摘 要：針對傳統RLC參數測量儀器的不足加以改進，利用計算機的硬件資源結合圖形化編程語言LABVIEW，設計了虛擬RLC參數自動測量系統。介紹了測量系統的基本組成框圖和軟件設計方法，重點介紹了基于PCI總線的RLC元件參數測量板卡的設計。該RLC參數自動測量系統在測量時由PC機自動換擋，實現了測量系統的智能化。 關鍵詞：虛擬儀器，PCI總線，LabWindows/CVI， CPLD [b][align=center]The Automatic Measurement System of RLC Parameter based on Virtual Instrument SUN Hong-bing[/align][/b] Abstract: By improve the performance of the traditional RLC parameter measurement system, an RLC parameter automatic measurement system is designed using computer hardware and LABVIEW. The design method of the hardware and the software of the system are presented. And the design method of the RLC parameter measurement card based on PCI is introduced. The RLC automatic measurement system can shift gears automatically by computer, and has realized the measuring appliance intellectualization. Keywords: Virtual Instrument, PCI bus, LabWindows/CVI, CPLD 1.引言： 　　RLC元件參數測量儀器是用于測量集中參數電阻R、電感L、互感M、電容C和品質因數Q的測量儀器。傳統RLC參數測量儀器，如各種交流電橋，在測量電阻、電感、電橋等元件參數時需要人工換擋調節，依靠技術人員觀測電橋是否平衡來加以判斷，進而得到待測R、L、C等元件的各種參數，需要反復調節，且測量精度帶有一定的人為因素，誤差較大。隨著計算機技術的發展及儀器技術的不斷進步，儀器逐步向智能化、自動化、虛擬化發展。國外已有RLC自動測試儀器產品，但體積很大、價格昂貴[1,2]。本文利用CPLD芯片及PCI接口芯片設計基于PCI總線的RLC元件參數自動測量系統，使用LabWindows/CVI作軟件開發平臺，使系統體積小、價格便宜、升級方便，而且具有良好的人機交互界面。 2.測量原理 　　測量電阻、電感、電橋等元件的參數主要有三種方法：電橋法，諧振法，伏安法。電橋法及諧振法主要是利用偏差測量原理，需要技術人員反復調節，難以實現自動測量。伏安法測量來源于阻抗的定義，即若已知流經被測阻抗的矢量電流并測得被測阻抗兩端的電壓，則通過比率便可得到被測阻抗的矢量。顯然要實現這種方法，必須借助計算機進行矢量測量及除法運算。伏安法有固定軸法和自由軸法兩種，固定軸法對硬件要求很高并且存在同相誤差，已很少使用，而自由軸法借助于計算機在RLC元件參數測量中得到了廣泛的應用。自由軸法測量RLC參數的原理如圖1所示。被測阻抗ZX兩端的電壓Ux與標準阻抗ZS兩端的電壓Us的關系可用圖2表示。可見，只要分別測得UX，US在直角坐標軸上的兩個投影值，由式（1）即可求得被測阻抗ZX[2]。 [align=center] 圖1 測量原理示意圖[/align] 　　 （1） 　　式中，e為A/D轉換器的刻度系數，即每個數字所代表的電壓值;Ni為Ui對應的數字量（i=1,2,3,4），其中,Ni是Ui通過積分式A/D轉換器而得到的，ZS一般采用標準電阻RS。 3.測量系統硬件設計 　　根據上述原理，設計的RLC參數自動測量系統的組成框圖如圖1所示。圖中所示各部分出計算機外所有部分都做到一塊板卡上，這是一個基于PCI總線的RLC元件參數測量板卡，主要由PCI接口電路、A/D轉換電路、正弦信號發生器、基準相位發生器及鑒相電路等組成。 [align=center] 圖2 測量系統原理框圖[/align] 　　3.1 PCI接口電路設計 　　PCI總線是微型機上的處理器/存儲器與外圍控制部件、外圍附加卡之間的互連結構。考慮到元器件參數測量控制邏輯的復雜性和為今后進一步增加功能留下余量，選擇主設備接口芯片PLX9054，內部集成了PCI接口芯片（9054）、SDRAM控制器、RISC CPU，利用它可以迅速地實現基于其它總線（如ISA）的設計轉換到基于PCI總線的設計，也可以加快基于PCI總線的系統設計，為儀器的虛擬化、集成化提供極大的方便。同時利用isp2128芯片來完成分頻器、計數器（用于產生各ROM的尋址信號）以及其它的一部分控制功能。設計的電路如圖3所示。 [align=center] 圖3 PCI9054與局部總線接口[/align] 　　3.2 正弦信號發生器及鑒相電路設計 　　由測量原理可知儀器的工作頻率直接影響測量精度。因此要求測試信號源頻率精確度、頻譜純度和幅值穩定度都要高，鑒相電路還要求信號源頻率和相位基準信號的頻率嚴格同步，因此正弦信號源與基準相位發生器在電路上是密切相關的。目前信號源電路多采用DDS技術，先用數字合成的方法產生一個周期的正弦曲線采樣點存放在ROM（圖2中正弦ROM）中，每一個存儲單元存儲的樣點數據與地址之間的關系和時間軸與正弦波的正弦幅值的關系是一致的。這樣，當按順序逐單元讀出ROM的樣點數據就能得到量化了的正弦曲線，若周期地重復這一過程，并經D/A轉換與平滑濾波后輸出，就可得到連續的正弦信號。相位基準的產生和信號的產生原理是一致的，把用于產生基準相位信號的數據存入基準相位ROM（圖2所示）。基準相位ROM和正弦ROM的區別在于：基準相位ROM內存放的不是一個周期的正弦采樣點值而是4組相位分別相差90°的正弦信號采樣值，用6路信號進行尋址，輸出信號送到乘法型D/A轉換器，被測信號加到參考電壓VREF端。這樣，產生測試信號的同時也產生了同頻率的基準相位信號。在 D/A轉換器內部，通過基準相位信號和被測信號相乘，實現了數字全波鑒相。 　　3.3 控制部分及系統工作過程 　　在設計中所完成的邏輯控制可分為三部分：測試信號發生功能部分、數據產生部分和邏輯控制部分，控制邏輯由ISP2128完成。ISP2128是LATTICE公司的可編程邏輯器件，內有128個寄存器，6000個PLD門。設計時采用原理圖和VHDL語言混合的方式，將所要實現的功能分為若干子摸塊。每個子模塊由VHDL語言編程實現，然后用原理圖的方式將其進行綜合，進而實現設計功能。操作者通過計算機選擇測試信號的頻率、切換檔位。這樣，板卡和計算機之間的數據交換就分成三部分：（1）用于控制測試信號的信號由計算機送入板卡。（2）板卡進行一次測量所得的數據由板卡送入計算機。（3）用于板卡、計算機間數據傳送的握手信號。PCI9054的工作過程為：將控制信號送給測量電路，測量電路接到信號后開始測量。每測出一個結果，都通過PCI9054在PCI總線產生中斷。計算機響應中斷，通過PCI9054讀取測量結果。直到將8組測試數據全部送給計算機，一次測量就完成了。計算機讀取的數據就是Ni，通過應用程序可算出所需的R、L、C、Q等參數。 4 系統軟件設計 　　測量系統硬件部分設計完成后，還需要編制相應的PCI板卡驅動程序和測量應用程序。 　　4.1驅動程序的設計 　　驅動程序建立計算機和板卡間的數據、命令傳送。設計時利用DDK和DriverStudio開發PCI板卡的驅動程序。根據設置向導先選擇WDM選項，再選擇PCI總線類型，為板卡分配中斷號和內存對象。至于所分配的具體的內存位置和中斷號并不需要指明，因為在即插即用的驅動程序中，具體的內存位置和中斷號由操作系統在系統啟動時分配。而內存的范圍則在測量板卡上的配置寄存器中設置[3,4]。按步驟完成向導的設置工作之后，就生成了驅動程序的基本框架，包括：內存對象、中斷對象、中斷處理例程、讀/寫例程等。讀/寫例程是設備驅動程序處理用戶的讀請求和寫請求的例程，是該驅動程序的核心。用于響應用戶的讀/寫請求，將數據寫入用戶緩沖區，以及其它的一些控制等。讀/寫例程的編寫采用了設備驅動程序中常用的技術—序列化I/O請求。 　　4.2 應用程序的設計 　　系統開發時選用LabWindows/CVI為主開發平臺，這是NI公司開發的基于標準C語言的虛擬儀器開發環境，具有良好的用戶界面[5]。系統軟件采用模塊化設計，主要包括用戶界面設計（儀器軟面板）、應用程序與驅動程序接口、數據讀取與處理、結果輸出與顯示等。系統操作界面（儀器軟面板）是人機交互的主要途徑，好的操作界面可以使用戶方便、直觀地操作測量系統，可以通過該界面及時獲取測量結果[6]。本系統設計的操作界面如圖4所示。 　　在編寫軟件時要實現LabWindows對板卡的訪問，首先要實現LabWindows與設備驅動程序的接口，為此需將DDK中的文件Setupapi.h和Setupapi.lib文件導入項目中。數據讀取與處理部分根據面板上的按鈕，進行測量頻率、元器件性質和量程選擇調用不同的函數，對讀入的數據進行計算，并將處理的結果在儀器面板上顯示。 [align=center] 圖4虛擬面板[/align] 5 結束語 　　本文設計的RLC元件參數測量系統，由于采用了PCI9054接口芯片，簡化了PCI總線方面的設計，同時將信號發生部分和控制部分全部放入CPLD芯片ISP2128中，節約了板卡空間，提高了信號源的質量。另外虛擬儀器開發軟件LabWindows的使用，使系統的信號處理能力得到了提高，也為系統后期升級提供了方便。采用以上措施研制出的測量系統具有自動化、智能化程度高，開發成本低，開發周期短等優點，可以實時在線測量RLC的元件參數。使用虛擬儀器逐步代替傳統儀器已經成為測試領域發展的趨勢，在實際應用中，要根據具體情況進行程序的優化和軟硬件的結合，使虛擬儀器發揮更高的性能。 　　本文作者創新點：采用了先進的測量原理，并利用PCI9054芯片設計PCI接口電路，用CPLD芯片ISP2128產生分頻信號及相關功能模塊的控制信號，設計方法獨特，有效簡化了電路設計，提高了可靠性，可長期測量，無須專門調校。 參考文獻 　　[1] 李貴山，戚德虎.PCI局部總線開發指南[M].西安電子科技大學出版社,1997,西安， 13-20 　　[2] 李念強,經亞枝.一種新型RLC數字電橋的研究.南京航空航天大學學報[J].2001.10:490-494 　　[3] 王磊,袁慎芳.基于虛擬儀器技術的復合材料損傷實時監測系統軟件開發. 傳感技術學報[J].2002,12:318-321 　　[4] 江偉,袁芳.基于虛擬儀器技術的振動測試系統的設計[J]. 微計算機信息,2006.10 　　[5] 姚衛新. 基于虛擬儀器概念的多功能液位顯示儀的開發方法[J].計算機應用研究,2002.4:114-117 　　[6] 陳希林,肖明清.一種LabWindvws/CVI與MATLAB混合編程的實現方法[J].微計算機信息,2005,21（1）:43-44.