基于LabVIEW的数字万用表设计论文

中文摘要 为了提高万用表的使用效率和改善与智能化仪器配合度，设计了本作品。 本设计主要由两大部分构成：上位机软件部分与测量系统硬件部分。其中，上位机软件部分主要包括：测量种类、量程调节、数据处理、数据保存和回放程序。测量系统硬件部分主要包括：核心芯片MAX134基础外围电路，AC/DC转换电路，电压和电阻的分压网络。测量的主要过程是：由上位机设置所测信号种类和量程，通过串口将命令发送给单片机，单片机根据命令控制MAX134进行测量，再将测量得到的数据返回给上位机，上位机对读取的数据进行处理和显示，得到我们想要的结果。 经测试，系统可以测量直流电压范围在0-20V，电流范围在400mA，电阻测量范围在100Ω~5MΩ。本系统稳定性好、操作简单、人机界面友好。 关键词  LabVIEW  数字万用表  智能仪器  自动变量程 外文摘要 Title  ××××××××（4号Times New Roman） Abstract In order to improve efficiency in the use a multimeter and improve with the degree of intelligent instruments, design the present works. This design comprises two main components: hardware portion upper part of the measurement system machine software. Among , part the PC software includes: types measurement, range of adjustment, data processing, data storage and playback program. Measurement hardware of the system includes: MAX134 basis the core chip peripheral circuits, AC / DC conversion circuit, voltage and resistance voltage divider network. measurement process: signal type and range of the measured by host computer settings through the serial port to send commands to the microcontroller, microcontroller according to the command controls MAX134 measurement and then measuring to get the data back to the host computer, the PC read data processing and display, get the results we want. After testing, system can measure the DC voltage range of 0-20V, current range of 400mA, resistance measurement range 100Ω ~ 5MΩ. The system has good stability, simple operation, friendly interface. KeywordsLabVIEWMultimeterIntelligent instruments 目录 1    引言    6 1.1  本课题研究背景及意义    6 1.2  本文研究内容    7 2  万用表整体设计    7 2.1  总体电路的结构框图    7 2.2  万用表芯片MAX134选取    8 2.3  下位机控制和处理MCU    12 2.4  通讯电路设计    12 2.5  上位机软件总体设计    13 3  万用表芯片    MAX134电路设计    14 3.1  芯片工作外围基础电路设计    14 3.2  直流电压测量电路设计    17 3.3  直流电流测量电路设计    17 3.4  电阻测量电路设计    18 3.5  交流电压电流测量电路设计    19 3.6  二极管检测电路设计    20 3.7  电路通断检测电路设计    20 3.8  蜂鸣器驱动电路    20 4  万用表芯片控制MCU时序    20 4.1  整体程序流程    21 4.2  控制字写入程序    24 4.3  测量数据读取和处理    25 4.4      27 5  通讯电路设计    27 5.1  通讯芯片选取    27 5.2  下位机通讯程序设计    27 5.3  上位机通讯程序设计    27 5.4    27 6  上位机程序设计    27 6.1  前面板设计    28 6.2  后面板设计    30 6.3    34 7  基于LabVIEW的数字万用表整体实现和测量结果    34 7.1  直流电压测量结果与误差分析    34 7.2  直流电流测量结果与误差分析    34 7.3  电阻测试结果与误差分析    34 7.4  交流电压测量结果与误差分析    34 7.5  交流电流测量结果与误差分析    34 7.6  二极管和通断测试结果    34 7.7    34     34 参考文献    35 致谢    36 1 引言 1.1  本课题研究背景及意义 数字万用表亦称数字多用表,简称DMM(Digtial  Multimeter)。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续的、离散的数字量的形式并加以显示的仪表。数字万用表是电子测量和装备维修中最基本最常用的仪器之一，用于测量电流、电压和电阻等各种参数。目前，传统的数字万用表无法实现自动存储数据，尤其在需要对测试对象进行长时间连续数据测量和采集时，人工记录效率低，错误率高，且不便于系统集成，不能满足虚拟检测系统的要求。所以需要开发更为智能的数字式万用表，而达到功能的提升最简单的方式是使用高性能的芯片来完成，但是这样的设计必然导致成本的增加，不符合当前发展节省成本的要求。 LabVIEW作为目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境，有传统仪器不可比拟的优势，编程效率高，开发周期短，尤其适合与大型的数据采集系统设计。LabVIEW在测量与自动化领域有很多技术优势，可以使用该技术开发虚拟万用表，它通过计算机强大的计算能力来解决硬件计算能力不足，并且整个系统的投资小，更新速度快且功能不逊色与传统仪器。 因此采用虚拟仪器技术的虚拟数字万用表是数字万用表的当前仪表测量的发展趋势。本文就是以MAX134 为测量芯片,使用虚拟仪器的的技术,实现虚拟数字式万用表。本文的设计对类似的虚拟仪表设计技术有现实的参考价值。 1.2  本文研究内容 本文主要目的是设计基于LabVIEW的数字万用表，并添加了上位机存储能力和自动测量能力。全文共为6章，其结构和内容安排如下： 第1章 为绪论，主要介绍本设计的研究背景和意义及本文的主要研究内容。 第2章 主要介绍数字万用表整体设计思路，包括整体电路结构框图、万用表芯片的选取和介绍、通讯电路的选取和上位机软件的总体设计思路 第3章具体介绍每个数字万用表的硬件电路模块，包括电压、电流、电阻和电路通断测试的电路。 第4章具体介绍单片机软件编写主要流程的设计思路 第5章 具体介绍通讯电路的选取和设计思路 第6章 具体介绍上位机软件的前后面板的设计与布局 第7章 整体电路的调试、测试结果及误差分析 2  万用表整体设计 2.1  总体电路的结构框图 本设计的核心器件主要包括MAX134和STC89C52R。微处理器STC89C52R通过对MAX134六个寄存器的读写操作达到对MAX134的控制和对测量数据的读取。根据不同的输入信号在硬件电路中加入了由单片机控制的调整测量接口的功能选择模块。其后针对不同的信后做相应的处理工作。如果输入信号为直流电压，则根据其变化范围调整其经过不同的信号处理模块，如果输入电压为直流信号且低于400mV则直接输入到芯片的A/D测量接口进行测量。如果输入电压大于400mV在1000V以内，则需要通过分压网络之后再进入芯片进行测量。如果输入信号为交流电压信号，则需要将其先通过AC/DC转换电路，转换成直流信号后再进行进一步的测量和计算。如果被测信号为电流信号则需要经过功率电阻电路和对芯片设置的保护电路之后再输入到芯片中进行进一步测量。如果被测量为电阻，则需要根据其不同的阻值选取不同的电阻与其进行分压，转换成电压信号进行进一步测量。对于电路通断测试，选用电阻测量方法相同，再由软件根据测量得到的结果进行进一步判断当前被测电路是导通还是断开。 其后由STC89C52R读取测量结果，再通过MAX232由串口将测得数据发送给上位机进行显示、处理和存储。 图2.1 整体框图 2.2  万用表芯片MAX134选取 本设计选用MAXIM公司生产的MAX134作为测量的核心芯片。 MAX134 是单片智能数字万用表专用芯片,具有外围元件少、线路简单、精度高等优点,该芯片适合3+3/4 和4+3/4 位数字万用表的设计。MAX134的集成度高,内部主要包括:滤波放大电路、时钟振荡器及蜂鸣驱动器、直流电压量程转换电路、A/D 转换器、直流电流测量电路、电阻测量电路、电池低电压检测电路和多路模拟开关八部分。这极大的简化了系统外围电路,有利于万用表的数字化控制和自动量程切换的实现,其与CPU 协调完成测量功能,可减轻CPU的负担。 2.2.1  MAX134芯片管脚简介 图2.2 MAX134管脚图 1. 写信号有效位； 2. 数字地端； 3. / 片选端 / 地址位 端； 4. / 地址锁存使能端 /地址位 端； 5. / 缓冲器时钟输出端 / 地址位 端； 6.30. 、 正、负电源端，可接9V叠层电池或±5V电源； 7-8. - 晶振振荡器引出端，外接32768HZ石英晶体构成晶振电路，亦可输入外时钟； 9. A/D装换结束标志信号； 10. 蜂鸣器驱动端； 11. 模拟输入电压的低端； 12-13. - 分别为积分器输入、输出端； 14-15. - 滤波放大器的输入、输出端； 16-20. 、 、 、 、 外接分压电阻（兼作电阻档的标准电阻）端； 21. 数字地输出； 22. 模拟地公共端； 23.31. - 外部滤波电阻的输入、输出端，配电容构成有源滤波器； 24.25. 为空脚； 26. 接外部基准电压的高端，基准电压的低端接 端；可选 =655mV (50HZ  工频) 或 =545mV （60HZ 工频）； 27. 直流400mV量程的高输入端； 28.29. - 接外部AC/DC转换器； 32. 欧姆源，测电阻时外接1.2V基准电压源； 33. 电流测量输入端； 34-35. - 分别为缓冲输出1、缓冲输出2，外接两只301kΩ的积分电阻； 36-39. 4位双向数据总线，能够输出以9为补码的BCD码数据（A/D转换结果），其中 是最高位（MSB）、 是最低位（LSB）;同时也是接受微处理器的控制信号位。 40. 读信号有效位； 2.2.2  MAX134芯片主要特点简介 1.采用余数倍增式A/D转换。其最大计数值通常取N=±39999。若将备用为用作自动校零，则N=±3999。 2.数字接口完善，带BCD码输出。 3.采用9V叠层电池或±5V电源供电，工作电流的典型值为100μA。在“休眠模式”下，静态电流仅为25μA。