多功能虚拟仪器的开发与设计

谷世达 赵鑫 朱泽垚 戴冬冰

摘要：虚拟仪器是计算机和仪器密切集合的成果，是当前仪器发展方向之一。它是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。运用虚拟仪器技术设计出来的简单仪器具有比传统仪器更强大的功能，设计出的高端仪器又有低成本的优势。本文设计了一个多功能虚拟仪器，集成了电阻测试、电子负载和蓄电池性能测试三种电气测试功能，具有精度高、集成度高和功能可二次开发等特点。

关键词：多功能；虚拟仪器；高精度；恒流源

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）04（ c）-0000-00

引言

虚拟仪器是以计算机为核心平台，通过用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器具有性能高、开发时间少、扩展性强和无缝集成等优势，用户可以根据实验本身的特点自行编辑程序，做到实时更新，与时俱进，并且虚拟仪器实验平台能够联网，实现网络教学。国内目前对于虚拟仪器系统的开发，往往侧重于单一功能的设计，即只能完成某一方面功能的测试或测量，鲜有将多个复杂功能集成在一起的虚拟仪器系统。针对这一情况，本文运用虚拟仪器技术开发了一个将微小电阻测试、电子负载、蓄电池性能测试三项功能集成在一起的虚拟仪器系统。

1恒流源电路设计

恒流源电路即提供稳定电流，以保证其它电路稳定工作，这要求恒流源电路输出电流应保持恒定。本系统核心硬件部件为恒流源，其精度直接决定了系统测量精度，其功率决定系统测试的量程范围，因此设计出的恒流源要求功率大、精度高、稳定性好。

恒流源有多种实现方式。按照IC的应用方式分类，可分为晶体管恒流源、场效应管恒流源、集成运放恒流源。按照恒流方式分类可分为，开关方式和线性方式。本文主要研究设计一种线性方式集成运放构成的高精度恒流源。

本文设计的恒流源如图1所示：

恒流源的核心电路有PI调节器和功率电子电路组成，图1中运算放大器U1组成比例放大器，U2组成积分器，共同组成闭环控制系统，可通过系统函数分析系统稳定性和精度。

该恒流源电压给定部分采用USB2833数据采集卡，采用12位精度AD/DA，可输出0-10V电压，对应输出电流0-3A。

在实际应用中，由于单个MOSFET允许通过的电流不足以满足实际需求，因此可以通过MOSFET的并联实现大功率的输出，在本设计中采用4个N沟道场效应管，4个P沟道场效应管，以增大输出电流。如果并联的数量不多可以直接直接并联使用，当需要输出数百安培的电流时，应设计均流电路，保证各个MOS管流过的电流相等，防止一个损坏造成的大面积损坏。

在端口输出端采用四线制接法，把两根电源线，两根信号线，电源和信号分开工作。在实际测量中，将信号端接在待测原件的外侧，电源线接在待测原件的里侧，这样可以降低导线中电阻对测量的结果的影响，使精度得以提升。实验证明恒流源的精度可达0.1%。

2电阻测试设计

传统的电阻测试方法有伏安法、电桥法，虽然它们各有优点，但都存在测量精度不高，测量微小电阻时误差较大等缺点，本设计要达到测量高精度电阻的目的，因此，采用恒流源法。本系统利用被测电阻四端法伏安特性，将恒流源电流流入被测电阻R的两根电流线和电压表测量端的两根电压线分离开，使得数字电压表测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压，可以减少系统误差。

在电阻测试程序设计中，可以对给定电流进行任意设定，通过USB2833数据采集卡采集电流与电压数据，对数据进行分析，再把结果显示到人机界面上，为了清晰直观的表现采集数据的变化，在人机界面上使用了电流与时间曲线图和电阻与时间曲线图，方面观察数据采集的变化，并且在程序中加入了对数据的保存，提高了数据的可靠性。

3电子负载设计

电子负载能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，可以模拟负载实际工作情况，和模拟一些特殊的负载要求，如可以产生不同频率的脉冲电流，主要用于电源调试检测。电子负载的功能主要由软件实现并且可以允许用户二次开发。

本系统的电子负载功能测试可以设定采样周期，恒流源的值，输出恒流源设定值，定时采样电子负载两端的电压和电流，显示并存储采样值，计算出被测电源的精度，功率和内阻。电子负载功能测试程序包括对电子负载界面进行初始化；设定恒流源电流值和采样周期；.计算被测电源精度，即用被测电源的输出电压与标准输出电压进行比较相减，得出被测电源精度；显示更新的输出电流、采样电流、采样电压和被测电源精度；将输出电流、采样电流、采样电压和被测电源精度存入数据库；判断是否继续进行电子负载功能测试，是则返回步骤2继续进行，否则返回主控制程序。

4蓄电池性能测试设计

电池性能测试主要采用对电池进行各种方式的充放电来完成，采集充放电的参数，包括检测电流、电压、容量、内阻、温度、电池循环寿命等，并作出有关的各种曲线和图表，最后得出蓄电池性能测试结果。

电池测试软件设计是性能测试的核心技术，本系统的蓄电池性能测试能够设定恒流充电和恒流放电，设定采样周期，设定充电和放电的电流，输出设定值，采样被测电池的电流和电压，显示并存储，计算出被测电池的容量、内阻、电池循环寿命等。蓄电池性能测试程序包括电池测试界面初始化；设定充电或放电；设定恒流源电流和采样周期；输出电流，并定时采样电流和电压；计算被测电池容量，即用电流乘以时间得到电池容量；显示更新的输出电流、采样电流、采样电压和被测电池容量；将输出电流、采样电流、电压和被测电池容量存入数据库；判断是否继续进行测试，是则返回步骤2继续，否则返回主控制程序。

5多功能虚拟仪器系统的集成

电阻测试，电子负载和蓄电池性能测试都已有较成熟的理论，本文研究的重点是如何利用虚拟仪器技术实现集成测试，包括测试方法和测试软件，以及系统控制软件。

5.1多功能虚拟仪器系统硬件设计

多功能虚拟仪器系统硬件框图如图2所示：

PC机与通信接口相连，通信接口连接高精度大功率恒流源，恒流源连接被测部件，包括电阻测试，电子负载和蓄电池。计算机通过通信接口设定恒流源量程和电流值，恒定电流施加到被测部件。被测部件的测量参数通过通信接口被计算机采集。

5.2多功能虚拟仪器系统软件设计

多功能虚拟仪器系统软件框图如图3所示：

系统控制软件：友好的人机界面，可选择各种功能。

自动校准软件：按自动校准理论校准恒流源量程和精度。

恒流源软件：设定恒流源参数，采样恒流源输出电压和电流。

电阻测试软件：按恒流源法测试微小电阻参数。

电子负载软件：模拟负载实际工作情况，调试检测电源特性。

蓄电池性能测试软件：按照电化学理论检测蓄电池性能。

数据库：所有测试数据存在数据库中，具有数据库管理功能。

6结论

基于恒流源的多功能虚拟仪器系统，通过解决了恒流源的高精度和大功率的结合问题，提高了电阻测试、电子负载、蓄电池性能测试的测试精度和测量范围，同时基于虚拟仪器三种功能的集成，充分利用了最先进的计算机软硬件技术，得到了更高的开发效率和更完备的系统功能。用该测控系统进行了各项功能测试，证实该测控系统测定的参数准确，且能够很好地实现复合功能，与传统的单一功能虚拟仪器系统相比，这无疑是一个飞跃，对于虚拟仪器技术的发展也将起到积极的推动作用。

参考文献：

[1]钟乃元，高飞，大电流高精度恒流源[J].电子测量技术，2007，30（9）：176-179.

[2]王忠林，阎明媚.半导体激光器恒流驱动电路的研制[J].滨州学院学报，2007，23（3）：30-32

[3]田俊杰，董威，陈静，柴书罡.基于场效应管的恒流源设计[J].中国测试，2009，（01）

[4]付聪.虚拟仪器发展及应用研究[J].福建电脑，2011，03：26.

[5]王红梅，边敦新.基于虚拟仪器的智能仪表实验平台开发[J].山东理工大学学报（自然科版），2011，06：59-62.