基于虚拟仪器的RLC参数自动测量系统

摘  要：针对传统RLC参数测量仪器的不足加以改进，利用计算机的硬件资源结合图形化编程语言LABVIEW，设计了虚拟RLC参数自动测量系统。介绍了测量系统的基本组成框图和软件设计方法，重点介绍了基于PCI总线的RLC元件参数测量板卡的设计。该RLC参数自动测量系统在测量时由PC机自动换挡，实现了测量系统的智能化。

关键词：虚拟仪器，PCI总线，LabWindows/CVI， CPLD

Abstract: By improve the performance of the traditional RLC parameter measurement system, an RLC parameter automatic measurement system is designed using computer hardware and LABVIEW. The design method of the hardware and the software of the system are presented. And the design method of the RLC parameter measurement card based on PCI is introduced. The RLC automatic measurement system can shift gears automatically by computer, and has realized the measuring appliance intellectualization.

Keywords: Virtual Instrument, PCI bus, LabWindows/CVI, CPLD

1.引言：

　　RLC元件参数测量仪器是用于测量集中参数电阻R、电感L、互感M、电容C和品质因数Q的测量仪器。传统RLC参数测量仪器，如各种交流电桥，在测量电阻、电感、电桥等元件参数时需要人工换挡调节，依靠技术人员观测电桥是否平衡来加以判断，进而得到待测R、L、C等元件的各种参数，需要反复调节，且测量精度带有一定的人为因素，误差较大。随着计算机技术的发展及仪器技术的不断进步，仪器逐步向智能化、自动化、虚拟化发展。国外已有RLC自动测试仪器产品，但体积很大、价格昂贵[1,2]。本文利用CPLD芯片及PCI接口芯片设计基于PCI总线的RLC元件参数自动测量系统，使用LabWindows/CVI作软件开发平台，使系统体积小、价格便宜、升级方便，而且具有良好的人机交互界面。

2.测量原理

　　测量电阻、电感、电桥等元件的参数主要有三种方法：电桥法，谐振法，伏安法。电桥法及谐振法主要是利用偏差测量原理，需要技术人员反复调节，难以实现自动测量。伏安法测量来源于阻抗的定义，即若已知流经被测阻抗的矢量电流并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的矢量。显然要实现这种方法，必须借助计算机进行矢量测量及除法运算。伏安法有固定轴法和自由轴法两种，固定轴法对硬件要求很高并且存在同相误差，已很少使用，而自由轴法借助于计算机在RLC元件参数测量中得到了广泛的应用。自由轴法测量RLC参数的原理如图1所示。被测阻抗ZX两端的电压Ux与标准阻抗ZS两端的电压Us的关系可用图2表示。可见，只要分别测得UX，US在直角坐标轴上的两个投影值，由式（1）即可求得被测阻抗ZX[2]。

　　 （1）

　　式中，e为A/D转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值;Ni为Ui对应的数字量（i=1,2,3,4），其中,Ni是Ui通过积分式A/D转换器而得到的，ZS一般采用标准电阻RS。

3.测量系统硬件设计

　　根据上述原理，设计的RLC参数自动测量系统的组成框图如图1所示。图中所示各部分出计算机外所有部分都做到一块板卡上，这是一个基于PCI总线的RLC元件参数测量板卡，主要由PCI接口电路、A/D转换电路、正弦信号发生器、基准相位发生器及鉴相电路等组成。

　　3.1 PCI接口电路设计

　　PCI总线是微型机上的处理器/存储器与外围控制部件、外围附加卡之间的互连结构。考虑到元器件参数测量控制逻辑的复杂性和为今后进一步增加功能留下余量，选择主设备接口芯片PLX9054，内部集成了PCI接口芯片（9054）、SDRAM控制器、RISC CPU，利用它可以迅速地实现基于其它总线（如ISA）的设计转换到基于PCI总线的设计，也可以加快基于PCI总线的系统设计，为仪器的虚拟化、集成化提供极大的方便。同时利用isp2128芯片来完成分频器、计数器（用于产生各ROM的寻址信号）以及其它的一部分控制功能。设计的电路如图3所示。

　　3.2 正弦信号发生器及鉴相电路设计

　　由测量原理可知仪器的工作频率直接影响测量精度。因此要求测试信号源频率精确度、频谱纯度和幅值稳定度都要高，鉴相电路还要求信号源频率和相位基准信号的频率严格同步，因此正弦信号源与基准相位发生器在电路上是密切相关的。目前信号源电路多采用DDS技术，先用数字合成的方法产生一个周期的正弦曲线采样点存放在ROM（图2中正弦ROM）中，每一个存储单元存储的样点数据与地址之间的关系和时间轴与正弦波的正弦幅值的关系是一致的。这样，当按顺序逐单元读出ROM的样点数据就能得到量化了的正弦曲线，若周期地重复这一过程，并经D/A转换与平滑滤波后输出，就可得到连续的正弦信号。相位基准的产生和信号的产生原理是一致的，把用于产生基准相位信号的数据存入基准相位ROM（图2所示）。基准相位ROM和正弦ROM的区别在于：基准相位ROM内存放的不是一个周期的正弦采样点值而是4组相位分别相差90°的正弦信号采样值，用6路信号进行寻址，输出信号送到乘法型D/A转换器，被测信号加到参考电压VREF端。这样，产生测试信号的同时也产生了同频率的基准相位信号。在 D/A转换器内部，通过基准相位信号和被测信号相乘，实现了数字全波鉴相。

　　3.3 控制部分及系统工作过程

　　在设计中所完成的逻辑控制可分为三部分：测试信号发生功能部分、数据产生部分和逻辑控制部分，控制逻辑由ISP2128完成。ISP2128是LATTICE公司的可编程逻辑器件，内有128个寄存器，6000个PLD门。设计时采用原理图和VHDL语言混合的方式，将所要实现的功能分为若干子摸块。每个子模块由VHDL语言编程实现，然后用原理图的方式将其进行综合，进而实现设计功能。操作者通过计算机选择测试信号的频率、切换档位。这样，板卡和计算机之间的数据交换就分成三部分：（1）用于控制测试信号的信号由计算机送入板卡。（2）板卡进行一次测量所得的数据由板卡送入计算机。（3）用于板卡、计算机间数据传送的握手信号。PCI9054的工作过程为：将控制信号送给测量电路，测量电路接到信号后开始测量。每测出一个结果，都通过PCI9054在PCI总线产生中断。计算机响应中断，通过PCI9054读取测量结果。直到将8组测试数据全部送给计算机，一次测量就完成了。计算机读取的数据就是Ni，通过应用程序可算出所需的R、L、C、Q等参数。

4 系统软件设计

　　测量系统硬件部分设计完成后，还需要编制相应的PCI板卡驱动程序和测量应用程序。

　　4.1驱动程序的设计

　　驱动程序建立计算机和板卡间的数据、命令传送。设计时利用DDK和DriverStudio开发PCI板卡的驱动程序。根据设置向导先选择WDM选项，再选择PCI总线类型，为板卡分配中断号和内存对象。至于所分配的具体的内存位置和中断号并不需要指明，因为在即插即用的驱动程序中，具体的内存位置和中断号由操作系统在系统启动时分配。而内存的范围则在测量板卡上的配置寄存器中设置[3,4]。按步骤完成向导的设置工作之后，就生成了驱动程序的基本框架，包括：内存对象、中断对象、中断处理例程、读/写例程等。读/写例程是设备驱动程序处理用户的读请求和写请求的例程，是该驱动程序的核心。用于响应用户的读/写请求，将数据写入用户缓冲区，以及其它的一些控制等。读/写例程的编写采用了设备驱动程序中常用的技术—序列化I/O请求。

　　4.2 应用程序的设计

　　系统开发时选用LabWindows/CVI为主开发平台，这是NI公司开发的基于标准C语言的虚拟仪器开发环境，具有良好的用户界面[5]。系统软件采用模块化设计，主要包括用户界面设计（仪器软面板）、应用程序与驱动程序接口、数据读取与处理、结果输出与显示等。系统操作界面（仪器软面板）是人机交互的主要途径，好的操作界面可以使用户方便、直观地操作测量系统，可以通过该界面及时获取测量结果[6]。本系统设计的操作界面如图4所示。

　　在编写软件时要实现LabWindows对板卡的访问，首先要实现LabWindows与设备驱动程序的接口，为此需将DDK中的文件Setupapi.h和Setupapi.lib文件导入项目中。数据读取与处理部分根据面板上的按钮，进行测量频率、元器件性质和量程选择调用不同的函数，对读入的数据进行计算，并将处理的结果在仪器面板上显示。

5 结束语

　　本文设计的RLC元件参数测量系统，由于采用了PCI9054接口芯片，简化了PCI总线方面的设计，同时将信号发生部分和控制部分全部放入CPLD芯片ISP2128中，节约了板卡空间，提高了信号源的质量。另外虚拟仪器开发软件LabWindows的使用，使系统的信号处理能力得到了提高，也为系统后期升级提供了方便。采用以上措施研制出的测量系统具有自动化、智能化程度高，开发成本低，开发周期短等优点，可以实时在线测量RLC的元件参数。使用虚拟仪器逐步代替传统仪器已经成为测试领域发展的趋势，在实际应用中，要根据具体情况进行程序的优化和软硬件的结合，使虚拟仪器发挥更高的性能。

　　本文作者创新点：采用了先进的测量原理，并利用PCI9054芯片设计PCI接口电路，用CPLD芯片ISP2128产生分频信号及相关功能模块的控制信号，设计方法独特，有效简化了电路设计，提高了可靠性，可长期测量，无须专门调校。

参考文献

　　[1] 李贵山，戚德虎.PCI局部总线开发指南[M].西安电子科技大学出版社,1997,西安， 13-20

　　[2] 李念强,经亚枝.一种新型RLC数字电桥的研究.南京航空航天大学学报[J].2001.10:490-494

　　[3] 王磊,袁慎芳.基于虚拟仪器技术的复合材料损伤实时监测系统软件开发. 传感技术学报[J].2002,12:318-321

　　[4] 江伟,袁芳.基于虚拟仪器技术的振动测试系统的设计[J]. 微计算机信息,2006.10

　　[5] 姚卫新. 基于虚拟仪器概念的多功能液位显示仪的开发方法[J].计算机应用研究,2002.4:114-117

　　[6] 陈希林,肖明清.一种LabWindvws/CVI与MATLAB混合编程的实现方法[J].微计算机信息,2005,21（1）:43-44.