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摘要：介绍了一种利用NI公司虚拟仪器平台进行交直流电检测的虚拟仪表设计方法。此次设计基于NI公司的ELVIS平台，通过搭建硬件电路并使用LabVIEW虚拟仪器编程语言进行软件编程，以完成对交直流电压及电流的检测。经测试，该检测仪表具有较好的测量精度，且具有成本低、设计简单、稳定度高的特点。为了将理论教学与实践教学相结合，将此次研究与设计引入到学生的课程设计当中，在学生中反映良好。
关键词：虚拟仪器；交直流电；检测仪表；课程设计
虚拟仪器是计算机以及计算机网络发展的产物，代表先进电子测量技术的发展前沿，也是未来仪器仪表发展的趋势。加紧虚拟仪器的研发是顺应时代的要求，同时也可以促进电子仪表的发展。[1]基于多功能数据采集卡和LabVIEW软件平台开发的交直流电检测仪表，具有结构简单、成本低廉、性能卓越、操作方便以及功能丰富等特点，已经在众多领域得到了广泛的应用。[2]
国内各大高等院校对测控技术与仪器专业都开设了相应的智能仪器仪表相关课程设计，但是其中大多数都是采用传统的测试仪器对数据进行测量，属于验证性设计题目。为了让学生更加了解测量原理及仪器电路设计，将此次研究与设计引入到学生的课程设计当中，通过搭建硬件电路并使用LabVIEW虚拟仪器编程语言进行软件编程，以设计一种可以对交直流电压及电流进行检测的虚拟仪表。
一、设计平台介绍
虚拟仪器实验系统实际上就是将LabVIEW和NI数据采集设备相结合，综合应用得到一个LabVIEW的实验产物，它包括硬件和软件两部分：硬件包括一台可运行LabVIEW的计算机，一块多功能数据采集卡；软件则包括NI-DAQ、LabVIEW开发环境、可针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEW API。[3]
二、设计思路
此次设计的交直流电检测仪表需要实现直流电压、直流电流、交流电压以及交流电流的测量。通过配置DAQ数据采集卡，进行实时数据的采集并传入计算机，LabVIEW软件可以完成数据的处理以及信号的显示。设计主要包括六个模块：
参量切换。不同的信号量转换电路不同，通过参量切换开关，将待测信号引入不同的转换电路。
档位切换开关。档位切换开关的作用主要有：降低输入信号幅度，保护后续电路，增加测量精度等。
信号调理电路。由于计算机容易识别电压及频率信号，所以需要先将待测信号转换为以上两种可识别信号。
配置数据采集卡。通过LabVIEW应用软件平台完成对数据采集卡的配置及虚拟通道设置。
数字I/O模块。本模块实现通知计算机当前采集的信号类型以及信号切换档位，为后续信号处理做铺垫，通过ELVIS面板上的数字I/O实现。
LabVIEW软件编译。通过编程实现对采集数据的处理及显示。
三、交直流电检测信号调理电路设计
信号调理电路主要是在ELVIS平台上搭建，实现将待测信号转换为可供计算机识别的信号。所用的元器件是分立元器件，主要包括：电阻、电容、运放、晶体管以及开关等。
1.电流测量电路
对电流的测量需先将待测电流转换成电压，计算机通过采集电压，进而得知电流值的大小。为了提高测量的精度，可以采用无源I/V转换电路。电流经过电阻R和电容C构成的RC低通滤波器，滤除电流信号中的高频噪声。电路中加入限幅二极管可以保证进入电压跟随器的电压不超过5V，从而起到保护后续电路的作用。
2.电压降压电路
对高压的测量通常采取降压测量的方式。设计中采用简单电阻网络，配合开关切换将待测电压通过1∶10或1∶100的比例方式降压。
3.交流电压测量电路
对于交流电压采用峰值检波电路进行测量。峰值检波电路是一种检测周期信号在某一周期内峰值的电路，通常可以通过采样/保持电路实现。当输入信号幅值大于上次采样时，电路处于采样状态，当输入信号小于上次采样时，电路处于信号保持状态，从而实现输入信号的跟踪。设计中可以采用两片LM358双运算放大器构成电压跟随器。
4.过压保护电路
过压保护电路的作用是为了防止输入电压过高，进而损坏电路以及芯片。本设计中主要采用二极管双向限幅保护电路。
5.编码开关
编码开关是一种常见的开关，接触电阻小，对于要求多路电气切换的电路来说是不错的选择。常见的多路编码开关有4路、6路、8路以及10路。此次设计采用8路编码开关。由于计算机在采集时只是识别电压以及频率信号，所以并不知道输入的待测信号类型和量程，通过人工手动切换的方式，再配合计算机智能的检测功能，可以实现人机交互。将编码器一端的8个端口全部接ELVIS工作面板上的数字地，另外一端接数字I/O口，在编码开关未接通时，8个数字I/O口默认高电平，一旦哪一位的开关闭合，其电位将拉低，数据采集卡将识别并上传计算机。所以必须对该8个数据位进行编码，并让计算机记录这些编码。
四、基于虚拟仪器的交直流电检测仪表程序设计
此次设计的交直流电检测仪表，采用自动测试功能，我们只需完成硬件调理电路中档位切换的人工操作以及数据采集卡的配置即可，然后通过LabVIEW软件就可以自动采集、处理获取到的数据并在前面板显示信号的属性以及幅值。[3]LabVIEW程序设计如图1。
该程序中包括一个While Loop结构，三个嵌套Case Structure结构。While循环里面首先实现ELVIS的数字I/O口电位读取，然后将读入的数据传给第一个Case结构。第一个Case结构通过数字I/O口编码值的大小，判断当前测量信号的类别，然后启动相应的虚拟通道。采集到的电压或者频率信号与数字I/O口的编码值一同传到第二个Case结构。第二个Case结构首先判断用户启用信号的量程开关，然后对采集到的电压信号进行处理，还原原信号值的大小，并通过采集的电压信号判断用户手动切换的档位开关是否错误。如果采集电压超过或者低于设定的阀值，可判断其出现误操作。通过两个判断语句驱动第三个Case结构，第三个Case结构完成两个任务，其一是将经过还原后的信号值转换为符号量以便用于显示，其二是决定是否报警提示。程序具体分为以下几个模块。 1.数字I/O模块
本模块的设计是为了让计算机知道所采集信号的类别，以及信号处于什么档位。采用LabVIEW所带的ELVIS驱动程序，可以采集ELVIS原型板上8位数字I/O口电位的高低。默认状态下，该8位数字I/O处于高电平，可以通过连接开关接至ELVIS工作平台的地。[4]
2.电压读取模块
可以通过DAQ底层数据采集模型进行电压的采集。[2]数据采集卡PCI-6251所能采集电压信号幅值为10V，连续周期性对虚拟通道进行采样。由于所采集的是一个稳定的直流电压，所以对采样率的要求较低。本设计中通过多次采样求均值的方式，减小测量中的误差。
3.频率测量模块
程序中通过DAQmx模拟通道采集信号，然后利用自定义的一个子采样VI实现对输入信号频率的判定。[5]此处设定采样率为1MHz，所以待测信号的频率带宽为0.5MHz。模拟通道采集1M个数据点以后（1MHz的采样率），通过一个自定义的子采样VI，判断这些数据点里面有多少个过零的点，即可知道该周期信号频率的大小。
4.交流信号幅值和频率采集模块
对于交流信号的采集，除了要获取交流信号的幅度以外，还要采集交流信号的频率，所以对于交流信号的测量需设计两个采集任务。[6]由于信号通过峰值检波电路变成直流信号，较低的采样率就能采集到信号的幅度，而对于信号频率的采集需要较大的采样率，虽然DAQmx可以设置对多通道即多任务的采集，但是对于采样率的必须以频率最大的信号进行设计，这样将造成浪费。为了获得更高的速度与性能，对于交流信号的幅值与采样率采用图2的设计方式。
五、数据检测结果
1.直流电压测试
测试采用ELVIS平台自带幅度可调电源，配合DT9205数字万用表，通过幅度调节旋钮，输出0～10V之间的直流电压。测试结果如表1，可以看出，除了低电压信号测量较差，其他幅值的信号测量精度较好，误差不超过6%，且对直流电压的测量有较高的分辨率。
2.交流电压测试
用设计的交直流电检测仪表对信号发生器输出的不同幅值和频率的电压信号进行测试，通过表2可以看出对于低频信号的交流电压具有较好的测试结果，当信号频率大于10kHz以后，检测性能受到影响，对频率的响应与LM358的频带宽度有关。
由于受设备限制，只能对10V以下的低压进行测量，但是10V以下的低压具有很好的测量结果，对高压信号只需进行电阻分压就能测量，理论上对高压测量同样会有较好的质量。
六、结论
本次交直流电检测仪表的研究与设计在功能和性能方面都得到了较好的完善，具有成本低、设计简单，精度与稳定度高的特点。为了将理论教学与实践教学相结合，并贯穿整个本科人才培养过程，我们对测控技术与仪器专业的本科生课程设计培养方案进行了改进，将此次交直流电的设计引入到本科课程设计当中，学生们的综合素质和创新能力都得到了明显提高。此设计在学生们中反映良好。
参考文献：
[1]龙华伟，顾永刚.LabVIEW 8.2.1与DAQ数据采集[M].北京：清华大学出版社，2008.
[2]沙占友.李学芝.中外数字万用表电路原理与维修技术[M].北京：人民邮电出版社，1993.
[3]郑丽娟，杜祥岭.基于LabVIEW的数据采集系统[J].科技创业月刊，2006，（7）.
[4]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2008.
[5]National Instrument Corporation. NI Digital Multimeters Help[EB/OL].2005.
[6]National Instrument Corporation. NI-DMM Instrument Driver Quick Reference[EB/OL].2005.
（责任编辑：刘辉）
关键词：虚拟仪器；交直流电；检测仪表；课程设计
虚拟仪器是计算机以及计算机网络发展的产物，代表先进电子测量技术的发展前沿，也是未来仪器仪表发展的趋势。加紧虚拟仪器的研发是顺应时代的要求，同时也可以促进电子仪表的发展。[1]基于多功能数据采集卡和LabVIEW软件平台开发的交直流电检测仪表，具有结构简单、成本低廉、性能卓越、操作方便以及功能丰富等特点，已经在众多领域得到了广泛的应用。[2]
国内各大高等院校对测控技术与仪器专业都开设了相应的智能仪器仪表相关课程设计，但是其中大多数都是采用传统的测试仪器对数据进行测量，属于验证性设计题目。为了让学生更加了解测量原理及仪器电路设计，将此次研究与设计引入到学生的课程设计当中，通过搭建硬件电路并使用LabVIEW虚拟仪器编程语言进行软件编程，以设计一种可以对交直流电压及电流进行检测的虚拟仪表。
一、设计平台介绍
虚拟仪器实验系统实际上就是将LabVIEW和NI数据采集设备相结合，综合应用得到一个LabVIEW的实验产物，它包括硬件和软件两部分：硬件包括一台可运行LabVIEW的计算机，一块多功能数据采集卡；软件则包括NI-DAQ、LabVIEW开发环境、可针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEW API。[3]
二、设计思路
此次设计的交直流电检测仪表需要实现直流电压、直流电流、交流电压以及交流电流的测量。通过配置DAQ数据采集卡，进行实时数据的采集并传入计算机，LabVIEW软件可以完成数据的处理以及信号的显示。设计主要包括六个模块：
参量切换。不同的信号量转换电路不同，通过参量切换开关，将待测信号引入不同的转换电路。
档位切换开关。档位切换开关的作用主要有：降低输入信号幅度，保护后续电路，增加测量精度等。
信号调理电路。由于计算机容易识别电压及频率信号，所以需要先将待测信号转换为以上两种可识别信号。
配置数据采集卡。通过LabVIEW应用软件平台完成对数据采集卡的配置及虚拟通道设置。
数字I/O模块。本模块实现通知计算机当前采集的信号类型以及信号切换档位，为后续信号处理做铺垫，通过ELVIS面板上的数字I/O实现。
LabVIEW软件编译。通过编程实现对采集数据的处理及显示。
三、交直流电检测信号调理电路设计
信号调理电路主要是在ELVIS平台上搭建，实现将待测信号转换为可供计算机识别的信号。所用的元器件是分立元器件，主要包括：电阻、电容、运放、晶体管以及开关等。
1.电流测量电路
对电流的测量需先将待测电流转换成电压，计算机通过采集电压，进而得知电流值的大小。为了提高测量的精度，可以采用无源I/V转换电路。电流经过电阻R和电容C构成的RC低通滤波器，滤除电流信号中的高频噪声。电路中加入限幅二极管可以保证进入电压跟随器的电压不超过5V，从而起到保护后续电路的作用。
2.电压降压电路
对高压的测量通常采取降压测量的方式。设计中采用简单电阻网络，配合开关切换将待测电压通过1∶10或1∶100的比例方式降压。
3.交流电压测量电路
对于交流电压采用峰值检波电路进行测量。峰值检波电路是一种检测周期信号在某一周期内峰值的电路，通常可以通过采样/保持电路实现。当输入信号幅值大于上次采样时，电路处于采样状态，当输入信号小于上次采样时，电路处于信号保持状态，从而实现输入信号的跟踪。设计中可以采用两片LM358双运算放大器构成电压跟随器。
4.过压保护电路
过压保护电路的作用是为了防止输入电压过高，进而损坏电路以及芯片。本设计中主要采用二极管双向限幅保护电路。
5.编码开关
编码开关是一种常见的开关，接触电阻小，对于要求多路电气切换的电路来说是不错的选择。常见的多路编码开关有4路、6路、8路以及10路。此次设计采用8路编码开关。由于计算机在采集时只是识别电压以及频率信号，所以并不知道输入的待测信号类型和量程，通过人工手动切换的方式，再配合计算机智能的检测功能，可以实现人机交互。将编码器一端的8个端口全部接ELVIS工作面板上的数字地，另外一端接数字I/O口，在编码开关未接通时，8个数字I/O口默认高电平，一旦哪一位的开关闭合，其电位将拉低，数据采集卡将识别并上传计算机。所以必须对该8个数据位进行编码，并让计算机记录这些编码。
四、基于虚拟仪器的交直流电检测仪表程序设计
此次设计的交直流电检测仪表，采用自动测试功能，我们只需完成硬件调理电路中档位切换的人工操作以及数据采集卡的配置即可，然后通过LabVIEW软件就可以自动采集、处理获取到的数据并在前面板显示信号的属性以及幅值。[3]LabVIEW程序设计如图1。
该程序中包括一个While Loop结构，三个嵌套Case Structure结构。While循环里面首先实现ELVIS的数字I/O口电位读取，然后将读入的数据传给第一个Case结构。第一个Case结构通过数字I/O口编码值的大小，判断当前测量信号的类别，然后启动相应的虚拟通道。采集到的电压或者频率信号与数字I/O口的编码值一同传到第二个Case结构。第二个Case结构首先判断用户启用信号的量程开关，然后对采集到的电压信号进行处理，还原原信号值的大小，并通过采集的电压信号判断用户手动切换的档位开关是否错误。如果采集电压超过或者低于设定的阀值，可判断其出现误操作。通过两个判断语句驱动第三个Case结构，第三个Case结构完成两个任务，其一是将经过还原后的信号值转换为符号量以便用于显示，其二是决定是否报警提示。程序具体分为以下几个模块。 1.数字I/O模块
本模块的设计是为了让计算机知道所采集信号的类别，以及信号处于什么档位。采用LabVIEW所带的ELVIS驱动程序，可以采集ELVIS原型板上8位数字I/O口电位的高低。默认状态下，该8位数字I/O处于高电平，可以通过连接开关接至ELVIS工作平台的地。[4]
2.电压读取模块
可以通过DAQ底层数据采集模型进行电压的采集。[2]数据采集卡PCI-6251所能采集电压信号幅值为10V，连续周期性对虚拟通道进行采样。由于所采集的是一个稳定的直流电压，所以对采样率的要求较低。本设计中通过多次采样求均值的方式，减小测量中的误差。
3.频率测量模块
程序中通过DAQmx模拟通道采集信号，然后利用自定义的一个子采样VI实现对输入信号频率的判定。[5]此处设定采样率为1MHz，所以待测信号的频率带宽为0.5MHz。模拟通道采集1M个数据点以后（1MHz的采样率），通过一个自定义的子采样VI，判断这些数据点里面有多少个过零的点，即可知道该周期信号频率的大小。
4.交流信号幅值和频率采集模块
对于交流信号的采集，除了要获取交流信号的幅度以外，还要采集交流信号的频率，所以对于交流信号的测量需设计两个采集任务。[6]由于信号通过峰值检波电路变成直流信号，较低的采样率就能采集到信号的幅度，而对于信号频率的采集需要较大的采样率，虽然DAQmx可以设置对多通道即多任务的采集，但是对于采样率的必须以频率最大的信号进行设计，这样将造成浪费。为了获得更高的速度与性能，对于交流信号的幅值与采样率采用图2的设计方式。
五、数据检测结果
1.直流电压测试
测试采用ELVIS平台自带幅度可调电源，配合DT9205数字万用表，通过幅度调节旋钮，输出0～10V之间的直流电压。测试结果如表1，可以看出，除了低电压信号测量较差，其他幅值的信号测量精度较好，误差不超过6%，且对直流电压的测量有较高的分辨率。
2.交流电压测试
用设计的交直流电检测仪表对信号发生器输出的不同幅值和频率的电压信号进行测试，通过表2可以看出对于低频信号的交流电压具有较好的测试结果，当信号频率大于10kHz以后，检测性能受到影响，对频率的响应与LM358的频带宽度有关。
由于受设备限制，只能对10V以下的低压进行测量，但是10V以下的低压具有很好的测量结果，对高压信号只需进行电阻分压就能测量，理论上对高压测量同样会有较好的质量。
六、结论
本次交直流电检测仪表的研究与设计在功能和性能方面都得到了较好的完善，具有成本低、设计简单，精度与稳定度高的特点。为了将理论教学与实践教学相结合，并贯穿整个本科人才培养过程，我们对测控技术与仪器专业的本科生课程设计培养方案进行了改进，将此次交直流电的设计引入到本科课程设计当中，学生们的综合素质和创新能力都得到了明显提高。此设计在学生们中反映良好。
参考文献：
[1]龙华伟，顾永刚.LabVIEW 8.2.1与DAQ数据采集[M].北京：清华大学出版社，2008.
[2]沙占友.李学芝.中外数字万用表电路原理与维修技术[M].北京：人民邮电出版社，1993.
[3]郑丽娟，杜祥岭.基于LabVIEW的数据采集系统[J].科技创业月刊，2006，（7）.
[4]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2008.
[5]National Instrument Corporation. NI Digital Multimeters Help[EB/OL].2005.
[6]National Instrument Corporation. NI-DMM Instrument Driver Quick Reference[EB/OL].2005.
（责任编辑：刘辉）