基于虛擬儀器的多通道DC傳感器校驗平臺設計

謝志遠+韓思思+胡正偉+張曉+胡樂峰

摘 要： 為了提高DC傳感器的校驗效率，提出一種基于虛擬儀器的多通道DC傳感器校驗平臺設計方案，并搭建了具體的校驗平臺。該校驗平臺由虛擬儀器控制及處理模塊、多通道數(shù)據(jù)采集模塊和RS 485總線通信模塊三部分組成，具有多通道校驗、數(shù)據(jù)處理和分析功能強大等特點。結合DC傳感器的校驗需求，進行了DC傳感器的校驗實驗。實驗結果表明，所設計的校驗平臺能準確有效地實現(xiàn)多路DC傳感器的校驗，提高了傳感器校驗的效率和自動化水平。

關鍵詞： 多通道DC傳感器； 校驗平臺； 虛擬儀器； 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

中圖分類號： TN722.7+3?34； TN98； TM45 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0144?05

Abstract： In order to improve the verification efficiency of DC sensor， a design scheme of multi?channel DC sensor calibration platform based on virtual instrument is presented， and a physical calibration platform was built. The calibration platform is composed of virtual instrument control and processing module， multi?channel data acquisition module and RS 485 bus communication module. It has characteristics of multi?channel calibration， powerful data processing and analysis. According to the calibration requirement of DC sensor， the calibration experiments of DC sensor were carried out. The experimental results show that the calibration platform can calibrate multi?channel DC sensor accurately and effectively， and improve efficiency and automation level of sensor calibration.

Keywords： multi?channel DC sensor； calibration platform； virtual instrument； multi?channel data acquisition module

0 引 言

直流電流（Direct Current，DC）傳感器不僅用來測量直流電流，而且是直流供電系統(tǒng)中重要的漏電保護設備之一。隨著直流輸電、供電的發(fā)展和應用的日漸廣泛，大量的直流設備與工具投入使用，DC傳感器作為直流電流測量和漏電保護所必須的關鍵器件，目前市場需求量在逐年提高。為了保證直流電流的準確測量和保護功能的正常運行，DC傳感器的精確校準是一個重要環(huán)節(jié)。在保證準確度同時，為了提高校驗效率，本文給出了一種基于虛擬儀器的多通道DC傳感器校驗平臺的設計方案。為了驗證方案的可行性，設計并實現(xiàn)了15路DC傳感器校驗的校驗平臺。

本文給出的校驗平臺設計方案的優(yōu)點有，基于虛擬儀器的多通道DC傳感器的校驗平臺，擺脫了傳統(tǒng)儀器的開發(fā)成本高和過程復雜的缺點；可以快速完成對多通道DC傳感器的數(shù)據(jù)采集、分析處理，具有較高的校驗效率。

1 多通道DC傳感器校驗平臺設計方案

圖1為本文給出的多通道DC傳感器校驗平臺設計方案的結構框圖。從圖1可以看出，本校驗平臺主要由3部分構成：虛擬儀器控制及處理模塊；多路數(shù)據(jù)采集模塊；與傳感器進行通信的RS 485總線通信模塊。

校驗平臺的基本工作原理為：每只DC傳感器的電壓輸出端口與數(shù)據(jù)采集模塊的其中一個通道連接，作為該通道的模擬輸入信號；數(shù)據(jù)采集模塊并行實現(xiàn)對每個通道的實時采樣，并轉換為輸入信號的數(shù)字輸出量。其中一個通道作為參考通道，對基準電壓進行采樣。虛擬儀器控制及處理模塊可以計算每一個通道采集數(shù)據(jù)與基準信號的差值，并進行校準系數(shù)的相關計算，通過RS 485總線通信模塊將校準系數(shù)發(fā)送給指定的傳感器，從而實現(xiàn)校準。

2 15路DC傳感器校驗平臺的設計

為了驗證多路DC傳感器校驗平臺方案的可行性，本文成功搭建了15路DC傳感器校驗平臺。本節(jié)按平臺的3個組成部分，分別介紹每個組成部分的具體實現(xiàn)。

2.1 虛擬儀器控制及處理模塊

本校驗平臺基于LabVIEW 2011實現(xiàn)虛擬儀器控制及處理模塊的開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化的編程軟件，它被工業(yè)界、學術界和實驗室研究廣泛接受，被看作標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。使用這種圖形化的程序語言編程時，主要借助于流程圖或者框圖來完成儀器的各種功能，基本上不需要寫程序代碼，很大程度上避免了程序代碼的編寫和硬件電路的設計，縮短了開發(fā)周期[1?2]。LabVIEW程序設計包括前面板設計和程序框圖設計。

2.1.1 虛擬儀器前面板設計

LabVIEW前面板是用戶操作界面，通常使用輸入控件和顯示控件來創(chuàng)建前面板。輸入控件和輸出控件分別用來模擬儀器的輸入/輸出裝置，前者為LabVIEW的程序框圖提供數(shù)據(jù)，后者用來顯示程序框圖獲取或生成的數(shù)據(jù)[3]。

虛擬儀器功能框圖如圖2所示，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、分析、報警提示、串口發(fā)送校驗命令模塊。

采集數(shù)據(jù)讀取模塊用于讀取數(shù)據(jù)采集模塊的采集電壓值，數(shù)據(jù)顯示用于實時顯示采集到的電壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)實時存儲與回放，分析模塊包括采集電壓值的誤差分析，以便向傳感器發(fā)送更加精確的校驗命令。當傳感器電壓值與基準電壓的差值大于預設值時，報警提示模塊啟動，報警燈變亮，提示該路傳感器需要校驗。串口發(fā)送校驗命令模塊的主要功能是向被校驗傳感器發(fā)送校驗命令及校驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)該虛擬儀器功能框圖，設計出的主界面（前面板）如圖3所示。主界面包括輸入通道參數(shù)配置、串口通信調(diào)試、實時數(shù)據(jù)顯示、各通道是否校驗、運行控制按鈕5部分。

2.1.2 虛擬儀器程序框圖

程序框圖是圖形化源代碼的集合，它決定了VI的運行方式。前面板上的輸入控件和顯示控件在框圖中都有對象端點與之一一對應。連線將輸入控件和顯示控件的接線端與各VI和函數(shù)相互連接，是端口間的數(shù)據(jù)通道。

虛擬程序框圖主要包括采集數(shù)據(jù)讀取與顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲與回放模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、通信模塊等。采集數(shù)據(jù)讀取與顯示模塊如圖4所示，數(shù)據(jù)存儲與回放模塊如圖5所示。

2.2 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊選購凌華科技USB接口多功能數(shù)據(jù)采集模塊USB?1901。該采集模塊在LabVIEW平臺下能直接被驅(qū)動，它具有16個通道，每個通道具有16位分辨率，模擬輸入采樣率最高達到250 KS/s，且模擬輸出的更新頻率[4]達1 MS/s，完全滿足本校驗平臺的需要。在本校驗平臺中，通道0連接標準電壓源信號，通道1～15分別連接15路被校驗DC傳感器的電壓信號。數(shù)據(jù)采集模塊的具體參數(shù)如表1所示。

2.3 RS 485總線通信模塊

RS 485總線適用于主從式多機通信場合，它采用兩根通信線，通常用A和B來表示，采用差分信號輸入，可以抑制共模干擾，提高了通信的可靠性，因此本校驗平臺選用RS 485通信方式[5]。

為了完成校驗命令和校驗數(shù)據(jù)的通信，需要一定的通信協(xié)議的支持。鑒于Modbus通信協(xié)議支持RS 485接口，且是一種符合國家標準GB/T 19582?2008的通信協(xié)議，因此本平臺選用Modbus通信協(xié)議。Modbus通信協(xié)議支持主從式結構，允許一臺主設備與多臺從設備進行通信，僅主設備能向從設備發(fā)送通信指令，從設備根據(jù)主設備的通信指令作出相應響應[6]。本校驗平臺中，主設備是計算機，從設備是多路DC傳感器。

校驗命令使用Modbus通信協(xié)議中的RTU傳輸模式進行發(fā)送，在RTU消息幀中每個8 B包含2個4 B的十六進制字符[7]。這種方式的優(yōu)點主要是在同一波特率下，傳輸同樣的信息需要的位數(shù)少。RTU模式下的Modbus傳輸格式如表2所示。

表2中，設備地址是與主設備通信某臺從設備的惟一識別碼。功能代碼用于識別通信幀的功能。如果第一個DC傳感器終端的設備地址是01，根據(jù)Modbus協(xié)議標準，發(fā)送命令的功能代碼是06，將校驗系數(shù)K打包為Modbus協(xié)議要求的字符串形式。發(fā)送指令的最后2 B是CRC校驗碼，用于實現(xiàn)主從設備Modbus協(xié)議傳輸?shù)牟铄e控制。

3 校驗平臺驗證

3.1 DC傳感器的校驗需求

如圖6所示，DC傳感器由AVR單片機及其外圍電路組成，ATmeg16單片機是DC傳感器的主控芯片，負責完成DC采樣、計算和通信等功能。TLC5615是一個串行10位的D/A轉換芯片，與MCU之間通過SPI總線連接。為了能夠表示反向電流，采用集成運放LF353構成運算電路實現(xiàn)負電壓輸出。

DACTLC5615的作用是將當前測得的數(shù)字量的DC值轉換為模擬電壓值。若N為待轉換的數(shù)字量，VREFIN為基準輸入電壓，則轉換后的輸出電壓可由式（1）表示。

輸出電壓VOUT通過運算電路可得輸出電壓Vo，Vo可由式（2）表示。Vo的大小可反映DC傳感器所測得的當前電流的大小，Vo也是數(shù)據(jù)采集模塊采集到的電壓值。

式中，Vref為參考電壓，可根據(jù)具體的校驗需求進行設置。

該DC傳感器的校準需求為量程校準，具體要求為DC=20 mA時，Vo=5 V；DC=-20 mA時，Vo=-5 V。DC傳感器的線性度由傳感器本身負責。

由于器件存在分散特性，不同DC傳感器的輸出電壓值Vo之間存在偏差，因此不能將相關系數(shù)固化到程序中，因此需要校驗平臺對單只傳感器進行分別校準。

3.2 校驗平臺的校驗流程

校驗流程圖如圖7所示。此校驗流程圖是一路DC傳感器的校驗流程，其他DC傳感器通過相同的流程完成校驗。首先將采集到的DC傳感器電壓值與基準電壓比較。當各通道時，整個過程結束。反之，當不符合條件時，選擇啟動校驗。校驗時，LabVIEW通過Matlab Script節(jié)點調(diào)用該路DC傳感器電壓值、基準電壓由式（1）、式（2）分別轉換為N′，N的Matlab程序，從而得出校驗系數(shù)K的值。

3.3 校驗平臺的運行

運行本校驗平臺，虛擬儀器前面板如圖8所示。在LabVIEW主界面的輸入通道參數(shù)設置中，采集通道選擇的是0～15通道。波形圖表中顯示各通道的電壓值和電壓差值。各通道是否校驗模塊中5號傳感器的報警提示燈變亮，表明此傳感器需要校驗，在串口通信調(diào)試模塊的校驗傳感器控件中選5，點擊發(fā)送按鈕，校驗系數(shù)通過串口向5號傳感器發(fā)送。再次采集DC傳感器電壓值，報警提示燈不再亮，完成校驗。

4 數(shù)據(jù)分析

為了檢驗所設計的校驗平臺是否滿足校驗需求，對校驗之后的DC傳感器進行測量比對，分別測量了DC等于0 mA，2 mA，5 mA，10 mA，20 mA的情況，各電流對應的理論電壓值如表4所示。

實驗結果如圖9～圖13所示。橫坐標是15路DC傳感器ID，縱坐標是測量輸出電壓與理論輸出電壓誤差值。

從實驗結果來看，經(jīng)過本校驗平臺的校驗之后，DC傳感器輸出電壓的絕對誤差小于0.025 V，在漏電保護領域的實際應用中可滿足要求[8]。因此，用此校驗系統(tǒng)對DC傳感器開展校驗工作是可行的。

5 結 語

本文采用虛擬儀器技術在計算機上實現(xiàn)DC傳感器校驗平臺設計，它主要有以下特點：在結構上，“虛擬儀器校驗平臺”是在PC機上實現(xiàn)的儀器，校驗平臺的各種功能主要通過安裝在計算機上的LabVIEW編程環(huán)境來快速實現(xiàn)[9]；在功能上，此校驗平臺同時校驗多路DC傳感器，不僅可以采集數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，發(fā)送指令，而且還能實時數(shù)據(jù)顯示、自動存儲等；在操作上，LabVIEW使校驗平臺的操作得到極大的簡化，所有的操作都在前面板進行。此校驗平臺的成功設計為DC傳感器的校驗提供了可靠、方便的工具。其明顯優(yōu)勢是校驗快捷方便，易于操作，適用于實驗室和現(xiàn)場校驗的應用場合。

參考文獻

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