（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器技术的112数字万用表研制.pdf

哈尔滨理工大学硕上学位论文 基于虚拟仪器技术的5 数字万用表研制 摘要 随着计算机技术、微电子技术和通讯技术的迅速发展，仪器工业正在经 历一场巨变。借助于计算机辅助测试的虚拟仪器设计思想在测试设备的研发 中得到了广泛应用。本课题基于虚拟仪器技术，对5 数字万用表进行了研 究。万用表是电子测量中的最基本工具，区别于传统的模拟万用表，数字万 用表是通过测量线路将被测的模拟量，经过a d 转换电路将模拟量转换为 数字量，并通过数码显示器显示出来。而基于虚拟技术的数字万用表则最大 限度的用计算机软件来代替硬件，不仅实现了传统数字万用表的功能，而且 利用功能强大的微型计算机来完成信号的分析、处理及显示。计算机功能最 大化地服务于虚拟仪器，使仪器功能得到充分发展和完善； 本文首先对仪器仪表的发展历程进行了简单总结，介绍了虚拟仪器的基 本概念，分析了虚拟仪器较之于传统仪器的的特点和优势，在此基础上说明 了本课题的研究内容及意义。基于虚拟仪器思想，提出了5 数字万用表整 体方案。随后，本文从软件实现方案和硬件实现方案两个方面进行了展开。 在硬件实现方案中，设计了基于c y 7 c 6 8 0 1 3 的数据采集卡和信号调理模 块。其中，数据采集卡包括a d 转换和u s b 接口功能，信号调理模块包括 电压宽量程测量方案，交流电压的对数反对数原理真有效值测量方案，以及 电阻测量方案等。在软件实现方案中研究了驱动程序的开发、固件自动下载 程序和应用程序的设计。其中，驱动程序和固件自动下载程序则实现了 u s b 硬件接口的即插即用，应用程序则实现了包括对数据的分析处理以及 显示保存等。 该数字万用表能够测量直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电 阻等，达到设计要求。只操作鼠标和键盘就达到对仪器的操作，并能在显示 器上以传统仪器的形式显示，并具有自动量程、自动校准以及选择记录等功 能。 关键词虚拟仪器；5 k 数字万用表；u s b ；v i s u a lc + + 哈尔滨理t 大学硕士学位论文 d e s i g no f 5 1 ad i g i t a lm u l t i m e t e rb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , e q u i p m e n ti n d u s t r yi su n d e r g o i n gag r e a tc h a n g e t h e r e f o r e ，t h ei d e a o fc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，v i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di n d e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n go ft e s t i n gi n s t r u m e n t s b a s e do nt h et h e o r yo fv i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n t h i st h e s i ss t u d i e do n5 d i g i t a lm u l t i m e t e r m u l t i m e t e ri si n c o m m o nu s ei nt h ee l e c t r o nm e a s u r e m e n t d i f f e r e n tf r o ma n a l o gm u l t i m e t e r , d i g i t a lm u l t i m e t e rt r a n s f e ra n a l o gs i g n a li n t od i g i t a ls i g n a lw i t h dv i ac i r c u i t a n dd i s p l a y e dw i t hl c ds t y l e v i r t u a lm u l t i m e t e rn o to n l yr e a l i z et h ef u n c t i o no f t r a d i t i o n a lm u l t i m e t e rb u ta l s oi n c l u d ea n a l y s e ，d e a lw i t ha n dm o n i t o rd i s p l a y , m a k et h eb e s tu s eo fc o m p u t e rt os e r v ev i r t u a lm u l t i m e t e r f i r s t l y , c o n c l u d et h eh i s t o r yo fa p p a r a t u s ，i n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p ta n d t h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a l i n s t r u m e n ta n dc o m p a r e dw i t ht r a d i o n a l i n s t r u m e n t ， a n a l y s et h es t r o n g p o i n ta n dt h es h o r t c o m i n go fd m ma n dv o m b a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n tc o n c e p tw ep r o p o s e dt h ew h o l es c h e m eo f5 d i g i t a l m u l t i m e t e r t h e nt h ea r t i c l ed e t a i l e dd e s c r i b e dt h es c h e m es e p a r a t e l yf r o m h a r d w a r ea n ds o f t w a r e w e d e s i g n e d d a t a a c q u i s i t i o n m o d u l eb a e do n c y 7 c 6 8 0 1 3 ，s i g n a la d j u s t m e n tm o d u l e t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l er e a l i z e sa d t r a n s f c l r n la n du s bi n t e r f a c e t h es i g n a lu a n s f o r i l li n c l u d ew i d er a n g ed c v o l t a g em e a s u r e m e n ta n dl o ga n da n t i - l o gt r u e 剐m sa c d cc o n v e r s i o ns c h e m e i nt h es o f t w a r ep r o g r a mi n c l u d eh a r d w a r ed r i v e r s ，f i r m w a r ea u t o m a t i c a l l y d o w n l o a dp r o c e d u r e sa n da p p l i c a t i o nw i n d o wd e s i g n a m o n gt h e m ，t h ed r i v e r s a n df i r m w a r ed o w n l o a dp r o c e d u r e sr e a l i z eu s bi n t e r f a c e p l u g - - a n d p l a y , a p p l i c a t i o nw i n d o wr e a l i z ed a t aa n a l y s i s ，m a n a g e m e n t ，d i s p l a ys a v e t h em u l t i m e t e rc o u l dm e a s u r ev o l td c ，v o l ta c ，c u r r e n td c ，c u r r e n t a c ，r e s i s t a n c ew i t haw i d es c o p ea n dh i g hp r e c i s i o n i tc a nd i s p l a yv i am o n i t o r i i - 哈尔滨理t 大学硕士学位论文 w i t ht h ef u n c t i o n so fi n i t i a l i z e ds e l f - c a l i b r a t i o n ，a u t o r a n g ea n do v e r l o a d p r o t e c t i o na n ds e l e c t i v i t yr e c o r d k e y w o r d s v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，5 l kd i g i t a lm u l t i m e t e r , u s b ，v i s u a lc + + i i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于虚拟仪器技术的5 数字万用表研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 储签名。尹至乏日期：唧年7 肌日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于虚拟仪器技术的5 数字万用表研制系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨 理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保姐 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 萄三窆 l 治彬 日期：阳可年月弘日 日期：弘爿年? 月沙日 哈尔滨理t 大学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 当代仪器仪表的发展趋势 测试测量仪器的发展经历了4 个阶段。 1 模拟仪器2 0 世纪初5 0 年代，随着电子管、晶体管等电子器件出 现，同时测试、测量的理论和方法与新兴的电子技术、控制技术相结合，出现 了电子仪器仪表。典型的仪表有：记录仪、电子示波器、信号发生器等为代表 的模拟式电子仪器。 2 数字仪器随着晶体管与集成电路的出现，数字技术在测试测量中获得 了成功的应用。2 0 世纪5 0 6 0 年代出现了数字式仪表。数字仪表是测量模拟 信号后将其转变为数字信号，并将其以数字形式显示和输出测量结果。典型的 仪表有：数字电压表、数字电流表、数字频率计、数显表、记忆示波器等等。 3 智能仪器随着微电子技术的发展，微处理芯片的集成度越来越高，这 些都对传统的电子仪器带来了巨大的冲击和影响，单片微型计算机( 简称单片 机) 自2 0 世纪7 0 年代出现不久，就被引入仪器仪表领域。在数字仪器中置入 微处理器( 即单片机) ，将计算机技术与仪器仪表技术紧密结合，使仪器具有数 据存储、数据处理( 运算) 、逻辑判断、自动选程、自动补偿、仪器自检等功 能，从而部分取代人脑的工作，这类仪器为智能仪器【1 1 。 这类把计算机技术和仪器技术结合的智能仪器，己经成为现代仪器仪表的 主流。但是应该看到智能仪器功能模块主要还是硬件和固化封闭性和缺乏灵活 性等传统仪器的缺点。因此，一种新的仪器模式不仅成为仪器仪表领域中的需 要，而且呼之欲出。 4 虚拟仪器2 0 世纪8 0 年代，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s c o r p 简称n i ) 首先提出虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 概念【2 1 。虚拟仪 器是由计算机硬件资源，模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用 户界面的软件组成的测控系统，是以计算机作为仪器的统一硬件平台，充分利 用计算机独立的运算、存储、调用、显示、以及文件管理等智能化的功能，同 时把传统仪器的专业化功能和面板控制软件化，使之与计算机融为一体。这样 便构成了一台从外观到功能都与传统硬件仪器相同，同时又充分利用了计算机 智能资源的全新的仪器系统。 哈尔滨理t 大学硕士学位论文 1 2 虚拟仪器概述 虚拟仪器技术目前得到了迅速的发展。本节对虚拟仪器技术作简要介绍， 包括虚拟仪器的概念、系统构成、软件系统框架等。 1 2 1 虚拟仪器基本概念 n i 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，用“软件就是仪 器【3 】来表达虚拟仪器的特征。它是以通用计算机作为系统控制器，由软件来 实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器概念是对传 统仪器概念的重大突破，它的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。 1 2 2 虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。如图1 1 所示是虚拟仪器系统的框架 图。 + 一信号调理卜叫。数据采集卡卜+ - - f 图形采集仪器 j 测 控 + 一g p i b 接口仪器及接口卡卜一 计算机，工 对 象 作站( 各 类软件) 并口仪器 u s b 仪器 一 一f甘触沿殳触巽 一一 一 一i 头i 巴双佾以研 j 一 一 图1 - 1 虚拟仪器系统框图 f i g 1 1b l o c kd i a g r a mo f v i r t u a li n s t r u m e n t 虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机。为计算机配置的 电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字转换器( a d c ) 、 数字模拟转换器( d a c ) 、数据采集- 器( d a q ) 等。电子计算机及其配置的电子测 哈尔滨理t 大学硕士学位论文 量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开 发厂家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。 1 2 3 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点： 软件是核心n l 公司提出的“软件即仪器( t h es o t f w a e ri st h ei n s u r t m e n t ) 是这一特点的形象概括。 灵活性和可扩展性仪器可以根据不断变化的需求，方便灵活的重组系 统，以充分满足用户在不同场合的应用需求。 性价比高由于虚拟仪器的很多功能由软件实现，减少了自动测试系统的 硬件环节，降低了系统的开发成本和维护成本。 良好的人机界面虚拟仪器的操控界面称为软面板，可以模拟传统仪器面 板的设计风格来设计，也可以由用户根据实际需要定制。测量结果可以通过计 算机屏幕以曲线、图形、数据表格等形式显利4 1 。 与其他设备互联的能力虚拟仪器通常具备标准化的总线或通信接口，具 有与其他设备互联的能力。概括起来，传统仪器与虚拟仪器系统的性能差别可 以用表1 1 来描述。 表1 1 虚拟仪器和传统仪器的比较 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o no f v ia n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 比较项目虚拟仪器 传统仪器 功能由用户定义，功能多由仪器厂家定义，功能较少 关键部分 软件 硬件 计算机读数、分析处理； 数据采集和处理 人工读数，数据可编辑、存 人工读数，无法编辑 储、打印 智能化程度高低 技术更新周期技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 - - , 1 0 年) 开发和维护费用低高 价格低廉 昂贵 开放程度 开放灵活与计算机同步，可重 复使用和配置 固定 与其他设备连接可用网络联络周边各仪器 只可连有限的设备 1 2 4 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器技术利用了飞速发展的计算机技术，虚拟仪器技术的发展也需要 - 3 哈尔滨理工大学硕士学位论文 依靠计算机技术的发展。i t 产业的特征决定了虚拟仪器技术必须走标准化、开 放性这条技术路线。具体来说，虚拟仪器技术目前正沿着总线与驱动程序标准 化、硬软件模块化、软件开发平台的图形化和硬件模块的即插即用的方向发 展。 随着通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 成为计算机的基本配置，u s b 技术必将有力的推动虚拟仪器的发展。一是因为虚拟仪器系统不像其他总线形 式需要特定机箱，而是常采用最常见的p c 机，这就意味着虚拟仪器可以得到 普遍推广和使用。二是因为由于u s b 总线的巨大优势得到了众商家的广泛支 持，前置u s b 接口几乎已经成为机箱的标准配置。u s b 总线支持带电插拔， 即插即用，无须外接电源，传输速率快，并被w i n d o w s 操作系统广泛支持等 优点，为自动测试系统提供了一种理想的组建方式，无疑将成为构建虚拟仪器 最为理想的方案【5 i 。 虚拟仪器的研究和开发在国内尚属起步阶段。从9 0 年代中期开始来，我 国的测试仪器科研工作者根据各自研究的方向和特点才对虚拟仪器的概念、软 硬件平台、设计方法等进行了研究和探讨。北京普源精电科技公司在国内虚拟 仪器领域先后推出v s 5 0 0 0 系列虚拟示波器和v m 3 0 0 0 系列数字万用表，具有 国际领先水平。另外在国内己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，一批 新的虚拟仪器系统用于教学和科研。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐 步取代传统的测量测试仪器而成为仪器行业的主流。虚拟仪器技术的提出和发 展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域发展的一个重要方向，也 为我国在测试领域的发展带来了前所未有的机遇。 1 3 国内外数字万用表发展及现状 万用表经历了从指针式电磁仪表到数字式智能仪表的发展历程。 连续变化的物理量称为模拟量。指针式电磁仪表的指针偏转可随时间作连 续变化，并与输入量的模拟量保持一种对应关系，故称之为模拟式万用表 ( v o m ) 。其测量原理是通过测量线路将被测电量( v 、i 、r 等) 都转换成直流 电流信号，利用一只灵敏的磁电式直流电流表( 微安表) 做表头，使磁电式表头 的指针偏转某一角度，它能够连续指示某一物理量在一定范围之内的量值。 如图l - 2 所示，模拟万用表主要由转换开关、测量线路、磁电式表头等构 成 6 1 。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 图l - 2 模拟万用表的构成 f i g 1 - 2c o m p o s i t i o no fv o m 数字万用表( d m m ) 是采用数字化测量技术，把模拟量转换为数字量，将被 测电量均转换成电压信号，并以数字形式加以显示。数字万用表是在直流数字 电压表( d v m ) 或数字面板表( d p m ) 的基础上扩展而成的。d v m 主要由a d 转换器、计数器、译码显示器和控制器等组成。在直流数字电压表( d v m ) 基 础上，利用交流直流( a c d c ) 转换器、电流电压( i v ) 转换器、电阻电压( q v ) 转换器，就可以把被测电量转换成直流电压信号，结构图如1 3 。 图1 - 3 数字万用表的构成 f i g 1 3c o m p o s i t i o no fd m m 哈尔滨理工大学硕上学位论文 下面是万用表技术指标数字式与指针式万用表【7 i 的对比： 结构数字万用表采用大规模集成电路，l c d 显示，线路比较复杂，但机 械结构简单，便于维修。模拟万用表采用分立元件和磁电式表头组成各种测量 线路，线路简单，但机械结构较复杂。 显示与读数数字万用表采用数字显示，读数直观准确，无视觉误差。模 拟万用表采用表针指示，读数不方便，有人为读数误差。 准确度准确度是测量结果中基本误差与附加误差的综合。基本误差是指 仪表在规定的正常条件下进行测量所具有的误差。它是仪表本身所固有的，是 由于结构上和制作上的不完善而产生的。附加误差是指仪表偏离规定的正常使 用条件而出现的误差。如温度、外界电磁场等不符合正常使用条件时，都会引 起附加误差。对于数字仪表，其准确度表示有两种方法： a = ( 口u ，+ b u 。) 和a = ( 口u 。+ n 个字) 。括弧内第一项代表转换器、分 压器等的综合误差，与所选择的测量对象及量程有关，是仪表的附加误差；后 一项是由于数字化处理而带来的误差。对于某块数字式仪表而言，b 值是固定 的，是仪表的基本误差。另外，n 表示由于数字化处理引起的误差反映在末位 数字上的变化量。若把n 个字的误差折台成满量程的百分数，则上述2 种表 达式是等价的。 分辨力顾名思义就是分析辨别的能力。它是指仪表对被测电量( 输入电量) 精细程度显示能力的指标。就像把一个工件的直径加工精确到0 o x m m ，使 用普通量具是无法胜任的，必须用千分尺来量度因为千分尺具备对极微小量的 辨能力。数字表的准确度要比指针表高得多。有关数字表的显示数位及相应的 分辨力指标如表1 2 所示： 表卜2 数字万用表指标表 1 a b 卜2p a r a m e t e r0 fd m m 位数显示位数分辨力最大显示数字 3 4o 11 9 9 9 4 50 o l 1 9 9 9 9 5 6 0 0 0 11 9 9 9 9 9 数字万用表的分辨力是指最低电压量程档末位一个字所对应的电压值，例 如3 数字万用表2 0 0 m v 档的最大显示值为1 9 9 9 m v ，末位上的数字1 表示 o 1 m v ，因此分辨力为0 1 m v 。模拟万用表的分辨力是在最低电压量程档按其 刻度尺最小分度衡量的，当模拟万用表在最低直流2 5 v 档时，按5 0 格计算， 其分辨力为5 0 m v ，在最低交流1 0 v 档时，其分辨力为2 0 0 m v 。可见数字万用 哈尔滨理工大学硕士学位论文 表的分辨力远远高于模拟万用表。显然，仪表的显示位数多，其分辨力就高， 但应该注意的是分辨力与准确度是两个概念。前者表征仪表与微小电量的“识 别 能力，只与仪表显示位数有关，是“虚 指标( 与测量误差无关) ；后者则 反映测量结果与真值“一致”程度，取决于a d 转换、功能转换器等误差以及 量化误差，是“实 指标，二者无必然性联系。但从仪表设计的角度来看， 分辨力应受准确度的制约。 输入阻抗数字万用表的电压灵敏度很高，其仪表的内阻很高。常用的3 数字万用表的输入电阻一般典型值为1 0 m f 2 ，交流电压档受输入电容的影响， 其输入阻抗低于直流输入电阻。模拟万用表的电压灵敏度低，仪表内阻低，各 电压档的输入电阻不等，量程愈高，输入电阻愈大。例如在电压1 0 v 档一般为 4 0 i r ，5 0 0 v 档一般为2 m o 。同一块万用表交直流档的灵敏度可不同，例如 5 0 0 型万用表直流电压档为2 0 k e f f v ，交流电压档为4 k f v v 。数字万用表电压 灵敏度高，仪表的内阻高，测量电压时从被测电路上汲取的电流就小，对被测 电路工作状态的影响比较小，从而减小了测量误差。 其他方面如测量速度、测量范围、抗干扰能力、耗电量等方面技术性能上 数字万用表也远远超过模拟万用表。尽管数字万用表也存在不足之处，如在测 量中，它不能像模拟万用表一样反映被测电量的连续变化过程以及变化的趋 势，然而由于数字万用表采用大规模集成电路，其复杂电路是在集成块内部， 而外围电路比较简单，便于装配和维修，同时具有体积小，重量轻，便于携 带，价格不高等优点，是模拟万用表所望尘莫及的。数字万用表已得到广泛的 应用，深得广大用户的喜爱，并且已占领了相当部分万用表市场，常用的有 3 位、4 位和5 位数字万用表。 数字万用表按外形又分为便携式和系统级的台式两种。当前流行的便携式 数字万用表体积小，重量轻，耗电少，适合生产车间或野外使用，一般为3 位或4 位。台式可达7 5 位或8 位，并且准确度和分辨力越来越高。一般采 用微处理器和g p i b 接口设备，在计量、科研和生产部门作为标准表和精密测 量使用。 数字万用表除了具有测量交、直流电压，交、直流电流，电阻等功能外， 还有数字计算，自检，读数保持，误差读出，二极管检测，字长选择。另外系 统级台式数字多用表一般具有可编程的g p i b 接口、r s 2 3 2 接口或u s b 接口 等功能，用于现场自动测试系统中。此外，许多产品还把频率和温度测量能力 作为标准的或可选的配置。系统级数字多用表使用微处理器控制，具有较宽的 环境适应能力和较高的安全性能，特别强调其系统操作和控制能力。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 国外主要有美国安捷伦公司，美国福禄克公司，美国吉时利公司，英国舒 力强公司，英国底特朗公司等，大部分价格昂贵。其中福禄克8 5 0 8 a 是为计量 专家提供的特别设计的、高准确度、宽测量范围的8 位半参考级台式数字多用 表，代表了数字万用表领域的最高水平。 在虚拟数字万用表领域，国外已经达到较高水平。美国n i 公司于2 0 0 8 年 3 月推出的u s b 4 0 6 5 虚拟数字万用表。该系产品附带n il a b v i e w s i g n a l e x p r e s sl e 交互式i 贝4 量软件，用户无需编程，即可快速地进行数据采 集、分析和显示。u s b 4 0 6 5 数字万用表设置分辨率为6 位时，每秒可采样 1 0 次，在低分辨率时最高可以达到每秒3 0 0 0 次采样。u s b 4 0 6 5 带士3 0 0 v 电 压隔离，可以测量高达3 a 的电流，且可以选用2 线制或4 线制测量电阻。 我国的数字万用表工业起步于2 0 世纪7 0 年代中期，先后经历了引进、发 展、技术创新这3 个阶段f 8 】。目前，我国数字万用表的产量已跃居世界首位， 每年生产近千万台中、低档数字万用表，并向1 0 0 多个国家大量出口，占世界 中、低档数字万用表总生产量的8 5 以上。在国内数字万用表生产厂家中，深 圳胜利高电子科技有限公司是最早引进数字万用表生产技术的，所开发的胜利 牌( v i c t o r ) 数字万用表不仅在国内外的市场占有率高，而且享有很高的信 誉。深圳优利德、华谊( m a s t e c h ) 、费思泰克等仪表有限公司的产品普及也 较为广泛，都具有较高水平的智能数字万用表产品。 在国内，北京普源精电科技有限公司的v m 3 0 0 0 1 9 1 系列数字万用表是集高 精度数据采集、自动测量、多通道巡检测量，多种数学变换功能，任意传感器 测量等功能于一身的虚拟数字万用表。性能上，v m 3 0 0 0 系列数字万用表达到 6 位，支持多通道巡检测量功能，用户可以通过u s b 或l a n 这些远程控制接 口下传任意编程的巡检测量方案；上位机无限测量设置任意存储深度，并可以 保存为e x c e l 或者文本文件格式；采用真r m s 交流电压和电流测量。软件 v c + + 的开发环境可以确保软件的高扩展性，安装即可使用。在使用时，只需 要简单的安装软件，即可在电脑上轻易的达到测量的目的【1 0 1 。 应当清醒地看到，虽然我国仪器仪表产业有了较大的发展，但还远远不能 满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会发展等各个方面日益增长的迫切 需求。我国仪器仪表产品大部分属于中低端产品，技术水平相当于2 0 世纪9 0 年代初中期国际水平，高端大型仪器几乎全部依赖进口。以万用表为例，中低 端数字万用表出口占据世界市场份额很大，但出口国家大部分限定在亚洲、非 洲，高端产品我们仍然从发达国家大量进口。高档、大型仪器设备几乎全部依 赖进口，中档产品以及许多关键零部件，国外公司占有国内市场6 0 以上的份 哈尔滨理工大学硕士学位论文 额，而国产仪器约占全球市场不到千分之三的份额。因此，我们应当抓住虚拟 仪器技术前所未有的机遇，努力提高我国自动测试仪器仪表的水平。 1 4 选题的意义 虚拟仪器是计算机技术在仪器领域应用中所形成的一种新型、具有强大生 命力的仪器种类。它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、处 理、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。虚拟仪器技术是测量仪 器领域内的新的变革和发光点，对它的研究符合技术发展的潮流。 虚拟仪器在国外有较好的发展，其代表公司就是美国的n i 公司。该公司 的产品包括一系列的软硬件，其虚拟仪器软件l a b v i e w 使用方便，功能强 大，是开发虚拟仪器系统不可多得的利器。但该软件只支持n i 公司自己和少 数第三方生产的数据采集卡，对于我国国内一般使用的d a q 卡都不支持。 因此，基于虚拟仪器技术研制功能齐全具有较高技术指标，且具有价格优 势的测量仪表就显得十分必要。同时，本课题作为本校虚拟仪器实验室建设中 的一部分，为虚拟仪器试验的学习与研究做好准备。本文就是在这样的背景 下，展开对虚拟数字万用表的研究的。 1 5 课题研究内容 课题以高性能个人计算机为核心，采用虚拟仪器的设计思想，设计并完成 了一款测量精度为五位半的数字万用表。 本课题研究的主要内容如下： 1 理解虚拟仪器的概念，以此提出整体方案。 2 深入研究u s b 总线协议规范和通信原理。 3 研究c y p r e s s 公司的u s b 2 0 控制芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 ，完成以其为主控芯 片进行数据采集模块和2 4 位a d 7 7 9 1 芯片为主的a d 转换模块，以及包括 a d 6 3 7 真有效值转换电路等的信号调理模块等。 4 设计软件，包括固件程序、设备下载驱动程序和i n f 文件设计以及v c 应用程序等，其中应用程序实现对采集数据的分析处理以及最终的显示和保存 等功能。 本课题分四章： 第1 章对仪器的发展历程进行了简单总结，对虚拟仪器概念进行了分析， 哈尔滨理t 大学硕上学位论文 并对虚拟仪器的结构和区别于传统仪器的特点进行了分析：对模拟万用表和数 字万用表进行了比较，并在此基础上分析了本课题的研究意义。 第2 章在前一章中虚拟仪器结构及特点基础上提出了基于虚拟仪器技术的 数字万用表的总体设计方案，包括硬件和软件总体设计方案两部分。 第3 章详细论述了数字万用表的硬件设计。 第4 章详细论述本课题的各部分软件设计，并说明了如何使用软件面板。 最后，对课题总结和展望。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 第2 章总体实现方案 2 1 课题整体功能和技术指标 本课题是本校虚拟仪器实验室建设中的一部分。 任务及功能要求：研制中档实用水平的虚拟仪器五位半数字多用表，用于 虚拟仪器实验室试验与科研。具有直流电压、直流电流、交流电压、交流电 流、电阻测量功能。 技术指标： 接口：u s b 最高直流电压准确度：读数的0 0 l + 满度的0 0 5 最高交流准确度；读数的o 1 附满度的o 0 2 ( 频率范围2 0 h z i m h z ) 最高电阻准确度：读数的o 0 5 + 满度的0 0 1 最高测量速度：1 0 0 次秒 电压分辨力：2 5 1 _ l v 2 2 硬件总体实现方案 图2 1 本课题万用表系统框图 f i g 2 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo fd e s i g n 图2 1 显示了该课题的硬件实现方案，主控芯片采用的是c y p r e s s 公司生 产的e z u s bf x 2 系列单片机c y 7 c 6 8 0 1 3 ，它是世界上第一款u s b 2 0 控制芯 哈尔滨理工大学硕士学位论文 片，支持u s b 2 0 接口总线【1 1 l 。课题中通过u s b 数据线将计算机和u s b 设备 连接，从而借助计算机丰富的软硬件资源完成数据采集与分析显示功能。为了 实现万用表五位半的精度，a d 芯片选用的是a d 7 7 9 1 ，它是2 4 位 一aa d c ，封装为1 0 脚m s o p 。通过主控芯片i o 口模拟s p i 总线与 a d 7 7 9 1 通信，数据输到主控芯片内部的从f i f o 内，并以d m a 的方式传输给 计算机。 2 3 软件总体设计方案 图2 2 显示了软件设计的总体结构：通过客户软件调用驱动程序，在主机 软硬件资源的辅助下实现与固件程序的通信，即实现了计算机与设备的通信。 本课题的软件设计主要包括客户软件、驱动程序和固件程序的设计。另外，本 课题为设备固件定制了下载驱动程序并编写了相应的i n f 文件。 图2 - 2 软件总体架构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f s o f t w a r ed e s i g n 2 3 1 固件程序总体设计 c y p r e s s 公司为了简化和加速用户使用e z - u s bf x 2 系列芯片进行u s b 外设的开发过程，在开发包里提供了一个驱动程序( e z u s b s y s ) 、应用程序以及 一个完整的固件程序框架。用户只需提供一个u s b 描述符表、添加其他端点 接收和发送数据的通信代码，以及控制外围电路的程序代码就可以完成固件程 序。图2 3 为c y p r e s s 公司提供的固件程序框架，同时也是课题的固件程序设 计总体思路【1 2 1 。 三谶 哈尔滨理工大学硕士学位论文 图2 - 3 接口固件典型流程 f i g 2 3t y p i c a lf l o wc h a r to fi n t e r f a c ef i r m w a r e 哈尔滨理工大学硕士学位论文 固件一开始对全局变量进行初始化，将位于设备外部的描述符调入到内部 r a m 中，并打开中断，进行重列举。此时，计算机将为设备配置资源，需要 进一步读取设备信息，所以向设备发送命令，设备接收到计算机的命令后加以 解析并进行相应处理，如果u s b 总线上连续3 m s 内没有任何“动作，那么设 备会自动进入到低功耗状态，直到远程唤醒信号到来设备才被唤醒，固件再次 初始化设备并执行设备功能。 2 3 2 应用软件总体设计 图2 - 4 应用软件总体设计 f i g 2 4t o t a ld e s i g no fa p p l i c a t i o np r o g r a m 哈尔滨理工大学硕士学位论文 应用软件的总体设计思想如图2 - 4 所示，程序开始初始化面板，自动监测 u s b 设备。在使用测量仪器时一般先进入校准，因为各个电脑u s b 接口的差 异以及硬件板的差异，会出现不同插入u s b 设备时引起误差，校准在程序内 部实现。校准完成后虚拟仪器就可以进入工作状态。根据面板的提示，可以选 择不同的测量，以及不同的量程。选择后应用程序就会触发调用u s b 通讯信 号，以一定的约定发送命令。下位机固件程序接受到这些命令后做出判断，进 行通道及量程的切换，把数据传送上去。应用程序接收到的数据进行处理，并 在面板上显示测量结果。有用的数据可以选择保存到t x t 文件中。 2 3 3 固件下载驱动程序开发 除了固件程序和应用程序设计外，本课题还为固件程序定制了固件下载驱 动，要开发一个完整的固件下载驱动程序是困难的工作，需要熟悉w d m 编辑 环境和熟练运用开发工具( 如v c + + 6 0 、w i n d o w s2 0 0d d k 、p l a t f o n ns d k 和 n u m e g ad r i v e r s t u d i o2 6 等) 、熟练掌握u s b 协议，并且必须具备扎实的操作 系统知识。幸运的是，c y p r e s s 公司为我们提供了一个设备驱动模板，用户不 必要从头开始编写，大大减轻了固件下载驱动程序的开发难度，固件下载驱动 设计好以后，还必须给它制作一个i n f 文件【1 3 1 1 1 4 l ，才能保证固件能够从计算机 上自动下载到设备中。具体的操作将在第四章中详细介绍。 2 4 本章小结 本章首先对课题的功能和技术指标做出说明，接着说明了课题的总体设计 方案，包括硬件和软件两方面。其中软件设计包含了驱动程序、固件程序和上 位机应用软件，课题还为固件程序开发了设备下载驱动及i n f 文件。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 3 1 硬件设计原理 第3 章硬件设计 课题采用的主控芯片为c y p r e s s 公司生产的世界上第一款u s b 2 0 控制芯 片c y 7 c 6 8 0 1 3 ，采用1 2 8 脚封装，i o 口资源丰富。它与计算机通过u s b 总 线相连，使得设备在p c 机的控制下进行被动操作。 设备采用了u s b 总线供电，u s b 总线提供的电压为5 v ，而c y 7 c 6 8 0 1 3 的工作电压为3 3 v ，为了让设备正常工作，课题中采用了电压转化控制芯片 m a x 6 0 4 作电压转化，将5 v 电压转化为3 3 v ，提供给主控芯片使用。 本设计通过1 2 c 总线为主控芯片外扩了一片e 2 p r o m ，用于存储设备的i d 号，当设备上电时，c y 7 c 6 8 0 1 3 会自动地去搜索e 2 p r o m ，并读取e 2 p r o m 中存储的i d 号执行设备列举。 主控芯片内部集成了1 个u s b 2 0 串行接口引擎( s i e ) ，它具有接收u s b 命令并能够对标准请求加以解析、收发数据、序列化数据格式和错误校验等功 能，并且内部嵌入了默认描述符。如果设备外部没有扩展程序存储器，那么设 备上电后将按照默认描述符进行列举，此时s i e 将全权处理与计算机的通信， 而不用内部的8 0 5 1 参与。这种按照默认描述符进行列举的设备被称之为预设 u s b 设备。设备进行列举后p c 机将为设备加载固件下载驱动程序，在固件下 载驱动程序的作用下将固件程序下载到设备中。此时，设备将以固件程序进行 再次列举，内核8 0 5 1 掌握了主控权，串行接口引擎s i e 只起辅助作用。 计算机与设备间除了用u s b 总线相连外，课题还采用了r s 2 3 2 串口1 连 接，固件程序也可以通过r s 2 3 2 串口1 总线进行下载和调试。串口2 的作用 是将上位机通过u s b 总线得到的消息传递给调理电路中的5 1 芯片，利用此信 息可实现调理电路中的通道选择。 为了实现万用表五位半的精度，a d 芯片选用的是a d 7 7 9 1 ，它是2 4 位 一a d c ，具有s p i 接口，封装为1 0 脚m s o p 。通过主控芯片i o 口模拟 s p i 总线与a d 7 7 9 1 通信，配置各个寄存器【”1 以适应相应的工作模式和状态。 如图3 1 描述了数字万用表的硬件设计原理。 哈尔滨理工大学硕士学位论文 图3 1 数字万用表的硬件原理图 f i g 3 lp r i n c i p l ec h a r to fd i g i t a lm u l t i m e t e rh a r d w a r e 1 7 哈尔滨理丁大学硕十学位论文 3 2 芯片的选择 3 2 1 主控芯片e z u s bf x 2 的选择 用于u s b 设备开发的芯片通常有2 种类型：一种是m c u 集成在芯片里 面，如c y p r e s s 的e z - u s b ；另一种是纯粹的u s b 接口芯片，仅处理u s b 通信，使用时必须由外部微控制器( m c u ) 进行控制，如p h i l i p s 公司的 p d i u s b d l 2 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的u s b n 9 6 0 4 t 1 6 】等。在本设计中经过 论证分析，本课题采用第一种类型，采用c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列的 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片。采用该芯片，可以占用更少的电路板空间，并缩短开发时 间。 3 2 1 1 芯片结构特点e z u s bf x 2 芯片是业界第一个支持u s b 2 0 同时向下兼 容u s b l 1 规范的单片机，其结构框图如图3 2 所示。 d + d 图3 - 2c y 7 c 6 8 0 1 3 结构框图 f i g - 3 - 2f r a m ec h a r to f c y 7 c 6 8 0 1 3 哈尔滨理工大学硕上学位论文 该芯片把u s b 2 0 收发器、串行接1 2 1 引擎s l e ( s e r i a li n t e r f a c ee n g i n e ) 、增 强的8 0 5 1 内核、1 2 c 总线接口以及通用可编程接1 2 1g p i f ( g e n e r a lp r o g r a m m a b l e i n t e r f a c e ) 集成于一体，既负责u s b 事务处理也兼具微处理器的控制功能。其 小巧的体积及较高的性能价格比，使e z u s bf x 2 芯片在海量存储