基于LabVIEW的3146A多功能测量系统开发

张凯宇， 范艾杰， 蔡志明， 赵茂章， 顾大伟

(南京工业大学 应用物理系，江苏 南京 211800)



基于LabVIEW的3146A多功能测量系统开发

张凯宇， 范艾杰， 蔡志明， 赵茂章， 顾大伟

(南京工业大学 应用物理系，江苏 南京 211800)

设计了一套基于虚拟仪器软件LabVIEW的ESCORT-3146A台式数字万用表多功能测量系统。该系统中3146A台式数字万用表与计算机的通讯功能是利用LabVIEW中的串口通讯函数与子VI进行开发的，采用USB串口线实现计算机USB端口与3146A台式数字万用表RS232端口的物理连接。在集成3146A台式数字万用表前面板测量功能的基础上，测量系统增加了图形化显示测量数据，采样周期自由设定，海量数据存储等功能。利用3146A台式数字万用表四线制测量电阻的功能，该测量系统还可以配合PT100进行精密测温，测量范围为0～200℃，测温精度达到0.023 ℃。

台式数字万用表； labVIEW； 串口通讯； 精密测温

0 引 言

数字万用仪表具有即时测量，数字化显示测量结果等功能，在实验室、生产线、维修现场等场合有着广泛的应用[1-2]。ESCORT-3146A台式数字万用表(3146A)是台湾富贵电子工业股份有限公司生产的1台5 1/2位双显示台式数字万用表，相较于同类型的安捷伦、吉时利等品牌仪表具有较高的功能价格比。该仪表可通过RS232接口(标准配件)或选购配备的IEEE-448接口(可选配件)与计算机实现连接，利用Quick BASIC或Turbo C等软件在计算机上编写操作程序对仪表进行控制，实现仪表的自动测量[3]。本文采用LabVIEW进行程序开发，与Quick BASIC或Turbo C等软件相比，LabVIEW具有流程图式的开发模式，程序编写过程便捷，控件选择丰富多样，程序框图清晰直观[4]。

本文设计的3146A多功能测量系统，通过LabVIEW编写的程序实现了PC端控制操作，在程序界面实现3146A的前面板功能，可以图形化实时显示测量数据，能够便捷的存储测量数据。在4线制测量电阻功能的基础上，增加了利用PT100进行精密测温的功能。

1 利用LabVIEW实现PC与3146A通讯

串口通信是指外接设备和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式[8]。通常利用计算机COM口通过串口线与3146A的RS232接口相连接，实现数据传输。由于目前PC机COM口较少，本文采用了USB串口线实现3146A与PC的物理连接，该数据线具有USB转COM口功能，可将PC端的USB接口转换为虚拟COM口。多次试验表明USB串口线与LabVIEW具有很好的兼容性，不同类型的USB串口线均可以在LabVIEW中顺利使用。USB串口线与PC连接后，在计算机设备管理器内可看到增加了一个COM4端口。

1.1 串口通讯程序

LabVIEW 中使用标准的输入/ 输出应用程序编程接口(Virtual Instrument Software Architecture,VISA)完成仪器的控制，VISA 是对其他总线驱动函数进行的一个统一封装的高层API[9]。LabVIEW 内置了8 个串口VI和函数，可以分别实现串口初始化、串口写入、串口读取、检测串口缓存、中断以及关闭串口等功能[10-13]。图1为3146A多功能测量系统程序中涉及串口通讯的程序框图，该部分按功能可分为四个模块：串口初始化模块、串口写入模块、串口读取模块、串口关闭模块。

图1 测量数据读取程序框图

串口初始化模块主要由“VISA Configure Serial Port”子VI完成，将VISA资源名称指定的串口(COM4口)按特定设置初始化。“波特率”设为默认值9600；“数据比特”为输入数据的位数，设置值为8；奇偶校验的默认值为(0：无)。

串口写入模块主要由“VISA Write”函数完成，图1所示的测量值读取程序框图中将字符串“R1”(RS232指令中的查询指令)通过“write buffer”传递给“VISA Write”函数，实现在3146A主显示屏显示当前读数的功能。

串口读取模块主要由“VISA Read”函数完成，从VISA资源名称所指定的设备或接口中读取指定数量的字节，并将测量数据返回至读取缓冲区。如图设置字节总数为800，将3146A测量所得数据通过该函数“read buffer”进行读取。由于函数所得测量数据类型为字符串型，通过“分数/指数字符串至数值转换”函数将其转换为相应数值并实时显示在显示控件中。

串口关闭模块主要由“VISA Close”函数完成，关闭VISA资源名称指定的设备会话句柄或事件对象。

1.2 指令语法

3146A根据程序写入缓冲区的指令实现相应功能。此处以指令语法S1为例进行介绍，其中三种参数被用来设定主显示屏幕的测量功能、量程、测量速度：为指定测量功能，为指定量程，为指定测量速度。具体S1指令语法参数见表1。

2 3146A多功能测量系统程序

程序分为前面板操作界面与程序框图界面，操作界面包含3146A的前面板功能，同时增设图形化显示、数据存储、测量量程提示等功能。3146A多功能测量系统程序的开发主要分为3部分：生成测量指令并写入仪器，数字化与图形化显示实时测量数据，测量数据存储。

表1 S1指令语法与参数说明

2.1 生成测量指令并写入仪器

图2为生成测量指令部分所对应的前面板操作界面，其中测量选项下拉列表共有12种测量方式以供选择。通过测量选项，档位选择和量程选项的设置，可以生成不同的测量指令。

图2 测量功能选择界面

3146A测量系统测量指令生成程序框图(图3)中利用了多层case结构，各包含多个分支，根据表1的指令语法规则，可以生成不同的指令以实现不同测量功能。例如：当测量系统在自动量程下S档(慢速档)测量直流电压(VDC)时，程序通过框图中的case结构，分别生成字符串“S”、“S10”和“0”，利用“连接字符串”函数组成字符串“S100S”作为测量指令，通过“初始化”子VI写入3146A中。

图3 测量指令生成程序框图

2.2 实时数据显示

数据显示部分程序框图如图4，主要通过“创建波形”函数与“波形图表”实现。利用在定时循环上放置移位寄存器，将实时的测量值通过“创建数组”函数组成一维数组创建波形函数，最后将生成的波形数据传递给波形图表实现测量数据的图形化实时显示。通过改变定时循环周期可实现对采样率的控制。

2.3 数据存储

LabVIEW提供了丰富的控件和子VI选择，利用LabVIEW基础软件包内“写入测量文件”子VI可将测量数据进行保存(见图5)。将图4程序框图中已用时间与测量数据以两个一维数组形式通过“创建数组”函数构成二维数组在前面板显示，同时将两个一维数组数据类型分别转换为动态数据类型，合并信号后传递给“写入测量文件”子VI。

3 3146A精密测温功能的实现

3146A具有5位半的高测量精度，能够采用二线制与四线制测量电阻值。四线制在测量电阻的过程中减小了接触电阻和导线电阻对测量结果的影响，具有灵敏度高、测量准确、方法巧妙等特点[14-15]。本文在3146A多功能测量系统程序中增设了利用Pt100实现精密测温的功能。Pt100是用高纯度的铂镍合金制成的温度传感器，一般使用测温范围为-50～200 ℃，在该温区Pt100的阻值与温度之间有着很好的线性关系，是一种常用的温度传感器[16]。本文设计的测量系统在四线制测电阻的基础上，将测得的Pt100电阻值利用“公式节点”中的电阻值与温度值的关系式转换为温度值。Pt100在0～200 ℃的温区范围内对应的阻值变化为100～175.86 Ω，选取3146A在1.2 kΩ量程档使用四线法进行测量时可达到0.01Ω的测量精度，不考虑其他因素的影响，系统相应的测温精度可达0.023 ℃，与普通的Pt100温度变送器相比，具有极高的测温精度。利用3146A电压、电流、电阻值的测量功能，配备其它类型的传感器后还可以在系统中方便地增加压力、距离、湿度等参数的测量功能。

图4 数据实时显示程序框图

图5 数据储存与存档程序框图

4 结 语

以3146A为代表的台式数字万用表测量功能丰富，使用范围广泛。利用LabVIEW对这类仪表进行二次开发，开发过程直观便捷，开发系统可供选择的控件与函数等丰富多样，可以方便地扩展仪表功能，利于仪表更灵活的运用。本文开发的测量系统通过USB串口线实现PC与3146A的通讯连接，在程序操作界面再现了3146A的前面板功能，同时集成了图形化实时显示测量数据以及海量数据存储等功能。在四线制测量Pt100电阻的基础上，测量系统增加了精密测温的功能，测量范围为0～200 ℃，测温精度达到0.023 ℃。

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Development of 3146A Multi-function Measurement System Based on LabVIEW

ZHANGKai-yu，FANAi-jie，CAIZhi-ming，ZHAOMao-zhang，GUDa-wei

(Department of Applied Physics， NanJing Tech University， Nanjing 211800， China)

By using the virtual instrument software LabVIEW, a multi-functional measurment system was designed based on ESCORT-3146A bench-type digital multimeter (DMM). The function of communication between PC and 3146A DMM was achieved by LabVIEW’s serial communication functions and sub VI. Physical connections between USB port of PC and RS232 port of 3146A DMM were realized with USB serial port line. On the basis of the integration of the front panel measuring functions of 3146A DMM, the additional functions were added to the measurement system, such as graphical displaying of measurement data, sampling period setting, massive data storage. Using the four-wire method of resistance measurement, this measurement system could coordinate with PT100 for precise temperature measurement, with measurement range of 0-200℃ and temperature measurement precision reached 0.023℃.

bench-type digital multimeter； labVIEW； serial port communication； precision temperature measurement

2015-05-26

江苏省大学生创新创业训练计划项目

张凯宇(1993-)，男，江苏苏州人，本科生，研究方向：虚拟仪器技术。

顾大伟(1978-)，男，江苏江阴人，讲师，研究方向：虚拟仪器技术，新型储能器件。

Tel.：025-58139534；E-mail：dwgu@njtech.edu.cn

TM932；TP274+.2

A

1006-7167(2016)01-0121-04