǒng)可提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和測(cè)量精度，在精密測(cè)量領(lǐng)域和射頻領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陽(yáng)志高,劉旺鎖,胡金華.自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2007,15(1):19-20.

[2] 聞?dòng)臣t,談?wù)褫x.射頻同軸開關(guān)轉(zhuǎn)換儀的研制[J].電子測(cè)量與儀器,2005,19(2):34-36.

[3] 李雪菊,鄒 澎.基于LabVIEW的單片機(jī)串口的高頻同軸開關(guān)轉(zhuǎn)換電路[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2005,20(7-2):86-88.

[4] 張 榮. 基于DAQmx驅(qū)動(dòng)與LABVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011,28(3):180-181.

[5] 劉青立. 射頻同軸繼電器原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[J].機(jī)電元件,2009,29(2):30-33.

[6] Shakil Awan, Bryan Kibble, Jürgen Schurr. Coaxial Electrical Circuits for Interference-Free Measurements [M]. The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom, 2011:87-94.

[7] Andrew D. Koffman. Programmable Capacitors Developed at NIST [R].Brasil:CPEM,2014:1-15.

Design and Application of Coaxial Switching System Based on LabVIEW

Yao Meiling1, He Qing2, Yang Yan2, Chi Zongtao1, Huang Lu2

(1.College of Automation Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China;2.National Institute of Metrology, Beijing 100029, China)

In the precision automatic measurement field and the radio frequency field, the switch system has a wide range of applications. So a high efficiency, anti-interference switch system has important practical value. Ordinary electromagnetic relays are easily influenced by EMI/RFI, at the same time they bring electromagnetic noise to the lines. In the field of precision measurement and RF applications, such relays cause error. So the coaxial switch with good shielding was the best solution. Using G programming language designed the user interface. Based on the LabVIEW platform, through DAQmx hardware driver, coaxial relays were controlled by program to switch and coaxial circuit could automatically turn on or turn off. In the application of coaxial switch system in the programmable capacitor, coaxial switch controlled 23 binary-weighted capacitor elements. Capacitance bridge was used for testing the output value. The result reflected that this coaxial switch based on LabVIEW can switch any capacitor. The interference were reduced, at the same time, the precision and automation of the system were greatly improved.

precision measurement; radio frequency; coaxial switch; LabVIEW; DAQmx driver; programmable capacitor

2016-09-26；

2016-11-08。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377150)。

姚梅玲(1990-)，女，山東泰安人，碩士研究生，主要從事數(shù)據(jù)采集與信息處理，精密電磁計(jì)量等方向的研究。

遲宗濤(1964-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事傳感器與信息處理、精密電磁測(cè)量等方向的研究。

1671-4598(2017)03-0155-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.042

TM587.4

A