基于LABVIEW的电容式测压器系统设计

韩晓博，梁志剑

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)

电容式测压器是为了测试火炮膛压，得到膛压曲线。试验测试要求装备装置耐瞬间高压高温、抗高冲击振动、适应长时间高低温环境、能够准确测出膛压变化［1，2］。壳体理论上是很好的弹性元件，以这个思想设计了以测压器的壳体作为压力敏感元件的电子测压器，实现压力传感器与壳体—体化，代替传统的压电传感器，减小了体积，又降低了成本，提高了整体性能［3，4］。

LABVIEW(laboratory VirtualInstrumentEngineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境)是美国的 NI公司(National Instruments)发布的一款虚拟仪器设计平台。其图形化的编程方法称为G语言，其中的核心元件为VI(Virtual Instruments)即虚拟仪器，通过VI之间的相互连接实现一个程序的功能。LABVIEW程序内部嵌入了大量VI程序模块，包括数据采集、测量分析与显示功能，抛弃了传统编程开发语言大量的语言代码，同时保证了测试功能的完整性。经过20多年的发展，逐步发展为测试领域内的专业测试开发软件，成为工程师们进行应用开发的首选软件［5］。

在测试原理与虚拟仪器基础之上，本文使用LABVIEW编写了上位机程序。与电容式测压器组成了一套完整的测试系统。

1 测压器硬件设计

测压器内部电路硬件模块主要由信号调理模块、控制模块、电源模块组成。信号调理主要由PS021芯片负责，控制模块由430单片机负责，电源模块由LP5996-3333芯片负责。电路外通过红外与接口模块，使用USB上传采集到的数据，在上位机中完成对采集信息的处理。测压器硬件如图1所示。

图1 电容式测压器硬件原理图

1.1 信号调理模块

本模块采用PS021芯片作为测压器的微小电容检测芯片，它集成度高，可达到50 kHz的采样频率，分辨率为6aF，功耗低，体积7*7 mm2，内部具有数模转换，温度补偿。功能强大，综合能力强。

1.2 控制模块

控制模块作为电容式测压器系统的控制枢纽，它的作用是控制测压器各个状态的转换和采集信息的储存。为减小测压器体积和系统消耗，因此使用具备较大数据储存空间的低功耗控制芯片，所以选用430单片机作为控制器。信号调理模块将测压器产生的微小电容信号转变为对应的24位数字量，控制模块(430单片机)通过SPI接口对信号调理模块进行控制、设置，并将数字量存入单片机芯片内部的闪存里。信息采集完成之后通过UART接口传到上位机中，然后使用LABVIEW软面板显示出完整的膛压随时间变化的P－t曲线。

1.3 电源模块

电源模块可对控制模块和信号调理模块进行分时可控供电。为实现低功耗设计，采用National Semiconductor公司生产的芯片LP5996-3333，具有体积小，静态电流小，驱动能力强，双线电压调节等优点，符合本设计的要求。正是由于以上的优势，使得电源管理LP5996在电路印制板中占用的面积减小，也符合未来对于测试系统的微型化的要求。

2 测压器软件设计

上位机软件最主要的功能是数据采集与显示，这就需要与硬件(测压器)相连接。测压器与上位机是通过读数盒相连接的。LABVIEW编写的上位机程序之所以能够读取测压器的数据，是因为LABVIEW可以通过调用库函数VI将读数盒中CY7C68013A芯片的库文件导入到LABVIEW环境中，对库文件的灵活调用完成软件功能包括设备检测、电路编程、读取文件、定标等操作。功能如图2所示。

图2 软件功能图

2.1 设备检测

连接测压器时，需要对测压器和读数盒进行物理检测。查看设备是否可以正常使用，如果正常则在测量电压显示区显示当前电压值。在上位机程序中调用68013的库文件中的打开设备(open)函数，打开通信设备，再使用写入(write)函数通过外部接口电路向单片机发送指定的十六进制命令，单片机收到十六进制命令后向上位机返回256个Byte的信息，上位机接到信息检测第8位信息是否与设置的信息位对应，相对应则说明硬件测压器和读数盒正常可以使用并且在测量电压显示区显示其电压值。否则弹出对话框提示设备出错。

2.2 电路编程

将上位机与测压器连接后，需要对测压器内部电路参数进行配置。在上位机程序中通过设置把指定的参数信息发送给MSP430，MSP430收到信息后将参数信息写入内部芯片，从而改变测压器电路内部的相关参数，返回固定的指令。在上位机软件中对上传来的指令进行验证，验证通过在编程数据区域中显示设置的数据。

2.3 数据采集

在设备正常，电路参数正确的基础上，进行数据采集，通过调用CY7C68013A库文件中的读取(read)函数，读取来自于测压器的数据，将数据储存为数组，显示于波形控件中。将所有的数据读取到上位机的内存中后，调用关闭(close)函数完成数据的读取任务。测压器软件界面如图3所示。

图3 软件界面图

软件界面主要分为五个区域，对应不同的数据信息。

游标区:将游标拖动到曲线上，将游标的交点的信息显示在面板中获得其坐标。

滤波区:选择和设置滤波参数，对显示出的曲线进行滤波。

功能区:软件的功能在此实现，由对应的功能按钮完成相应的操作。

参数显示区:显示测量电压的数据和红绿指示灯，显示使用次数、读数次数与编程数据。

数据显示区:将采集到的数据显示出来。

3 软件测试

通过读数盒与测压器相连，调试各个模块。采集模拟膛压信号，在上位机中读取采集到的数据。滤波后的数据如图4所示。图中显示曲线顶点处在200 MPa附近，曲线上升过程和下降过程基本吻合，下降过程后期出现误差。环境的变化和物理因素都可能使其与理论值有偏差。可证明测压器系统设计合理。

图4 膛压曲线图

4 结论

本文设计了一种基于LABVIEW的电容式测压器系统，此系统不仅可以对实验数据进行有效的分析，而且可以与硬件进行交互。而上位机软件使用LABVIEW设计也是未来虚拟仪器发展的趋势，该测压器系统具有广泛的推广价值。

［1］李新娥，祖静.用于火炮膛内压力测试的电容式传感器的设计［J］.仪器仪表学报，2011，32(3):641 －645.

［2］李政清，李新娥.电容式膛压测试仪的设计［J］.计算机测量与控制，2012，20(4):1142 －1144.

［3］齐骥，马铁华.一种基于电容传感器的电子测压器的设计［J］.计量与测试技术，2007，34(11):45 －46.

［4］叶娟，李新娥.微小型一体化电容式测压器的设计与实现［J］.传感器与微系统，2011，30(7):132 －134.

［5］袁媛，李绍稳.基于LABVIEW的虚拟仪器技术研究与应用［J］.农业网络信息，2005(4):6－10.