謝志遠(yuǎn)+韓思思+胡正偉+張曉+胡樂峰

摘 要： 為了提高DC傳感器的校驗(yàn)效率，提出一種基于虛擬儀器的多通道DC傳感器校驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，并搭建了具體的校驗(yàn)平臺(tái)。該校驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)、數(shù)據(jù)處理和分析功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。結(jié)合DC傳感器的校驗(yàn)需求，進(jìn)行了DC傳感器的校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的校驗(yàn)平臺(tái)能準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)多路DC傳感器的校驗(yàn)，提高了傳感器校驗(yàn)的效率和自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞： 多通道DC傳感器； 校驗(yàn)平臺(tái)； 虛擬儀器； 多通道數(shù)據(jù)采集模塊

中圖分類號(hào)： TN722.7+3?34； TN98； TM45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(cè)量直流電流，而且是直流供電系統(tǒng)中重要的漏電保護(hù)設(shè)備之一。隨著直流輸電、供電的發(fā)展和應(yīng)用的日漸廣泛，大量的直流設(shè)備與工具投入使用，DC傳感器作為直流電流測(cè)量和漏電保護(hù)所必須的關(guān)鍵器件，目前市場(chǎng)需求量在逐年提高。為了保證直流電流的準(zhǔn)確測(cè)量和保護(hù)功能的正常運(yùn)行，DC傳感器的精確校準(zhǔn)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在保證準(zhǔn)確度同時(shí)，為了提高校驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。為了驗(yàn)證方案的可行性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了15路DC傳感器校驗(yàn)的校驗(yàn)平臺(tái)。

本文給出的校驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)有，基于虛擬儀器的多通道DC傳感器的校驗(yàn)平臺(tái)，擺脫了傳統(tǒng)儀器的開發(fā)成本高和過程復(fù)雜的缺點(diǎn)；可以快速完成對(duì)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(yàn)效率。

1 多通道DC傳感器校驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

圖1為本文給出的多通道DC傳感器校驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)框圖。從圖1可以看出，本校驗(yàn)平臺(tái)主要由3部分構(gòu)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(jìn)行通信的RS 485總線通信模塊。

校驗(yàn)平臺(tái)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(gè)通道連接，作為該通道的模擬輸入信號(hào)；數(shù)據(jù)采集模塊并行實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)通道的實(shí)時(shí)采樣，并轉(zhuǎn)換為輸入信號(hào)的數(shù)字輸出量。其中一個(gè)通道作為參考通道，對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行采樣。虛擬儀器控制及處理模塊可以計(jì)算每一個(gè)通道采集數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值，并進(jìn)行校準(zhǔn)系數(shù)的相關(guān)計(jì)算，通過RS 485總線通信模塊將校準(zhǔn)系數(shù)發(fā)送給指定的傳感器，從而實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。

2 15路DC傳感器校驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證多路DC傳感器校驗(yàn)平臺(tái)方案的可行性，本文成功搭建了15路DC傳感器校驗(yàn)平臺(tái)。本節(jié)按平臺(tái)的3個(gè)組成部分，分別介紹每個(gè)組成部分的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 虛擬儀器控制及處理模塊

本校驗(yàn)平臺(tái)基于LabVIEW 2011實(shí)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(xué)術(shù)界和實(shí)驗(yàn)室研究廣泛接受，被看作標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(shè)計(jì)，縮短了開發(fā)周期[1?2]。LabVIEW程序設(shè)計(jì)包括前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)。

2.1.1 虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)

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L(zhǎng)abVIEW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(bào)警提示、串口發(fā)送校驗(yàn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(yàn)命令。當(dāng)傳感器電壓值與基準(zhǔn)電壓的差值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警提示模塊啟動(dòng)，報(bào)警燈變亮，提示該路傳感器需要校驗(yàn)。串口發(fā)送校驗(yàn)命令模塊的主要功能是向被校驗(yàn)傳感器發(fā)送校驗(yàn)命令及校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)該虛擬儀器功能框圖，設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、各通道是否校驗(yàn)、運(yùn)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(yùn)行方式。前面板上的輸入控件和顯示控件在框圖中都有對(duì)象端點(diǎn)與之一一對(duì)應(yīng)。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(chǔ)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(chǔ)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(gòu)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(tái)下能直接被驅(qū)動(dòng)，它具有16個(gè)通道，每個(gè)通道具有16位分辨率，模擬輸入采樣率最高達(dá)到250 KS/s，且模擬輸出的更新頻率[4]達(dá)1 MS/s，完全滿足本校驗(yàn)平臺(tái)的需要。在本校驗(yàn)平臺(tái)中，通道0連接標(biāo)準(zhǔn)電壓源信號(hào)，通道1～15分別連接15路被校驗(yàn)DC傳感器的電壓信號(hào)。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(jī)通信場(chǎng)合，它采用兩根通信線，通常用A和B來表示，采用差分信號(hào)輸入，可以抑制共模干擾，提高了通信的可靠性，因此本校驗(yàn)平臺(tái)選用RS 485通信方式[5]。

為了完成校驗(yàn)命令和校驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19582?2008的通信協(xié)議，因此本平臺(tái)選用Modbus通信協(xié)議。Modbus通信協(xié)議支持主從式結(jié)構(gòu)，允許一臺(tái)主設(shè)備與多臺(tái)從設(shè)備進(jìn)行通信，僅主設(shè)備能向從設(shè)備發(fā)送通信指令，從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備的通信指令作出相應(yīng)響應(yīng)[6]。本校驗(yàn)平臺(tái)中，主設(shè)備是計(jì)算機(jī)，從設(shè)備是多路DC傳感器。

校驗(yàn)命令使用Modbus通信協(xié)議中的RTU傳輸模式進(jìn)行發(fā)送，在RTU消息幀中每個(gè)8 B包含2個(gè)4 B的十六進(jìn)制字符[7]。這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(shè)備地址是與主設(shè)備通信某臺(tái)從設(shè)備的惟一識(shí)別碼。功能代碼用于識(shí)別通信幀的功能。如果第一個(gè)DC傳感器終端的設(shè)備地址是01，根據(jù)Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送命令的功能代碼是06，將校驗(yàn)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(yàn)碼，用于實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備Modbus協(xié)議傳輸?shù)牟铄e(cuò)控制。

3 校驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

3.1 DC傳感器的校驗(yàn)需求

如圖6所示，DC傳感器由AVR單片機(jī)及其外圍電路組成，ATmeg16單片機(jī)是DC傳感器的主控芯片，負(fù)責(zé)完成DC采樣、計(jì)算和通信等功能。TLC5615是一個(gè)串行10位的D/A轉(zhuǎn)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(yùn)放LF353構(gòu)成運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出。

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

輸出電壓VOUT通過運(yùn)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(cè)得的當(dāng)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(yàn)需求進(jìn)行設(shè)置。

該DC傳感器的校準(zhǔn)需求為量程校準(zhǔn)，具體要求為DC=20 mA時(shí)，Vo=5 V；DC=-20 mA時(shí)，Vo=-5 V。DC傳感器的線性度由傳感器本身負(fù)責(zé)。

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(guān)系數(shù)固化到程序中，因此需要校驗(yàn)平臺(tái)對(duì)單只傳感器進(jìn)行分別校準(zhǔn)。

3.2 校驗(yàn)平臺(tái)的校驗(yàn)流程

校驗(yàn)流程圖如圖7所示。此校驗(yàn)流程圖是一路DC傳感器的校驗(yàn)流程，其他DC傳感器通過相同的流程完成校驗(yàn)。首先將采集到的DC傳感器電壓值與基準(zhǔn)電壓比較。當(dāng)各通道時(shí)，整個(gè)過程結(jié)束。反之，當(dāng)不符合條件時(shí)，選擇啟動(dòng)校驗(yàn)。校驗(yàn)時(shí)，LabVIEW通過Matlab Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用該路DC傳感器電壓值、基準(zhǔn)電壓由式（1）、式（2）分別轉(zhuǎn)換為N′，N的Matlab程序，從而得出校驗(yàn)系數(shù)K的值。

3.3 校驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行

運(yùn)行本校驗(yàn)平臺(tái)，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(shè)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(yàn)?zāi)K中5號(hào)傳感器的報(bào)警提示燈變亮，表明此傳感器需要校驗(yàn)，在串口通信調(diào)試模塊的校驗(yàn)傳感器控件中選5，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕，校驗(yàn)系數(shù)通過串口向5號(hào)傳感器發(fā)送。再次采集DC傳感器電壓值，報(bào)警提示燈不再亮，完成校驗(yàn)。

4 數(shù)據(jù)分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的校驗(yàn)平臺(tái)是否滿足校驗(yàn)需求，對(duì)校驗(yàn)之后的DC傳感器進(jìn)行測(cè)量比對(duì)，分別測(cè)量了DC等于0 mA，2 mA，5 mA，10 mA，20 mA的情況，各電流對(duì)應(yīng)的理論電壓值如表4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9～圖13所示。橫坐標(biāo)是15路DC傳感器ID，縱坐標(biāo)是測(cè)量輸出電壓與理論輸出電壓誤差值。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)過本校驗(yàn)平臺(tái)的校驗(yàn)之后，DC傳感器輸出電壓的絕對(duì)誤差小于0.025 V，在漏電保護(hù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中可滿足要求[8]。因此，用此校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)DC傳感器開展校驗(yàn)工作是可行的。

5 結(jié) 語

本文采用虛擬儀器技術(shù)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)DC傳感器校驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，它主要有以下特點(diǎn)：在結(jié)構(gòu)上，“虛擬儀器校驗(yàn)平臺(tái)”是在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的儀器，校驗(yàn)平臺(tái)的各種功能主要通過安裝在計(jì)算機(jī)上的LabVIEW編程環(huán)境來快速實(shí)現(xiàn)[9]；在功能上，此校驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)校驗(yàn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)存儲(chǔ)等；在操作上，LabVIEW使校驗(yàn)平臺(tái)的操作得到極大的簡(jiǎn)化，所有的操作都在前面板進(jìn)行。此校驗(yàn)平臺(tái)的成功設(shè)計(jì)為DC傳感器的校驗(yàn)提供了可靠、方便的工具。其明顯優(yōu)勢(shì)是校驗(yàn)快捷方便，易于操作，適用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的應(yīng)用場(chǎng)合。

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