马杰1 王阳2 师旭3
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摘要：根据数字信号采集和虚似仪器设计理论,介绍了一种新型电参量数据采集系统，硬件基于单片机和FPGA，软件基于LABVIEW，通信采用串行总线USB2.0接口。该系统能实现交直流电压、电流、功率、分贝和噪声电压等电参量测量。该系统能有效的弥补传统万用表的缺点，实验证明该系统与传统数字万用表相比,丰富了测量项目并保证了测试精度。
关键词：USB2.0，LabVIEW，数据采集
0引言
数字万用表作为电子测试领域不可缺少的产品之一，应用范围广泛，但随着现代科学技术的发展和人们对数字万用表使用需求的增加，传统万用表出现很多不足：量程小、不能存储测量数据、需手动控制与测量等等[1]。
本文提出了一种新型电参量数据采集系统，硬件基于单片机和FPGA，软件基于LABVIEW，通信采用串行总线USB2.0接口。该系统能够实现交直流电压和电流、正弦交流电功率、分贝和噪声电压等电参量的测量。与传统数字万用表相比,丰富了测量项目、提高了测试效率和测试结果的准确性，保证了测试精度。
根据电子测量技术和虚拟仪器原理设计数据采集卡硬件和虚拟仪器软件界面构成的数据采集系统，实质是集前端信号采集、串行总线USB2.0接口通信和后端信号处理于一体的测试系统[2]。具有以下功能：（1）能实现双通道电压信号和电流信号的同时测量；（2）不仅能够测量电压和电流，还具有测量其他电参量的功能，如功率、噪声电压、波峰因数、波形因数等等；（3）数据显示类型分为指针式、数字式和波形图，测量结果具有直观性，同时能够实现对测量电压信号波形的存储与回放，便于后续数据的处理、分析。
1系统的总体设计
本系统采用模块化方式构建，主控制卡和模块采集卡均插在系统背板上进行数据传输，实现即插即用功能，提高了系统的灵活性与可重构性。
系统主要由数据采集、数据传输和数据处理三个部分构成，其中数据采集部分负责信号调理、信号的A/D转换以及信号测试类型设定等功能；传输部分负责将采集到的数据通过USB传输到PC机；数据处理部分负责对采集到的信号进行分析、计算，并将结果进行实时显示和存储数据处理。
上层软件采用LabVIEW语言进行编程，通过驱动把控制命令传递到主控制卡上，主控制卡与模块采集卡通过利用FPGA实现的双口RAM 保持通信、传递命令。采集到的数据存储到模块采集卡的FIFO存储器中，之后再通过背板总线把数据传送到主控制卡中，主控制卡再把数据传送到上层软件LabVIEW中，通过LabVIEW编写程序来实现对信号的分析处理[3]，完成系统的功能开发。
2基本电参量数据采集系统的硬件结构和工作原理
基本电参量采集系统硬件部分负责数据采集和数字化，由总线接口通信模块、信号调理模块、功能选择模块和A/D 转换模块四部分构成。
2.1 数据采集模块的设计
数据采集模块由量程选择电路、电压信号调理电路（隔直电路和放大电路）和电流信号调理电路（隔直电路、滤波电路和放大电路）、测量类型选择电路和A/D转换电路组成。
2.1.1 量程选择电路
电压量程选择电路如图1所示。测量200mV~20V量程需经过分压网络QR1~QR3(采用0.25％,1/4W的精密电阻)分压输入[4]，200V~1000V需先经过电压互感器（变比为100:1）之后经过QR4和 QR5 分压再输入给多路选择器[5]，CD4051为单8通道数字控制模拟电子开关，FPGA控制CD4051的地址输入端A、B、C，八种二进制组合状态用来在八个数据通道中选择其中的一个作为输出，实现不同量程电压的输出。通过单片机控制继电器切换实现交直流信号的选择，电流信号通过分压电阻转换成电压信号进行测量，电流量程选择电路原理同电压量程选择电路。
图2 测试类型选择电路
2.1.2 测试类型选择电路
被测信号经过量程选择电路和信号调理电路之后输入给CD4052（双四选一多路选择器),MCU控制其使能端EN和公共地址输入端A、B，实现交流电压、直流电压、交流电流、直流电流和交流电压信号和交流信号同时输出5种测量类型。D1、D2起保护作用，将输入电压钳位在0.5V左右，防止驱动放大电路输出电压过高。U14A将输入信号放大2倍，U14B将输入信号抬高1.25V（AD9288内部基准电压），将信号提升为单极性电压信号，使输出电压在A/D的允许范围内。
2.1.3 AD转换电路
图4 系统功能框图
选用AD公司的双通道数模转换器AD9288，每通道最高采样率为40MSPS。该模块是数字电工仪表的核心模块，实现模数转换功能，并将转换后的数据存放到FPGA内部的FIFO中。本设计采用单端输入接法，将1.25V的基准电压AD_REF通过电压跟随后接到差分输入的负端，AD9288的数字输出连接到FPGA（EP1C3T144C8）。
2.2 单片机模块设计
MCU通过利用FPGA实现的双口RAM与系统总线接口进行通信。MCU主要负责系统的初始化、处理总线发送过来的命令、控制系统测量功能模块对应的电路单元。
2.3 FPGA模块设计
采用FPGA芯片EP1C3T144C8来完成将被测系统数据的采集，并采用软触发方式控制数据在其内部FIFO的存储。FPGA程序下载采用AS模式、配置芯片为EPCS1,保证数据采集的设计。
2.3.1 总线接口通信模块
系统通过FPGA自定义的双口RAM电路实现与总线的接口通信，系统上电时微处理器负责初始化设备，向双口RAM中写入配置信息，配置信息通过系统总线传输到控制板卡进行解析、识别，完成设备验证后进行下一步工作，如果在仪器运行过程中更改上位机控制命令，则模块板卡的微处理器也会通过双口RAM从总线控制器上读取相应的控制信息，并执行相应的仪器控制。
2.3.2 数据存储模块
经A/D进行数模变换后的数据按每8bit缓存在
FPGA中设计的2个FIFO存储器中，每个FIFO设置为2.5KB的存数空间。
3基本电参量数据采集系统的软件设计与功能实现
该电参量数据采集系统的软件设计采用LabVIEW软件编程。设计思想是：将与硬件操作相关的命令封装成函数写入驱动程序，LabVIEW 应用软件通过调用 DLL（动态链接库）与系统总线通信，从而得到信号采集卡发送过来的信号，再运用软件编程对信号进行分析处理，完成系统的功能开发。
3.1 系统主界面
系统主界面如图3所示。
3.2 系统功能框图
系统功能图如图4所示。
4结论
(1)本文设计了一种基于LABVIEW和USB2.0的电参量数据采集系统实现了对基本电参量的测量功能，实验数据验证了该系统的可行性和准确性。
(2)硬件采用FPGA技术，使其具有开放性，允许通过硬件升级来提高其性能；软件采用LabVIEW图形化编程语言，其开发效率高、可维护性好、在相同硬件条件下,可以通过修改或增加软件功能模块定义新的仪器功能[12]；USB2.0接口具有传输速度快、传输可靠、带宽较宽等优点。
参考文献
[1]秦辉,李静.全自动数字万用表的设计[J].自动化与仪表,2010,1:14-15.
[2]陈昌鑫,靳鸿.数据采集卡和虚拟示波器系[J].仪表技术与传感 器,2012,（03）:67-69.
[3]Ming Zhang; Kaicheng Li.]An On-Site Calibration System for Electronic Instrument Transformers Based on Labview[J].Metrology and Measurement Systems,2014,2(21):257-270.
[4]李永华，牛斌，范铁生.基于M A X 1 3 4芯片的虚拟数字式万用表设计[J].自动化技术与应用，2011,30（4）：66-68.
[5]王和志，苏国利.交流电压及电流的测量方法[J].煤炭技术，2001,20(7):13.
论文作者:马杰1,王阳2,师旭3
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/20
标签：电压论文; 信号论文; 参量论文; 电路论文; 测量论文; 系统论文; 模块论文; 《电力设备》2016年第8期论文;