基于VI的数字万用表四通道切换系统
导语：本文以HP34401A高精度数字万用表为控制对象，基于虚拟仪器的原理设计了高精度数字万用表四路切换记录系统，使一台数字万用表能够同时进行最多4个通道的信号测量。整个系统界面友好，系统容易操作,具有较高的实用价值，并且已经在实际中得到了很好的应用。
摘 要：本文以HP34401A高精度数字万用表为控制对象，基于虚拟仪器的原理设计了高精度数字万用表四路切换记录系统，使一台数字万用表能够同时进行最多4个通道的信号测量。整个系统界面友好，系统容易操作,具有较高的实用价值，并且已经在实际中得到了很好的应用。
关键字：虚拟仪器;LabVIEW;数字万用表;多通道测试
A Four-channel Switching System of Digital Multimeter Based on Virtual Instrument XIE Jie, YANG Bo, HE Qiang
Abstract: This paper describes a four-channel switching system, which can perform four channels or less measurement at the same time by one digital multimeter. The four-channel switching system, used in HP34401A high-performance digital multimeter, is designed based on virtual instrument. The interface is friendly and it is easy to operate. The switching system can meet practice needs and perform well.
Key words: virtual instrument; LabVIEW; digital multimeter; multi-channel testing
1. 引言
高精度万用表是现在测试中常用的测试工具，它一般只有一路测试通道。而在现代测试中，由于测试目的的要求，经常需要同时对多路信号进行测量。这时如果同时使用几台测试仪器，不但加大了成本，而且也难以协调工作。如果能够设计一套系统，使一台数字万用表能够分时对几路信号进行测量，就能够大大地方便测试人员的工作，并节约测试成本。根据这个原理，作者以HP34401A高精度数字万用表为例，基于虚拟仪器的原理设计了高精度数字万用表四路切换记录系统，使一台HP34401A能够同时进行最多四路信号测量，而且利用LabVIEW编写了进行测控和测量的软面板VI，它不但能够进行相应的参数控制，还具有数据记录和图形显示等功能，丰富了测试内容，使测试结果更具有直观性;而且仪器的软面板化使系统具有更大的灵活性，更便于更改和升级。
2. 总体方案
系统由软件和硬件两部分组成。
硬件部分的组成如图1所示，它由带串口的计算机、四通道切换电路、高精度数字万用表和电源构成。计算机与四通道切换电路通过USB或RS-232进行通信;HP34401A与计算机之间通过RS-232进行通信。
图1 硬件组成
整个测试的过程为：被测量的四路模拟信号首先进入四通道切换电路;四通道模拟电路在计算机的控制下根据软件的设定对四路信号进行分时切换，使每一时刻只有一路模拟信号能够传递给HP34401A;HP34401A把接到信号的根据软件的设定进行测量，然后把AD转换后的数字信息通过RS-232接口传送给计算机。
软件部分作为系统的核心，运用图形语言LabVIEW编写。LabVIEW带有丰富的扩展库函数，包括了数据采集、通信接口总线和串口仪器控制、数据显示、分析、存储等，并能够支持平台工作，具有良好的可视性和操作性界面，能够很好的完成对电路和数字万用表的控制、信号采集、数据记录和控制等功能。
3. HP 34401A
要实现计算机对数字万用表的控制，万用表必须带有通信端口，具有可编程性，根据万用表的性能和要求编写程序，在软面板中实现数字万用表的各种参数的设定，实现对数字万用表的远程控制。高精度数字万用表一般都能够满足这样的要求。这里介绍一下HP 34401A的性能。
HP 34401A是一种六位半的高精度数字万用表，它以下的系统特性使它能够满足于各种测试需用：
• 具有HP-IB （IEEE-488） 和 RS-232远程接口;
• 最高读取速率能够达到1000次/秒;
• 适用于三种标准可编程语言：SCPI 、HP 3478A 和Fluke 8840;
• 具有512个读取数据的存储能力;
从以上的性能可以看出，HP34401的灵活的系统特性使它具有远程端口和可编程功能，能够实现远程控制，并且具有较高的读取速度，能够满足测试的要求。
表1描述了编程语言和远程接口的对应关系，根据它能够选择相应的编程语言和接口形式。
Table 1. 语言和接口关系表
这里因为电路使用的是RS-232接口，而HP 3478A 和Fluke 8840A/8842A两种语言不支持RS-232接口，所以选择了SCPI作为数字万用表的编程语言。
4. 四通道切换电路
四通道切换电路用于进行模拟信号的切换。它是硬件中唯一需要设计、制作的部分，它的构成如图2所示。
图2 四通道切换电路的组成
测试信号经过电压跟随后由在SCM控制下的多路复用器进行分时切换，使某一时刻只有一路信号能通过与数字万用表的接口传递给数字万用表。
电路的控制部分为单片机，它通过通信端口也计算机相连。因为有些计算机只有一个串行端口，所以设计了RS-232和USB两种与计算机进行通信的端口电路。单片机能够根据计算机发出的信号控制多路复用器，实现通道选择和对切换时间的控制。这里选用Cygnal公司的C8051F310单片机。多路复用器使用的是MAXIM公司的DG408，它为8通道的CMOS模拟多路复用器，具有切换时间短，信号损失少的特点。这里只使用了其中的四个通道，如果实际情况需要，对硬件和软件进行适当的修改就可以把复用通道增加为8个。由于测试信号的输出阻抗是不确定的，多路复用器又有一定的阻抗，为了防止信号衰减，输入的被检测信号必须经过电压跟随后再输入多路复用器。
5. 软件
软件部分是这套系统的核心，用来完成对四通道切换电路和HP 34401A的控制和数据采集、存储等功能。它采用可视化语言LABVIEW进行编程，利用其强大的软件功能和机构化语言编程风格，使得软件的变得简洁明了。
软件包括参数设置和数据采集两模块。
5.1 参数设置
参数设置包括初始化HP34401A、测试设置和系统设置三个部分。
5.1.1 初始化HP34401A
仅需要7个步骤就能够编写HP34401A，用来通过远程接口进行数据测试。
① 把HP34401A 设置为重置状态;
② 根据所需设置HP34401A ;
③ 设置触发状态;
④ 初始化HP34401A ;
⑤ 触发HP34401A ;
⑥ 从缓冲或内部存储器中读取数据;
⑦ 把测试数据读入计算机。
步骤①、②、③为软件启动前，手动设置万用表。因为这里选用的与通信端口为RS-232，所以在使用万用表之前要先手动把HP34401A设置为RS-232操作的远程模式，并且设置波特率和偏置与程序中的一致。
步骤④、⑤、⑥和⑦则由软件来完成。这里主要介绍步骤④。
首先对串口进行初始化;在串口初始化后，先发送“＊CLS”命令把万用表的寄存器清空;然后发送“SYST:REM” 命令把万用表置于用RS-232操作的遥控模式。最后是对HP34401A的进行测量参数设置
HP34401A的测量参数设置包括测试功能设置（Function）、测试范围设置（Range）和测试精度设置（Resolution）。在Function中能够设置测试的信号为直流电压、交流电压、直流电流或者交流电流;在测试范围设置（Range）中根据测试精度设置（Resolution）的设置，选择测试值为0.1、1、10等不同的范围;在测试精度设置（Resolution）中可以设置测试结果为41/2、51/2或 61/2等不同的精度，参数的精度被设置为1/2是因为结果只能用“0”或者“1”表示。
5.1.2 测试设置
在测试配置中可以选取采样方式为定点还是定时，并且进行通道的选择。如果设定的为定时采样，在采样的过程中，将显示出设定采样时间和已采样时间;如果设定的为定点采样，在采样的过程中将显示出设定采样点数和已采样点数。
Initiate HP34401A和进行通道选择的流程代码如图3所示。
5.1.3 系统设置
系统设置包括采样模式选择和程序配置。用来设置计算机与切换电路和万用表通信的端口，以及默认的保存数据的文件名。
由于计算机与HP 34401A的通信端口为RS-232，所以在程序中嵌套SCPI语言实现对HP 34401A的编程。高精度的数字万用表的说明书中一般都提供编写万用表的命令。
图3 初始化HP34401A和通道选择流程代码
5.2 数据采集
数据采集包括数据采集、数据显示和数据存储三部分。
数据采集用来采集万用表输送过来的数据，并根据要求转化为各种数据格式，输送给图形显示或数据记录。在采样的过程中，四个通道的数据能够实时的把已采集信号的波形显示出来，并且利用LABVIEW中graph特有的功能，对图形进行区域放大。数据存储把采集到的数据存储以.txt的文件格式存储在采样前设定的或默认的文件名中，并且在文件头说明采样通道和采样起始时间。在前面板中还有一个数字框，用于实时显示采集的数据。
6. 测试实例
本测试系统在测试中已经得到了很好的应用。图4即为VI的前面板和同时测试四个某型号的传感器的零位稳定性的测试结果。图形中部的控件用来切换测试设置和系统设置的界面。
图4. VI前面板和测试结果
本次测试说明了本系统能够使一台高精度数字万用表用于多通道信号测量。能够满足测试的需要。而且本系统的硬件构成简单，成本低，对硬件和软件进行适当的修改就能够扩展进行更多的通道的测量，有很大的灵活性，非常适合于扩展高精度万用表进行多通道测量。基于LabVIEW开发的软件界面美观、简洁，同时也使采集系统的采集方式具有了更灵活的方式，使数据的采集结果更富有直观性。大大的方便了测试工作。它为测试工作人员提供了一个有效的测量手段，具有很高的使用价值。
参考文献:
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