网络化RLC参数测试实验系统设计

刘瑞兰，戎 舟

（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210003）

网络化虚拟仪器实验与单机实验相比具有共享性、经济性和开放性等特点，学生可以随时随地通过互联网获取需要的测量信息，共享各种测控资源。

本文基于我院电子测量实验室的硬件环境，利用NI公司LabVIEW虚拟仪器开发平台，分别实现了基于C／S模式和B／S模式的网络化RLC电路参数测试系统［1］。

1 RLC电路测试系统的硬件组成

RLC电路测试系统由通用测试平台（SJ8002）、可扩展的系列化实验电路卡（SJ70XX系列）和I／O设备（SJ90XX系列）三个部分组成。其中通用的测试平台主要完成信号的生成和信号的采集功能。按照其功能由信号源、高速数据采集、高精度数据采集、频率计、扩展插槽（及其协议）六个模块组成。系列化实验电路插卡和I／O设备则是满足扩展插槽协议的基础上，根据不同的测试任务来设计。本文以测试RLC电路参数为例，硬件主要包括信号源模块，数据采集模块和实验电路模块三部分。

1.1 信号源模块

信号源部分采用的是直接数字频率合成（DDS或DDFS）原理来实现的。其组成原理框图如1所示。由图可见，实验平台SJ8002的两路信号源的输出控制都是相互独立的，可以同时输出不同频率、波形和幅度的信号。而且由于在DDS内部，两路信号的地址累加器共用同一个时钟，因此输出的两路信号是同步的。其中由A1输出的信号是由任意信号源输出的信号没有固化到硬件中，需要我们在上电之后自行写入波形数据；A2输出的信号是由固定信号源通道产生的，波形数据已经固化到通道中的ROM里面。可以通过编程来选择输出波形。

图1 实验平台的信号源

DDS由相位累加器、RAM波形存储器，DAC数模转换器以及低通滤波器组成。其工作原理为：①首先相位累加器根据频率控制码，在时钟信号驱动下进行累加，输出相位序列作为RAM的地址。从RAM里面取出预先存放的一个周期输出波形的幅值编码；②再经DAC转换得到模拟的阶梯电压；③经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要得信号波形。图2为直接数字频率合成器DDS的实现原理。

图2 DDS的实现原理

1.2 数据采集模块

图3所示的数据采集模块有两个独立信号通道。被测信号经过信号调理，一方面送ADC采样电路转换为数字信号，另一方面产生触发脉冲，启动一次采集。在逻辑控制电路的控制下，将ADC转换的数据存入SRAM，直到采集结束，PC机通过EPP口从SRAM读取数据，进行数据处理。

图3 数据采集原理图

1.3 RLC实验电路及其测量原理［1］

图4所示的RLC电路中Zx为被测阻抗，RS为采样电阻，Ux为幅度频率可调信号源。

图4 RLC电路原理图

由图可知

令被测阻抗Zx＝Rx＋j x，则有

式中，φ为Ux和Ur的相位差 。

若已知阻抗Zx为电阻和电容的串联阻抗，即

则有

若已知阻抗Zx为电阻、电感的串联阻抗，即：

则有

2 基于LabVIEW的网络通信技术

LabVIEW软件，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，成为目前实现虚拟仪器软件设计最流行的工具之一。该软件平台具有强大的网络通信功能，使用LabVIEW实现网络通信有如下四大类方法［2－4］：①使用网络通信协议编程实现网络通信，可以使用的通信协议类型包括TCP／IP协议、UDP、串口通信协议和无线网络协议等；②使用DataSocket技术实现网络通信；③基于Web服务器的远程发布技术实现网络通信；④通过远程仪器访问来实现网络通信。

3 网络化RLC参数测试软件设计

根据测控数据流量和测试需求的不同，实际应用中较为常见的网络化虚拟仪器的模式主要有C／S模式、B／S模式和混合模式三种。C／S（客户机／服务器）模式需要在客户端开发程序，通常用于数据流量较大、对安全性要求较高的场合。B／S（浏览器／服务器）模式不需要在客户端开发程序，用户只需通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求，极大地简化了客户端的工作。

3.1 基于C／S模式的测试软件设计

该模式需要开发服务器端和客户端程序，服务器端程序负责程控正弦信号的生成、数据的采集、和对本地服务器数据库的写操作。服务器端软面板如图5所示。

图5 基于C／S模式的服务器端软面板

客户端程序负责对远程数据的读操作，对读取的原始信号进行滤波后显示，并对滤波后的信号采用相关分析法或过零检测法等不同的方法计算电路的参数。客户端软面板如图6所示。

3.2 基于B／S模式的测试软件设计

基于B／S模式的网络化RLC测试系统的软件设计工作，主要集中在服务器端，包括功能块设计和HTML文件的生成两大部分。

服务器端程序功能包括程控信号源设计、数据采集、数据处理和数据显示。图7显示了服务器端的前面板。在完成前面板设计的同时，还要将VI程序的前面板转换成HTML文件并通过Web发布。在发布HTML文件之前，需要进行Web Server的设置，包括Web服务器的设置、Web浏览器访问权限的设置和程序可见设置。使用Web服务器的远程发布技术来实现网络通信，客户端不需要编写任何代码。但是客户端需要安装LabVIEW软件或者LabVIEW实时引擎。

图6 基于C／S模式的客户端软面板

图7 基于B／S模式的服务器端软面板

3.3 测试参数设置

在以上两种网络模式下，测试信号频率在100Hz－00KHz之间，被测RLC的数值范围分别为0.001－1000kΩ；0.01－50mH 和0.01－470μF及其测量误差δ10%。为了让学生了解硬件电路原理、不同模式下的网络化软件编程方法和对实验结果的形象观察，没有对精度提出很高的要求。

4 结语

本文开发的网络化RLC参数测试系统是为“网络化测控技术”课程专门设计的实验项目。但是该实验综合了“数字信号处理”、“数据采集”、“误差理论与分析”和“网络化测控技术”等课程的相关内容。通过对该实验硬件平台的熟悉和测试软件的编写，学生可以掌握程控信号源原理、数据采集原理、相关分析和频谱分析法原理及其算法设计；掌握不同模式下的网络化测控方法；掌握粗大误差和随机误差的处理方法。实验表明，学生不仅能提高算法的编写水平，还能提高将所学的不同课程的知识综合起来解决问题的能力。

［1］部德才等.远程实验中的RLC电路参数的计算机控制［J］.北京：实验技术与管理，2005，（22）9：71－73

［2］Robert H.Bishop著，乔瑞萍，林欣等译.LabVIEW 6i实用教程［M］.北京：电子工业出版社，2002

［3］余成波，谢东坡.网络化测控技术与实现［M］.北京：高等教育出版社，2009

［4］李凤保等.基于虚拟仪器的网络化测控系统［J］.北京：仪器仪表学报，2004，（25）4：295－297