基于LabVIEW的智能万用表设计

◎覃传妹 覃传宝 陈 莹

基于LabVIEW的智能万用表设计

◎覃传妹 覃传宝 陈 莹

所谓的虚拟仪器是指以计算机为核心，将计算机与测试系统结合一体，计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，计算机的显示器代替传统仪器面板的测量仪器。虚拟仪器是科技时代发展的潮流，凭借其功能强大灵活性高、研发周期短、成本低、可操作性好等优点，将会越来越多的取代传统仪器。本设计借助虚拟仪器软件LabVIEW和数据采集板卡PCI-6221，制作了一个虚拟仪器万用表。

本虚拟万用表除了跟传统的万用表一样可测量电压、电流、电阻及检测短路外还有当前时间的显示、断路电路的检测、工作指示灯的显示、历史数据的保存和调用，当然也有信号档位的选择，还可以任意改动其功能和美化界面，是一款智能化、实用性强、性价比高的仪器，由虚拟软件LabVIEW搭建而成，再通过PCI-6221数据采集板卡、通信电缆、接线盒连接外部信号，实现电压、电流、电阻等信号的采集，到计算机显示器上的万用表界面显示。

虚拟仪器万用表硬件电路设计

NI公司的37针的PCI6221的DAQ卡是整个数据采集硬件电路的核心部分，其带有16路模拟输入端口，2路16位模拟输出端口(833 kS/s)，10条数字I/O线，32位计数器/定时器。本设计通过差分方式连线，采集的电压、电流、电阻信号分别各占用的两个模拟输入通道为(ai0，ai20)、(ai2，ai21)、(ai3，ai22)，模拟输入/输出通道能通过的电压范围为±10V，采集的信号太小可以先适当的放大一定的倍数再连接到DAQ卡的相应接线盒端口，之后再用软件进行还原，采集的电压不在±10V范围内，先缩小适合的倍数。

虚拟仪器万用表软件设计

虚拟万用表前面板如图1所示，程序框图总设计如图2所示。

软件设计解析

测量电压信号。本虚拟万用表电压、电流、电阻的量程档位的选择用了数值类型的转盘控件结合Case结构实现换挡，共有7个档位所以Case结构有7个条件分支，把转盘控件的文本标签设置为“100Ω、5V、10V、OFF、100mA、200mA、50Ω”，对应的值为“0、1、2、3、4、5、6”，当控件输出的值对应Case结构选择器标签值时，执行本分支内的代码。万用表测压范围在0-10V，有5V、10V两个量程档位，分别对应Case结构的1、2分支，如果测量小于等于5V的电压先把档位调到5V档量程，通过DAQ卡的模拟通道(ai0，ai20)采集到的电压信号显示在万用表显示器上，如果采集的信号在5V-10V之间应该换到10V档位，如果档位放在5V但测量电压超过量程，通过大小比较函数执行内嵌套的另一个条件结构“真”分支，真分支里面的代码为一个赋值“已超出量程，请换挡”的字符串常量连接字符串控件（万用表显示器）的局部变量，可使（万用表显示器）显示“已超出量程，请换挡”字样提醒超过量程。如果采集超过10V的电压，可以通过放大器硬件电路缩放倍数再采集，后再通过软件放大相应倍数再显示，而采集的电压太小如0.5V以下的，最好先放大一定的倍数再采集，否则采集数据不稳定和引起较大的误差。

测量电流信号。由于PCI-6221采集卡适合采集电压信号，要采集电压信号时应根据U=IR原理，先把电流换成电压信号方可采集，本设计用2个1W的100欧电阻并联组成一个电流至电压的转换电路，可测量的电流范围为0-200mA，采集到的电压信号单位先换成毫伏级再除以50Ω电阻得到电流信号。电流信号分有100mA档和200mA档编程思路和流程基本与电压代码相似。短路报警可在电流档采集到的电流几乎为0时可启动短路报警灯。

测量电阻信号。电阻测量范围0-100Ω，分50Ω和100Ω量程档，电阻转换成电压需要一个电流源，可选200mA量程的电流源。采集到的电压除以0.2A即可得到电阻显示。断路报警可认为在电阻采集档采集到的电阻超过最大量程时点亮断路报警灯。

万用表显示屏。万用表显示器用的是字符串显示控件，DAQ卡每个通道采集到的都是数值型信号，可用数值至十进制数字符串转换函数方可在万用表显示屏上显示，显示屏控件要多次调用可创建局部变量。系统要求显示时间，可用获取日期/时间字符串函数获取系统时间显示在字符串控件上。

数据保存。保存数据可供回放历史数据使用，保存数据用文本文件格式，通过“当前VI路径”、“拆分路径”、“创建路径”、“打开/创建/替换文件”等函数可自动创建文本文件在主程序保存的根目录下，总共需要保存电压、电流、电阻信号的数据，可以再调用一个3分支的条件结构来完成，比如当换到测量电流档位时一边显示某一时刻的电流值一边执行保存条件结构的分支1即可保存当前显示的电流值，保存的数据要留3位小数点。

万用表关闭档。万用表关闭档对应3分支，当要停止工作关闭万用表时，要把档位打到“OFF”档，程序框图执行相应的代码，送布尔常量“F”给电源指示灯即可关闭、送空字符串给字符串控件显示器和时间即可清零，进一步输出布尔量“T”给while循环的停止接线端就可以停止整个程序的执行。万用表工作指示灯点亮只用在每一个分支里面输出“真”信号给布尔类型的指示灯局部变量即可。

数据采集卡通道分配。模拟信号采集通过DAQ助手函数分配通道、设置连接方式、采样数和采样率，用拆分信号函数把电压、电流、电阻信号拆分出来，再对这3个通道信号求平均值。

前面板装饰。基于LabVIEW创建的虚拟仪器可以任意美化和改动仪器界面，根据个人的喜好对界面背景、字体、控件的颜色以及大小进行配置，颜色的调试可以调出“工具选板”的“设置颜色”工具来操作，字体的大小可以在自动状态下选中再鼠标拖动放大或缩小即可，字体大小调节先选中需要调节的字体再单击菜单栏中的“对话框字体”下拉列表选择“大小”再选中字号。指示灯亮灭状态的颜色设置可以通过右键快捷方式的“属性”内部去设置。

基于虚拟仪器LabVIEW的智能万用表适用于实验室内，这样可以节省买传统万用表的资金，通过外部转换电路和放大处理电路的调整可以任意改变电压、电流、电阻的采集量程，是一个操作性强、实用性大的虚拟仪器。

（作者单位：广西大学行健文理学院）

广西大学行健文理学院，自然科学类项目，编号为2012ZKLX03