刘时宇，肖 波，韩 涛，詹习生

（湖北师范大学 电气工程与自动化学院，黄石435002）

当前，控制系统功能日趋复杂，电子产品绝大部分的外围电路都是由电阻、电容、电感、二极管等组成的，在产品设计和设备维护测试中经常需要测量它们的大小，以及需要函数信号源进行仿真和测试[1]。

在进行电路和元件参数的测量上，最广泛使用的是万用表，其结构简单，携带方便，但它在对测量电感、电容参数时，在量程和准确性上都大打折扣；实验室常用的信号发生源体积庞大，价格昂贵，不便携带[2]。本设计利用可视化虚拟仪器LabVIEW 作为数据处理平台可使界面更人性化、成本降低。

1 系统总体设计方案

本测量系统主要用于测量电压、电阻、电容、电感的大小，产生函数信号进行仿真。系统主要由测试控制系统、数据采集单元、数据通信单元、信号产生部分、设备接口等部分组成。其中测试控制系统主要作用是调配系统资源，完成对被测产品的测试，处理并显示测试结果；数据采集单元对被测元件的测试数据进行采集和转换；数据通信单元为硬件系统与虚拟仪器的桥梁，将采集到的数据传输到控制系统；信号产生部分为待测元件或电路提供必要的输入信号，测量系统总体设计方案如图1 所示。

图1 测量系统总体设计方案Fig.1 Overall design scheme of measurement system

2 硬件系统设计

本方案的硬件系统主要可分为电源模块电路、函数信号发生电路、参数测量电路、WiFi 模块以及（时钟电路，复位电路和指示灯电路等）较为简单的电路。

2.1 函数信号发生电路

函数信号发生器模块的功能是产生正弦波、方波、三角波等函数波形，为待测元件提供稳定、可靠、失真小的测试信号，确保测试参数的准确性。

在本部分硬件中，方案采用的主要模块为DAC0832，采样频率为8 位的D/A 转换芯片，采用双缓冲方式，即在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字信号，能有效地提高转换速率。在本方案中，信号发生的量程为5 V，故分辨率为5 V/256=19.5 mV。系统为DAC0832 外接了LM358 双运算放大器。它广泛的用于电源供电的运算放大器的场合，此处用于提高本系统的驱动能力，函数信号发生电路如图2 所示。

图2 函数信号发生电路Fig.2 Function signal generation circuit

2.2 参数测量电路

参数测量电路主要分为电压、电阻、电感、电容4 个测量电路。其中电压测量的硬件部分较为简单，主要利用电阻分压的方法对测量范围进行的扩展，具体的测量方法由软件实现；电阻和电容的测量电路均采用RC 振荡电路；电感测量电路则采用电容三点式振荡电路[3]。在实际测量操作中，测量哪种电子元器件就将对应的电路接入总电路中，接入的方法采用CD4052 多路选择开关进行选择，然后将对应脉冲信号传入单片机，获得测量值。

电阻测量的硬件部分中，采用NE555 定时器作为脉冲源，与已知电阻和电容组成555 多谐振荡电路，然后将待测的电阻接入对应的测量端口，产生相应的振荡脉冲传入CD4052 芯片。进而传入单片机的定时器的输入捕获端口进行脉冲计数，从而可计算出对应的频率，进一步通过对应算法获得待测电阻值。电容测量方法与电阻一致。电阻测量电路如图3 所示，电容测量电路如图4 所示。

图3 电阻测量电路Fig.3 Resistance measuring circuit

图4 电容测量电路Fig.4 Capacitance measuring circuit

电感测量的硬件部分中，同样采用NE555 定时器作为脉冲源，与已知电阻、电容和三极管组成电容三点式振荡电路，其振荡电路的主要部分为电容和电感组成的回路。测量方法与上文提到电阻测量电路一致，但电路更复杂一些。电感测量电路如图5所示。

图5 电感测量电路Fig.5 Inductance measuring circuit

3 软件系统设计

基于虚拟仪器的电参数测量系统的软件系统是设计的关键部分，可主要分为参数测量控制器设计、函数信号控制器设计、虚拟仪器上位机软件设计3 个部分，软件系统设计总流程如图6 所示。

图6 软件系统设计总流程Fig.6 Overall flow chart of software system design

3.1 参数测量控制器设计

参数测量控制指的是电压、电阻、电感、电容的测量。其控制器的作用，是接收LabVIEW 传来的开关信号进行识别，然后通过CD4052 将对应的电路接入，NE555 定时器产生特定频率的脉冲信号，STM32 单片机运用定时器功能，对此脉冲信号进行输入捕获，从而完成待测元件参数测量。单片机内的参数测量控制器的设计就是对传来的特定脉冲信号进行处理，得出待测元件的参数值。下面将以电阻测量实现方法为例进行探讨，电压，电感，电容测量实现方法与其类似。

电阻测量： 其中R1，R2为已知阻值；Rx为待测电阻。计算公式（1）与RC 振荡的硬件电路有关，频率f由单片机的定时器获取，公式（3）由公式（2）演变，通过程序编写即可计算出待测电阻Rx。

3.2 函数信号控制器设计

函数信号控制指的是产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形。其控制器的作用是接收LabVIEW传来的开关信号进行识别，利用DAC0832 数模芯片组成的函数信号发生电路，完成不同类型函数信号输出。下面将以正弦波为示例探讨单片机实现函数信号发生的过程。其它函数信号的实现方法与其基本一致。

为设计Y=sin（N），N 取128，即一个完整的基本的正弦信号的取样周期有128 个数据信号点组成，决定了其精度。将数据存储到STM32F103C8T6 单片机的RAM 当中，根据所要的频率来取得信号数据的多少，点数多少的计算如下：

式中：N 表示取样点数；T 表示所选择的波形信号的周期；t 表示定时器设置的采样时间长短，即从RAM中取得点数的间隔为M=128/N；M 表示在RAM 中取得点数的间隔，根据不同的间隔的点数决定产生一个波形信号的完整性。

本设计中要求信号的最高产生的频率为1 kHz，根据香农定理，采样的周期最少要为所有信号周期的2 倍[4]。但是为了更好的保证信号的完整输出，至少要采样20 个点才能输出完整波形，就要求采样的频率为它的20 倍，即10 kHz，定时器设置的采样时间的大小为50 μs。

3.3 LabVIEW 上位机软件设计

在LabVIEW 的程序框图中，前面板界面的每一个界面都对应一段程序框图，由端口、节点、图框和连线构成，采用LabVIEW 图形化编程语言[5]。本系统主要由WiFi 连接、 数据接收和数据发送3 个部分构成。其中，数据发送程序框图如图7 所示，数据接收程序框图如图8 所示。

图7 数据发送程序框图Fig.7 Block diagram of data transmission program

图8 数据接收程序框图Fig.8 Block diagram of data receiving program

4 系统调试与验证

首先，在LabVIEW 按下输入IP 地址、端口号以及刷新时间，连接WiFi，指示灯点亮即操作正确；接下来打开对应的开关按钮即可对电压、电阻、电容、电感进行测量；通过调节函数类型组合框，幅值、频率、持续时间等数值输入控件按钮，函数信号发生器发出即可期望信号[6]，测试结果如图9 所示。

图9 LabVIEW 上位机测量结果Fig.9 Measurement results of LabVIEW upper computer

以上测量中，电压、电阻、电感、电容的实际值分别为3.3 V，10 kΩ，100 μH，470 μF，误差均小于2%。基于虚拟仪器的电参数测量系统有着传统测量平台（万用表、示波器、信号源）无可比拟的优越性。比如： 基于虚拟仪器的电参数测量系统可以在Lab-VIEW 上位机界面上清楚地看到电压、 电阻信号变化的趋势图，可以对测量参数的数据进行存储、管理和调控；测量中，电阻的有效测量范围为：0～100 kΩ；电容的有效测量范围为：100 pF～200 μF；电感的有效测量范围为：10 μH～10 mH；电压的有效测量范围为：0～33 V。基本满足测量范围和测量精度。

5 结语

本文介绍一种基于虚拟仪器的电参数测量系统设计，主要分为硬件系统和软件系统设计。硬件系统主要包括电源模块，电参数测量电路和函数信号发生电路；软件系统完成了各个模块的算法及程序设计，包括参数测量控制器设计、函数信号控制器设计、虚拟仪器上位机设计、WiFi 通信协议设计；同时也对应该注意的细节问题作出了说明。在团队每个人的努力和学校老师的支持下，经过多次调试与修正，方案能实现测试的基本要求，有效地提高了测试效率。