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基于虚拟仪器的阻抗自动测量系统的研究摘要随着计算机技术的发展，仪器仪表领域也开始发生巨大的变化，从传统仪器、智能仪器开始向虚拟仪器发展。
虚拟仪器以其强大的存储、数据显示和数据分析优势，逐渐受到重视。
虚拟仪器技术通过软件将计算机与仪器硬件相结合，很好地将计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的现场测量、控制结合在一起。
不仅降低了仪器的生产成本，还提高了仪器的性能，从而得到广泛的应用。
另外，随着现代科学技术的进步，阻抗的测量逐渐成为各类电子产品的研究基础。
目前，阻抗测量技术已在生物医学、工业测控、电力控制等领域有广泛的应用。
为了满足高校实验室对电子元器件及其附属参数的测量需求，本文设计了一种基于虚拟仪器的阻抗测量系统。
本文通过将虚拟仪器技术与传统硬件相结合，设计实现了一种通过伏安法对阻抗参数进行测量的系统。
其主要工作原理为：将阻抗的测量转换为矢量电压的测量，再利用获得的矢量电压的实部和虚部的数字量与被测参数之间的关系，将其转换为待测量。
本系统主要由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要包括通过FPGA设计实现的信号源模块、阻抗/矢量电压转换模块、相敏检波模块、A/D转换模块和通信模块。
其具体的实现主要为利用FPGA设计实现系统正弦激励信号与基准信号的产生；通过相敏检波将采集到的矢量电压信号进行实部和虚部分离；利用低通滤波器滤除干扰信号；再通过A/D转换芯片将采集到的模拟电压信号转换为数字信号；通过系统总线将数据传输到计算机，并对数据进行处理和显示。
软件部分是利用虚拟仪器软件LabVIEW设计实现仪器的数据处理、显示和控制界面，并通过动态链接库的调用来执行仪器操作。
关键字：虚拟仪器技术，阻抗测量，FPGA，LabVIEWResearch of Automatic Impedance Measuring System Based onthe Virtual InstrumentAbstractWith the development of the computer technology, the field of instrumentation begins to change dramatically from traditional instruments and intelligent instruments to virtual instruments. Due to its strong advantages on storage, data display and data analysis, the virtual instruments have gained more attention. Virtual-instrument technology combines the computer and the instrument hardware together using software. It combines the excellent data processing ability of computer with the measurement，and controlling ability of instruments hardware together in this technology. Consequently, not only the cost of the production is reduced, but the instrument performance is also improved. Therefore, the virtual instrument has been widely used.In addition, with the progress of modern science and technology, the measurement of impedance has gradually become the basis of all kinds of electronic products.At present, the impedance measurement technology has been widely used in biomedical science, industrial measurements, power control and other domains.In order to satisfy the measurement requirements of electronic components and their subsidiary parameters in the university laboratory, a kind of impedance measurement system based on virtual instrument is designed in this paper.Based on the combination of virtual instrument technology and traditional hardware, this paper designs and realizes a system to measure the impedance parameters using the volt-ampere method.Utilizing the relationships between the real and the imaginary parts of the voltage vector and the complex impedance, the measurement of the complex impedance can be converted to the measurement quality of the voltage vector. The process can effectively improve the precision of the system.The system consists of two parts: hardware and software. The hardware part is mainly composed of the signal source module designed by FPGA, the conversion module of impedance to voltage vector, themodule. The design and realization of sinusoidal excitation signal and the reference signal is utilized by FPGA. We separate the real and imaginary parts of the voltage vector by the phase sensitive detection, and filter out the interference by a low pass filter. Then the collected signal is converted to a digital signal by an A/D conversion chip. The data will be transmitted to the computer through a communication bus of the system, and then it will be processed and displayed.The software part realizes the data processing, display and control using the virtual instrument software LabVIEW.And the operation of the instrument is performed by calling dynamic link libraries.Keywords:Virtual instrument technology, Impedance measurement, FPGA, LabVIEW目 录第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3虚拟仪器技术简介 (4)1.3.1 虚拟仪器概念 (4)1.3.2 虚拟仪器的构成 (4)1.3.3 虚拟仪器的发展 (5)1.4虚拟电子测量系统 (5)1.4.1 虚拟电子测量系统介绍 (5)1.4.2 虚拟电子测量系统的构成 (6)1.5主要研究内容 (7)第2章阻抗测量理论及方法分析 (9)2.1阻抗自动测量系统主要性能和预期指标 (9)2.2阻抗简介 (9)2.2.1 阻抗的定义 (9)2.2.2 阻抗的表达方式 (10)2.2.3 被测件的等效电路 (11)2.3阻抗的测量方法 (12)2.3.1 谐振法 (12)2.3.3 伏安法 (14)2.3.4 网络分析仪法 (15)2.4阻抗测量方法的对比 (16)2.5本章小结 (17)第3章阻抗测量系统的原理及总体设计 (18)3.1阻抗测量系统的原理 (18)3.2系统的总体设计 (22)3.2.1 系统的硬件设计 (22)3.2.2 系统的软件设计 (23)3.3本章小结 (24)第4章系统硬件设计及实现 (25)4.1信号源模块 (25)4.1.1 信号源设计的方案与对比 (25)4.1.2 信号源的实现 (27)4.1.3 FPGA实现 (28)4.2阻抗/矢量电压转换模块 (30)4.2.1 阻抗/矢量电压转换原理 (30)4.2.2 连接电路设计 (31)4.2.3 电路实现 (32)4.3相敏检波模块 (32)4.3.1 相敏检波原理 (33)4.4A/D转换模块 (35)4.4.1 ADS1232芯片 (36)4.4.2 A/D转换电路的实现 (36)4.5通信模块 (36)4.5.1 通信模块工作原理 (36)4.5.2 通信模块的实现 (37)4.6电源转换模块 (38)4.7系统硬件实物图 (38)4.8本章小结 (39)第5章软件设计 (40)5.1系统设备驱动程序 (40)5.2应用程序的开发 (42)5.2.1 LabVIEW简介 (42)5.2.2 软件程序框图 (43)5.2.3 系统前面板设计 (46)5.3本章小结 (46)第6章系统性能测试及误差分析 (47)6.1系统工作流程介绍 (47)6.2数据测试及对比 (48)6.2.1 电阻的测量 (49)6.2.2 电容的测量 (50)6.2.4 附属参数测量 (52)6.3误差分析 (53)第7章总结 (55)7.1本文主要完成的工作 (55)7.2系统存在的不足及展望 (56)参考文献 (57)作者简介及科研成果 (61)致谢 (62)第1章绪论1.1 研究背景及意义测量是我们认识和改造自然界的一种重要手段，对任意一种研究对象，只要想对其进行定量评价，就需要通过测量来实现[1]。
第29卷第4期遥 测 遥 控Vol .29,№.42008年7月Journa l of Tele m etry,Track i n g and Command July 2008基于虚拟仪器技术的测控系统设计刘举涛, 陈华杰, 田恒春(北京航天长征飞行器研究所 北京 100076) 收稿日期:2007207230 收修改稿日期:2007211205摘 要:为了完成对遥测系统的测控,实现测控过程的自动化,充分发挥计算机强大处理功能,减少硬件成本,将N I 公司的Lab V I E W 和Compact D AQ 技术用来开发遥测测控系统。
此系统硬件部分完成对测试数据的测量和I/O,而软件部分负责对测试数据的处理、显示和保存,以及开出量控制和开入量指示。
通过A /D 模块在测试中采用单通道高采样率和多通道低采样率的方法来完成对传感器的测量。
通过I/O 模块完成对弹上系统的供配电控制和发出信号的返回指示。
特别是,利用US B 接口技术使遥测测控实现过程变得灵活方便。
这使得遥测测控智能化向前迈进一步。
关键词:遥测; 测控; 模块驱动; Lab V I E W中图分类号:T N858,TP311 文献标识码:A 文章编号:CN1121780(2008)0420065204引 言遥测测控在武器型号研制过程中起着非常重要的作用,它不但负责对遥测弹上电压电流进行测量,同时还要完成对弹上系统供配电的控制以及控制状态的指示。
而虚拟仪器,是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器,对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储。
Lab V I E W (Laborat ory V irtual I nstrument Engineering Workbench )是N I (Nati onal I nstrument )公司推出的图形化软件开发工具,是虚拟仪器的首创者,并于近几年在测控领域得到长足发展[2]。
而N I 公司的Compact D AQ 背板技术,能比较方便地开发出完整的自动化测试和控制系统。
本文采用了虚拟仪器的思想来开发设计一套遥测测控系统,所用软件技术为Lab V I E W ,硬件技术为Compact D AQ 。
1 虚拟仪器技术图1 虚拟仪器的应用虚拟仪器是一种概念仪器,迄今为止,业界还没有一个明确的国际标准和定义。
虚拟仪器,实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统[1]。
虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术相结合,从而开拓出更多的功能,具有很大的灵活性。
而且虚拟仪器的设备利用率高,维修费用低,能够获得较高的经济效益。
N I 公司提出的“软件即是仪器”是虚拟仪器理念的核心思想。
从这一思想出发,基于电脑或工作站、软件和I/O 部件来构建虚拟仪器。
I/O 部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板(DAQ )或传感器。
N I 所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品(如Lab V I E W )、GP I B (General Pur pose I nterface Bus )产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP (D igital Signal Pr ocessing )产品和VX I (VMEbus Extensi ons f or I nstrumenta 2ti ons )控制产品等,能帮助用户方便地将多个测量设备集成到单个系统,减少了任务的复杂性。
其应用情况如图1。
V I (V irtual I nstru ment )的工作过程大致上可以分为数据收集控制、分析和显示三个部分。
V I 系统的核心部分是软件,一般而言,V I 的软件由用户应用软件、试验程序和测量仪器驱动程序等三部分组成,图形化编程技术平台LabV I E W 、Lab W indows /CV I 位于最上层。
N I Compact D AQ 利用了N I 工业标准的M 系列和C 系列数据采集设备和高性能Compact D AQ 测控系统的技术,它将数据记录仪的简单易用和低廉价格同模块化仪器的出色性能、灵活机动组合起来,从而提高其性价比[3～4]。
Lab V I E W 主要用于开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统和数据分析系统等领域,是虚拟仪器系统的主要开发工具之一。
对于大多数的编程任务,Lab V I E W 通常能产生高效的代码,但其也存在不足,如不适于进行大量数据处理,不能完全提供用户所需要的驱动子程序,对底层操作(如访问物理地址)不易实现等。
因此,常需要借助其他语言或利用其它软件开发环境(如V isual C ++、MAT LAB 等)来开发满足特殊功能的动态链接库DLL (dyna m ic link library )文件来解决这类问题。
2 测控系统的硬件设计Lab V I E W 是虚拟仪器的软件产品。
根据LabV I E W 在测控系统方面强大的功能,开发出遥测测控系统。
此测控系统,主要完成对遥测弹上系统的供配电,在进行试验前,对弹上传感器及单元进行测试,并进行性能评估,确定参加试验元器件的性能否达到试验的要求。
2.1 系统结构此测控系统包括N I Compact D AQ 系统、计算机或便携式笔记本电脑系统、电缆连接弹上系统。
N I Compact D AQ 系统是在US B 总线的Compact D AQ 背板的某槽或某几槽中插入测试或控制模块,以完成计算机软件系统和弹上单元的数据通讯。
计算机或便携式笔记本电脑系统由带US B 接口的计算机或便携式笔记本电脑、Lab V I E W 图形化软件系统、LabV I E W 应用软件和N I 模块驱动程序包组成。
电缆连接弹上系统由连接测控单元的电缆和弹上元器件组成。
测控系统的系统结构图如图2。
图2 测控系统的结构示意图2.2 硬件组成测控系统的硬件环境包括带US B 口的计算机或便携式笔记本、Compact D AQ 背板、测控模块、连接弹上单元的电缆和被测被控的弹上各单元器件。
其硬件系统组成图示于图3。
2.2.1 Compact D AQ 背板系统N I Compact D AQ 背板系统除了能测量如DC 电压和温度这样的静态信号,还能以每通道高达50kS/s 测图3 测控系统的硬件组成图量动态信号,这些信号包括声音、振动、压力和电压等暂态信号,也能通过I/0模块来完成弹上单元的控制。
N I Compact D AQ 背板系统中用到的都是模块化系统,在此系统中能方便地插入需要的模块来增加测控的类型。
所有模块能自动同步,并且单个N I Compact D AQ系统通过一个US B 接口可以同时传送高速模拟输入、模拟输出、开关量输入以及继电器输出。
Compact D AQ 可以利用PC 机的速度、供电和数据存储能力来扩展需要的功能。
如果需要存储更多数据和更快处理数据,只需升级PC 就可以完成。
此外,N I Compact D AQ 不会受限于继电器1000S/s 的转换速度。
高速US B 简化了基于PC 的测控。
由于US B 是即插即用总线,当Compact D AQ 机箱中用到的I/O 模块或A /D 模块被连接到电脑中的US B 口时,系统会自动识别。
同时,Compact D AQ 系统可以在多个PC 机之间较为方便地移动。
2.1.2 模块模块是Co mpact D AQ 系统最基本的数据通讯单元。
通常包括模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输・66・刘举涛等,基于虚拟仪器技术的测控系统设计第29卷第4期出和继电器等模块。
当模块插入Compact D AQ 背板某个插槽中,由Compact D AQ 中基于US B 通讯口的硬件自动识别物理地址,然后通过驱动程序,在软件编程中通过表1 不同通道采样率查询表多路复用模拟输入模块N I 29205任一单个插槽中最大通道数采样率(S/s )1200,0002100,000……9至1612,50017至248,33325至326,250函数调用来实现通讯。
例如,在测量中用到的N I 29205模块,它是一个32通道16位模拟输入模块,测量最大电压±10V 和最小电压±200mV 。
插入Compact D AQ 背板的模块采样率由采集通道的数量决定。
采样率和通道数之间的关系大致为:采样率=200000/通道数(S/s ),采样率的大致情况示于表1。
如果测控系统用到25通道测量,那么它的最大采样率为6250S/s 。
3 测控系统的软件设计测控系统软件结构大体上分为三个层次:最底层是US B(Universal Serial Bus )通用串行总线的接口软件,它在操作系图4 测控系统的软件结构统的支撑下,通过US B 总线控制器,对Compact D AQ 背板进行控制和支持;中间层是各种仪器驱动程序或专用软件开发包,它们通过US B 总线接口软件与Com 2pact D AQ 总线系统进行各种控制和操作;最上层是US B总线的各种应用程序,它们由编程工具(如Lab V I E W )开发,调用各类开发包、模块驱动和仪器驱动,实现具体的测试目标。
测控系统的软件结构示于图4。
3.1 驱动程序测控系统软件的驱动程序包括仪器驱动程序和模块驱动程序,分别是Compact D AQ 背板中仪器模块和测控模块的驱动程序,这些驱动程序是软件与硬件之间通信的桥梁,开发人员在编程开发环境中通过对驱动程序的访问来实现对硬件设备的测控。
好的驱动程序可以保证较高的编程灵活性和数据传输率。
这里所用传输通讯接口是US B2.0,它的速度为480Mb /s,同时Compact D AQ 背板系统具有足够的带宽,可以方便地直接传送来往于PC 上的数据。
驱动程序是Compact D AQ 背板系统(包括各种模块)的核心,它包括三部分:(1)I/O 接口,用于驱动程序、仪器或模块之间的通信;(2)操作接口,操作人员通过软件面板来控制仪器或模块,实现各种操作;(3)图5 测量系统的部分源程序编程接口,通过调用图形函数,完成应用程序对仪器和模块的控制,从而完成各种操作。
3.2 Lab V I E W 开发工具目前自动测控系统的开发工具主要有两大类:通用开发工具和专用开发工具。
这里测控系统用到的是专用开发工具Lab V I E W 。
LabV I E W 图形化软件平台具有一般编程语言的特点,带有各种软件包和过程库。
它的特点在于:(1)图形化编程,使得编程十分方便、快捷,图5给出了实现一个可选择通道和・76・2008年7月遥 测 遥 控可选择采样率的测量系统的部分源程序;(2)具有类似仪器的用户界面,诸如开关、按钮、各种显示等功能,使用户对计算机的操作如同对实际仪器进行操作;(3)带有较全的仪器接口、数据采集接口和网络接口软件包,在与外界打交道时只需作相应的配置,而无需编写繁琐的驱动程序,(4)带有很多的分析软件包,可以直接对数据进行分析、处理。
