基于虛擬儀器的電池測試實驗設計

1、 學號：101111112本科 生 畢業(yè)設計（論文）基于虛擬儀器的電池測試實驗設計Battery test experiment based on virtual instrumentdesign院別：信息與自動化學院專業(yè)：自動化年級：2010級學生姓名：王鵬飛指導老師：劉正光Tianjin TianShi College學士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的設計（論文）是本人在指導老師的指導下獨立進行研究，所取得的研究成果，除了文中特別加以標注引用的內容外，本設計（論文）不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本

2、學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任由本人承擔。學位論文作者簽名（手簽）：年月日摘要本系統(tǒng)的硬件是由個人電腦與恒流源，軟件是由labVIEW 組成的電池測試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由labVIEW2013圖形化編程開發(fā)環(huán)境、PC 機、USB2833數(shù)據(jù)采集卡、恒流源電路、外部電池組成。為保證電池測試中檢測與采集的電流電壓參數(shù)精確，我們采用的是高精度的恒流源作為基準電流，為了確保恒流源能輸出持續(xù)的、穩(wěn)定的、高精度的電流，在恒流源電路中采用場效應管作為恒流源的調整管，根據(jù)場效應管的輸出特性，通過改變柵極（Gate）電壓來控制場效應管從而控制恒流源電流的大小。在恒流源電路中采用了比例調節(jié)器和積分調節(jié)器來組成閉環(huán)控制系

3、統(tǒng)，從而穩(wěn)定恒流源的輸出電流。在測試恒流源輸出電流時，可以通過在labVIEW 的前面板中設定輸出電流從而實現(xiàn)對USB2833數(shù)據(jù)采集卡的控制，USB數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)DA 轉換，其輸出的模擬信號通過電壓形式傳送到恒流源的接口上以用來控制恒流源輸出固定大小的電流，再用儀表實際測恒流源輸出電流的大小。在測量電池時，經USB2833數(shù)據(jù)采集卡的模數(shù)轉換器來測得電池兩端電壓和電流，然后通過USB 總線將測得的數(shù)據(jù)與PC 交互通信，通過PC 機對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，實時顯示處理結果，處理后的結果通過數(shù)據(jù)庫記錄后，進行數(shù)據(jù)分析，最終對電池性能進行評估。編寫實驗指導書，實驗指導書的內容已添加在附錄中。該

4、系統(tǒng)已達到預期的設計目標，具有很強的邏輯性、靈活性和可擴展性，性能穩(wěn)定，安全可靠，性價比高。關鍵詞：電池測試系統(tǒng)；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集卡；labVIEW2013；數(shù)據(jù)庫；恒流源ABSTRACT The hardware of this system is made up of personal computer and the constant current source, the labVIEW software is made of battery testing system. System is mainly developed by labVIEW2013graphical prog

5、ramming environment, PC, USB2833data acquisition card, constant current source circuit, external lithium batteries (orlead battery. In order to ensure the battery test in the detection and accurate collection of current voltage parameters, we adopt is of high precision constant current source as ref

6、erence current, in order to ensure the constant current source can output the continuous, stable, high precision of current, in the constant current source circuit using field effect tube as the adjustment of the constant current source, based on the output characteristics of the field effect tube,

7、by changing the Gate (Gatevoltage to control the field effect tube to control the size of the constant current source current. In a constant current source circuit using the proportional controller and integral controller to form a closed loop control system, stable and constant current source outpu

8、t current.Constant-current output current in the test, can be set in the front panel of the labVIEW output current to achieve control of the USB2833data acquisition card, USB data acquisition card to realize the DA conversion, the output of the analog signal through the voltage form sent to the cons

9、tant current source on the interface to control constant current source output current of fixed size, then use instrument to measure the size of the constant current source output current actual. When measuring the battery, through the AD converter of USB2833data acquisition card on both ends of the

10、 battery voltage and current can be measured, and then measured data with PC through USB bus interactive communication, through the PC for data analysis and processing, real-time display the results, after processing by the result of the database, data analysis, finally to evaluate battery performan

11、ce.Write the experiment instruction, laboratory instruction contents have been added in the appendix.The system has reached the expected design goal, strong logicality, flexibility and extensibility, stable performance, safe, reliable and cost-effective.Keywords :Battery test system ；Virtual instrum

12、ent ；Data acquisition card ；LabVIEW2013；Database ；Constant current sourceI 目錄第一章緒論.11.1研究背景.11.2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.11.3研究意義.21.4研究內容.2第二章方案論證.32.1各種方案的比較.32.2系統(tǒng)總方案.3第三章恒流源.53.1恒流源介紹.53.2常用的恒流源.53.3本次設計所用到的恒流源.5第四章數(shù)據(jù)采集卡.74.1數(shù)據(jù)采集卡的概述.74.2數(shù)據(jù)采集卡的分類.74.3數(shù)據(jù)采集卡的技術參數(shù).74.4數(shù)據(jù)采集卡的應用.8第五章虛擬儀器.95.1虛擬儀器的簡介.95.2虛擬儀器的概念.

13、95.3虛擬儀器的原理.95.4虛擬儀器的發(fā)展過程.105.5虛擬儀器的分類.105.6虛擬儀器的優(yōu)勢. 115.7虛擬儀器的應用. 11第六章測試系統(tǒng)的設計和實現(xiàn).126.1在PC 模塊中的軟件選擇. 126.1.1labVIEW 簡介.136.1.2labVIEW 的組成.136.1.3labVIEW 的特點.136.2設計系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的選擇.146.2.1USB2833數(shù)據(jù)采集卡概述. 146.2.2USB2833功能介紹. 146.2.3USB2833與恒流源的連接. 156.2.4USB2833驅動程序的子函數(shù). 166.3恒流源模塊的實現(xiàn).19第七章實驗指導書的設計.20總結.

14、26參考文獻.27致謝.28第一章緒論1.1研究背景隨著后PC、大數(shù)據(jù)時代的來臨，移動設備的智能化，高端化也逐步走向成熟，為用戶提供安全可靠，長壽命，高性能的電池顯得尤為重要。近些年來手機的使用在我國極為普遍，大部分手機使用的電池是鋰電池，對于市場上一些劣質的充電器，在其電路中并沒有設置對電池的過充保護，而對于鋰電池來說任何形式的過度充電都可能會引起爆炸，這就有可能對用戶造成生命財產的威脅。另一方面，隨著鋰電池充放電次數(shù)的增加，鋰電池的使用壽命也會縮短，有些用戶在使用手機、Pad設備的時候喜歡邊充電邊使用等，這些習慣都會致使鋰電池的壽命大大縮短，在日常的工作與生活中對用戶造成不便。labVIE

15、W 是一種開發(fā)編程環(huán)境，是由美國國家儀器公司National Instruments 研制開發(fā)的，類似于C 語言和B 語言，而不同之處是labVIEW 軟件采用的是類似于“搭積木”的圖形編程語言“G”語言編寫的，其核心意義就是利用計算機來模擬元器件的邏輯功能，用最少量的元器件來實現(xiàn)同樣的控制功能。labVIEW 開發(fā)環(huán)境對于用戶來說編程語言形象易懂，結構框架清楚，易于入門，可靠性，可操作性好，二次開發(fā)比較方便，其優(yōu)勢已經得到了廣泛關注，已應用在測試測量，控制，仿真，兒童教育，快速開發(fā)，跨平臺開發(fā)等領域，現(xiàn)已成熟。本設計是軟件是基于labVIEW2013的開發(fā)編程環(huán)境，硬件是基于USB2833數(shù)

16、據(jù)采集卡和恒流源電路的電池測試系統(tǒng)，恒流源基于模擬電子中場效應管的特性，在DrainSource兩端加正向電壓，就會產生漏極電流(Thedrain current,Ib，使場效應管工作在放大區(qū)，通過PI 調節(jié)作用，使源極的電流保持恒定，恒定電流流過電池，通過測量電池兩端電壓即可計算出相應參數(shù)。1.2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢在國內電池測量系統(tǒng)中，大多采用的是測量單電池的電壓參數(shù)，一般測量的是電池的溫度和電流，目前技術已經比較成熟，而對于單電池測量其電壓，比較簡單，困難的是測量多個單電池組成的電池組中每個電池的電壓。目前國內很多測量方法都有成本高，精度低等特點。國外在電池測試系統(tǒng)上的發(fā)展明顯要高于

17、國內。對于國外的電池測試系統(tǒng)，比較有代表性的就是美國的BMS 公司，他們利用PC 機能實時監(jiān)控電池組中每一塊電池的參數(shù)，存儲并顯示每一塊電池的實時參數(shù)和信息，并且能對其狀態(tài)進行預測。1.3研究意義1.測試蓄電池的壽命和性能可以在日常工作與生活中為人們帶來便利，讓電池在使用條件下滿足要求，提高工作效率。2.過度充電的保護措施可以使得鋰電池的使用變得更安全，更環(huán)保。3.評估電池壽命可以節(jié)約成本，防止假冒偽劣的電池與揭穿不法商家的騙局。4.利用恒流源進行恒定電流的輸出測試出的結果比一般電池測試系統(tǒng)更加精確。5.熟悉labVIEW2013直觀、可靠的編程環(huán)境和編程方法。1.4研究內容一、恒流源電路的研

18、究和設計使用恒流源為電路中提供持續(xù)、穩(wěn)定的電流，讓恒定電流流過被測電池，獲得實時電壓與電流，根據(jù)電壓與電流的關系，記錄電池充電的電量，充電時間和放電時間的參數(shù)，測算出電池的壽命，充電時間，放電時間等參數(shù)，并用數(shù)據(jù)庫記錄參數(shù)并計算。二、labVIEW圖形編譯環(huán)境利用labVIEW 圖形編程軟件實現(xiàn)對輸出電流的控制，控制輸出電流大小，電壓信號與電流信號的采集，實時數(shù)據(jù)分析與實時顯示監(jiān)控。三、電池測試參數(shù)的公式利用得到的電流電壓，依據(jù)公式計算出電池壽命，充放電時間等參數(shù)。四、實驗指導書設計第二章方案論證2.1各種方案的比較第一種電池測試系統(tǒng)是基于FPGA 的電池測試系統(tǒng)，現(xiàn)場可編程門陣列，F(xiàn)ield

19、ProgrammableGate Array，它是一種通過自上向下設計方式設計的電路，用戶可以按照自身需要定制功能不同的電路。這樣就克服了原有電路固定不變的缺點。第二種是基于單片機的電池測試系統(tǒng)，單片機在我國過去的五年里采用得非常廣泛，利用C 語言編程形成HEX 可執(zhí)行文件，控制輸入/輸出（I/O）接口管腳的邏輯關系，但是其缺點就是聯(lián)網的時候比較困難，在今物聯(lián)網的大背景下已經幾盡淘汰。第三種是基于ARM 的電池測試系統(tǒng)，優(yōu)點是現(xiàn)當今ARM 相比于單片機來說現(xiàn)在用得更加廣泛，并且在ARM 中可以安裝操作系統(tǒng)，主流的操作系統(tǒng)是微軟公司的WINCE 和LINUX 兩大操作系統(tǒng)，研究WINCE 的操作

20、系統(tǒng)最終形成產品是需要向微軟支付一部分費用的，而利用LINUX 系統(tǒng)研發(fā)比較普遍，但是本次設計中我們不涉及到聯(lián)網等功能，購買ARM 開發(fā)板由會產生額外的費用，利用labVIEW 圖形化編輯的功能去盡可能的代替硬件電路從而獲得相同的效果，這才是本次設計的核心意義。第四種是基于PLC 的電池測試系統(tǒng)，一般是用來測試電池組的，優(yōu)點是PLC 更加可靠，缺點是大材小用，大馬拉小車，在工作生活中顯得沒有必要，并且需要搭建額外的采集模塊。第五種是采用虛擬儀器和USB2833的電池測試系統(tǒng)，硬件采用恒流源，軟件可以通過對PC 上軟件的編程實現(xiàn)控制，通過USB2833采集卡采集數(shù)據(jù)和控制電流輸出來實現(xiàn)測試電池的

21、目的。上述第五種方法是本次設計中所采用的方案，相比于前四種方案精確度更高，并且經濟合理，方便可行，更具有靈活性和可調節(jié)性，是未來的發(fā)展趨向。2.2系統(tǒng)總方案系統(tǒng)總框圖如圖21所示。計算機與恒流源之間通過USB2833數(shù)據(jù)采集卡進行連接，USB2833數(shù)據(jù)采集卡在中間起到的作用是模數(shù)轉換和數(shù)模轉換功能：將計算機通過USB 總線傳輸出的數(shù)字信號經過轉換芯片處理輸出模擬信號，在此實驗中輸出的是電壓信號，電壓信號驅動恒流源板子輸出恒定電流；而采集到的電壓數(shù)據(jù)通過USB2833數(shù)據(jù)采集卡后轉化為數(shù)字信號用以計算機的識別，Labview軟件將進行數(shù)據(jù)處理并進行下一步控制。天津天獅學院2014屆本科生畢業(yè)設

22、計（論文） 圖21系統(tǒng)總框圖第三章恒流源3.1恒流源介紹恒流源（電流源），主要應用在差動放大電路、脈沖產生電路、提高電路放大倍數(shù)、有源負載等場合，為了確定電路穩(wěn)定工作時的靜態(tài)工作點，一般也可以使用恒流源為電路提供穩(wěn)定而持續(xù)的電流。恒流源的本質特點就是能為負載提供持續(xù)穩(wěn)定的電流，輸出電流的精度較高，外界變化時響應速度快，能夠長期穩(wěn)定地運行，在生活生產中得到廣泛的應用。3.2常用的恒流源通常使用的恒流源可以按照調整元件和調整方式上的不同來進行分類，按照調整元件的不同分，可分為場效應管恒流源，集成電路和晶體管恒流源；按照調整方式的不同分，可分為開關調整型和線性調整型恒流源。3.3本次設計所用到的恒流

23、源通常恒流源主要用于電氣測試，因此精度是主要的指標之一。恒流源作為電池測試系統(tǒng)的一個核心部件，其精度直接決定了電池測試系統(tǒng)測試參數(shù)的準確度，而恒流源的最大功率決定了能夠測試電池的最大量程范圍，因此設計出的恒流源要求功率大、精度高，如下圖3-1所示： 圖3-1恒流源原理恒流源的核心部分由比例積分調節(jié)器(PIregulator和功率電子電路（Powerelectronic circuit）組成，圖中U1模塊是比例放大器（Proportionalamplifier）而U2是積分器（integrator），二者共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，用戶可以通過根據(jù)恒流源板子計算出來的比例函數(shù)來計算恒流源輸出的恒定電流

24、，而在利用恒流源輸出大功率的場合上往往需要采用多個MOSFET 并聯(lián)的技術從而產生大電流，如圖3-2所示： 圖3-2MOSFET 并聯(lián)第四章數(shù)據(jù)采集卡4.1數(shù)據(jù)采集卡的概述數(shù)據(jù)采集卡（Dataacquisition card）通常指的是在傳感器和其他檢測設備等模擬設備采集到的非電量或者電量信號，在轉換后才能送到上位機進行分析和處理，而數(shù)據(jù)采集卡在其中扮演的就是“轉換”的角色，通常數(shù)據(jù)采集卡是將模擬量轉化為數(shù)字量從而傳送到計算機內進行數(shù)字信號的處理，相同的，有些數(shù)據(jù)采集卡也集成了數(shù)模的功能，將計算機傳達的數(shù)字信號指令通過數(shù)模轉化轉換成執(zhí)行器（或可動作的傳感器）可以識別的模擬信號；類似地，不僅僅是

25、電信號之間可以轉化，溫度轉化成電信號，流量轉化成電信號,壓力轉化成電信號等通常也在生產中用到。在近8年的發(fā)展過程中各個公司都推出了不同種類不同制式的數(shù)據(jù)采集卡，其中的接口也是不盡相同，但大部分可以通過RS232、RJ45、PCI總線、PCE-E總線、USB總線等數(shù)據(jù)線和計算機進行交互對接。4.2數(shù)據(jù)采集卡的分類由于個人電腦總線的板卡有很多類型，所以數(shù)據(jù)采集卡的分類也不盡相同，根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡接收到信號的種類不同，可以分為模擬量輸入（Analoginput）板卡（將接收到的模擬量信號轉化為數(shù)字量信號A/D）、模擬量輸出板卡（將計算機輸出的數(shù)字信號轉化為模擬信號D/A）、開關量輸入板卡（將布爾邏輯信

26、號1或0輸入到計算機）、開關量輸出板卡（將布爾邏輯信號1或0輸出到執(zhí)行器）、脈沖量輸入板卡（將高低電平的脈沖信號經過轉換輸入計算機）、多功能板卡（集成以上幾種板卡功能的板卡）等。根據(jù)計算機總線的不同，又可將上述類型分為PXI/CPCI型板卡和PCI 型板卡。還有一些在特殊情況下使用的I/O板卡，如虛擬存儲板（電子盤）、信號調理板等，在這里就不一一介紹了。4.3數(shù)據(jù)采集卡的技術參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡的技術參數(shù)決定著電池測試系統(tǒng)的精度，在選購數(shù)據(jù)采集卡時特別要注意數(shù)據(jù)采集卡的各項參數(shù)是否滿足設計要求。下面介紹一下數(shù)據(jù)采集卡的幾個重要參數(shù)：數(shù)據(jù)采集卡的第一個重要參數(shù)就是通道數(shù)（numberof channe

27、ls），通道數(shù)表示著數(shù)據(jù)采集卡可以采集幾路的信號，通常通道數(shù)分為單端32路/差分16路和單端16路/差分8路兩種。數(shù)據(jù)采集卡的第二個重要參數(shù)是采樣頻率，在傳感器向數(shù)據(jù)采集卡傳送信號的時候，采樣頻率決定著檢測時的精確度，什么時候采樣，采樣的密度取決于用戶的需求，采樣頻率指的就是單位時間內采集數(shù)據(jù)的個數(shù)，通常采樣頻率的快慢取決于AD 芯片轉換一個點所需要的時間，采樣周期不會大于AD 芯片轉換每個點所需要的時間。數(shù)據(jù)采集卡的第三個重要參數(shù)是緩存，緩存主要用來存儲AD 芯片將原數(shù)據(jù)轉換之后的數(shù)據(jù)，通常大部分使用的是RAM 緩存（隨機存取內存）而很少部分使用的是FIFO 緩存，RAM緩存的優(yōu)點是存儲量大

28、，價格比較便宜，但是速度卻沒有FIFO 快；而FIFO 的優(yōu)點是速度快，但存儲量不大，所以不常用到。數(shù)據(jù)采集卡的第四個參數(shù)是分辨率，分辨率和A/D轉換器的位數(shù)有相對應的關系，表示成FS/2n，F(xiàn)S表示滿量程輸入值（Fullscale input values），n為A/D轉換器的位數(shù)，位數(shù)越多，分辨率也就越高。數(shù)據(jù)采集卡的第五個參數(shù)是精度：精度是實際測得值和理想值之間的偏差，標準稱謂是用滿量程（FSR，F(xiàn)ullScale Range）的百分數(shù)表示，例如量程范圍在0-10V，精度為0.1%FSR，就代表著所測得的數(shù)值和真實數(shù)值的差距在10mV 以內。數(shù)據(jù)采集卡的第六個參數(shù)是量程，一般有0-5V、

29、0-10V、±5V、±10V等量程，用戶可以根據(jù)自身的需要來選擇特定的量程范圍。數(shù)據(jù)采集卡的第七個參數(shù)是增益：增益也就是輸入信號的放大倍數(shù)。最后一個參數(shù)是觸發(fā)方式，通常分為內觸發(fā)和外觸發(fā)兩種方式。4.4數(shù)據(jù)采集卡的應用數(shù)據(jù)采集卡在工業(yè)生產中應用非常廣泛，尤其是在電子產品質量檢測、信號采集、過程控制和伺服控制系統(tǒng)中，在不同的場合中要使用精度不同的數(shù)據(jù)采集卡以適應生產或檢測要求。第五章虛擬儀器5.1虛擬儀器的簡介虛擬儀器在近20年來采用的非常廣泛，它的主要特點就是其直觀化的圖形編程語言，通常C 語言或者B 語言等所使用的語言都是文字性的編程語言，而虛擬儀器所采用的編程語言是更利

30、于用戶理解，更加直觀明了的G 語言，即圖形語言。利用圖形語言可以在編程或是執(zhí)行界面中清楚地看到數(shù)據(jù)流，同時能夠更清楚的為用戶顯示數(shù)據(jù)，用戶可以在界面中直接查看、修改數(shù)據(jù)或者控制虛擬元件的輸入。其最大特點就是“軟件就是儀器”的思想。虛擬儀器和虛擬機的概念比較類似，就是最大化地利用計算機的硬件資源和CPU 強大的計算處理能力，再將數(shù)據(jù)采集卡等A/D轉換器和D/A轉換器或是數(shù)字輸入（DI）數(shù)字輸出（DO）等器件結合到一起，用以分析，計算和輸出控制等操作，虛擬儀器能夠最大化的應用計算機硬件，可維護性和兼容性都很高，不同設備實現(xiàn)不同功能的差異主要是在軟件編輯上。5.2虛擬儀器的概念虛擬儀器是在計算機（P

31、C）的基礎上通過增加目標產品功能所必須的硬件和軟件而組成的、具有用戶可視化界面（前面板）的儀器。虛擬儀器技術就是利用像計算機、數(shù)據(jù)采集卡等高性能的模塊化硬件，結合用戶自定義的軟件來完成各種測量，測試，儀表顯示等自動化應用。虛擬儀器自1986年問世，現(xiàn)已將NI labVIEW 圖形化開發(fā)工具用于產品設計周期的各個環(huán)節(jié)，從實現(xiàn)改善產品質量、縮短產品生產周期，提高產品開發(fā)效率和生產效率的目的。5.3虛擬儀器的原理虛擬儀器是利用PC 機的高效處理能力，結合用戶根據(jù)項目需要所能開發(fā)出的軟件來實現(xiàn)目的，模塊化的編程結構可以使開發(fā)人員的調試更加方便，更加具有系統(tǒng)性，同時也更有利于產品的全方位集成，labVI

32、EW 軟件和其他軟件的高度兼容性也使得開發(fā)人員在不同軟件更加得心應手。實現(xiàn)不同功能儀器的硬件大致相同，而不同功能的儀器實現(xiàn)不同功能的差異主要體現(xiàn)在軟件上。程序員完全可以憑借自己的思路設計友好的用戶界面，并且全球標準化的軟件和硬件平臺完全能夠滿足開發(fā)人員對定時應用功能和同步功能的需求。了解虛擬儀器的原理可以通過虛擬儀器的結構來理解，大致上我們把虛擬儀器的結構分為四層來理解，第一層是用戶可以按照自己的需要，創(chuàng)造出自定義風格內容的虛擬儀器，并編出界面友好程序的用戶管理測試層，用戶可以在此層編譯出自己想象中的程序。第二層是開發(fā)應用層，就是虛擬儀器公司labVIEW 軟件自帶的開發(fā)工具（后面板），開發(fā)人

33、員可以在此層進行編程和調試，實現(xiàn)儀器應有的邏輯功能。第三層是儀器驅動層，在labVIEW 和其他軟件大部分兼容的大背景下，開發(fā)者可以利用國際化的標準自定義的添加軟件和硬件接口。第四層是輸出輸出總線驅動層，其主要作用是制定標準協(xié)議和兼容不同類型的儀器。5.4虛擬儀器的發(fā)展過程虛擬儀器的鼻祖是NI 公司（NI,NationalInstruments）。虛擬儀器在90年代的兩大巨頭分別是摩托羅拉公司和美國國家儀器，當時已開發(fā)出了一些可以替代傳統(tǒng)示波器，濾波器，信號發(fā)生器等設備的新一代儀器，而我國當時在引進虛擬儀器的時候也是從美國國家儀器公司學習到了不少知識，起初也能做出一些簡單的儀器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件設

34、備，但當時這項技術在國內還遠不成熟，知道最近我國才將虛擬儀器這項技術加入工程科學的發(fā)展計劃，將其列入“十一五”期間的主要資助領域，目前我國對虛擬儀器的研究進度發(fā)展樂觀。已經可以開發(fā)出邏輯分析儀，萬用表，濾波器等儀器，而在“八六三”項目中虛擬儀器的關鍵技術已經實現(xiàn)了產業(yè)一體化，這表明我國在虛擬儀器的自主研發(fā)領域取得了喜人的進步。虛擬儀器的發(fā)展大致分為四個階段，第一階段是利用計算機，在計算機外連接硬件設備來控制測量儀器，第二階段是在第一階段的基礎上添加了數(shù)據(jù)采集卡，確立的一些列的標準（如VIX 儀器總線標準），第三階段是用虛擬儀器研究工程項目的方法受到了國內工程界科學界人士的廣泛認同，虛擬儀器技術

35、迅猛發(fā)展階段，第四階段是網絡化的虛擬儀器技術，由于物聯(lián)網時代的到來，將物品聯(lián)網管理的重要性就體現(xiàn)出來了，虛擬儀器模塊化管理、高度兼容性的優(yōu)勢被國內工程界人士青睞，虛擬儀器技術正在成為一種新潮流。5.5虛擬儀器的分類虛擬儀器在其采用的總線傳輸方式上和隨著微機的發(fā)展上各有不同，可將其分為兩類：（1）插卡型VI（PCI接口類型）這種方式是利用PCI 數(shù)據(jù)線和計算機進行交互，以前的虛擬儀器采集卡都是以PCI 板的形式出現(xiàn)，缺點就是放在計算機機箱中太占體積，并且其產生的噪聲不易控制，而且PCI 總線提供的功率也是有限的?，F(xiàn)在這種插卡型的板子已被淘汰。（2）并行口式虛擬儀器這種類型是利用并口和計算機互連，

36、這種并口方式的好處就是可以跟過去的筆記本計算機互連，也能跟臺式機相連，比較方便。其特點是比較便宜，所以用途比較廣泛。5.6虛擬儀器的優(yōu)勢1.比其他的語言更容易入門，培養(yǎng)一名C 語言程序員的時間是培養(yǎng)一名labVIEW 程序員時間的五倍。2.圖形編程語言直觀并且易于理解，甚至適合于兒童教育，它“搭積木”式的編程方法易于理解，更容易讓人接受。3.界面友好，用戶可以直接接觸labVIEW 的前面板自定義的人機交互界面，操作簡單明了，而真正的程序放在后面板供開發(fā)人員使用，界面美觀。4.編程方式方便，圖形化的編程界面使得用戶只需要選擇元器件和連線即可，去掉了繁瑣的，傳統(tǒng)的鍵盤敲打程序的過程，連接方便可靠

37、。5.適用性廣，兼容性好，NI公司起初設計labVIEW 虛擬儀器的理念就是方便用戶的使用，其中的I/O驅動非常全面，甚至不會讓用戶感受到兼容性的問題。6.開發(fā)周期短，虛擬儀器的內部電路都是在PC 中模擬的，相比于傳統(tǒng)實實在在的硬件電路搭接要更加方便靈活，其具有模塊性，移植性，可替代性和重復使用性等特點。7.可充分發(fā)揮出計算機的計算能力，創(chuàng)造出更強大的虛擬儀器。5.7虛擬儀器的應用近些年來虛擬儀器在生活、工程、科學研發(fā)領域應用的范圍已非常廣泛，虛擬儀器憑借著其利用計算機CPU 內存等高效處理能力以及其和其他軟件的高兼容性，深受工程師，研發(fā)人員，程序員的喜愛。虛擬儀器在開發(fā)和科研方面應用非常廣泛

38、，模塊化的程序可以應用到不同類型場合，同時，虛擬儀器在檢測計量方面、測量測控方面的應用也非常廣泛，虛擬儀器已經替代了傳統(tǒng)的實際存在的儀器儀表（如示波器、頻譜儀和信號發(fā)生器等），在野外工作時為人們提供了便利條件，利用虛擬儀器技術，還可以在測定系統(tǒng)的特定參數(shù)方面更方便可靠的測得參數(shù)，例如血液粘度，心電圖參數(shù)，鋼爐溫度等。在一些特殊的場合，要求虛擬儀器的采樣精度高，利用計算機強大的CPU 和數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率也可以輕松實現(xiàn)，虛擬儀器在測試流量，電力儀表，溫度監(jiān)控系統(tǒng)中應用已日趨成熟。憑借著虛擬儀器的高兼容性，相信其在未來物聯(lián)網時代中也會很受歡迎，虛擬儀器技術是一項很具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g。第六章測試系

39、統(tǒng)的設計和實現(xiàn)本次設計的系統(tǒng)結構如圖6-1所示： 圖6-1系統(tǒng)結構圖在labVIEW2013的前面板中調節(jié)首通道，末通道，程序控制增益，量程選擇，接地方式等DA 參數(shù)，使計算機通過USB 總線來控制ART USB2833數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)DA 轉換，USB2833輸出的模擬信號連接到恒流源電路的輸入端，并且將恒流源電路的手動控制跳線跳斷，改為外部控制功能，從而利用USB2833的輸出電壓來控制恒流源輸出恒定電流。本次設計使用的恒流源電路是由功率電子管（MOSFET）、比例調節(jié)器和積分調節(jié)器共同構成，其中比例調節(jié)器與積分調節(jié)器二者共同構成閉環(huán)系統(tǒng)，比例調節(jié)器將被調控量與給定值相比較，對系統(tǒng)的固有變差

40、進行調節(jié)；積分調節(jié)器按照偏差的積分來輸出連續(xù)信號調節(jié)被控量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。漏電流可以在場效應晶體管（MOSFET管）工作在放大狀態(tài)時流過采樣電阻，從而使得恒流源輸出持續(xù)穩(wěn)定的電流。labVIEW 會通過驅動計算機向USB2833數(shù)據(jù)采集卡輸出數(shù)字信號進行操控，USB2833數(shù)據(jù)采集卡又將從計算機處接收到的數(shù)字信號轉化為模擬信號來為恒流源提供給定值，恒流源輸出持續(xù)穩(wěn)定的電流。恒流源在輸出電流的同時也會從被測物上采集模擬信號，再將采集到的電壓經過模數(shù)轉換轉換成數(shù)字信號，再送往計算機進行處理，經過計算機分析處理后的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，以對電池的性能進行評估。下面將從計算機的軟件選擇，數(shù)據(jù)采集卡的

41、選擇和恒流源電路的設計三個方面分別介紹實現(xiàn)本系統(tǒng)功能的三個模塊。6.1在PC 模塊中的軟件選擇本設計采用的軟件是虛擬儀器軟件labVIEW，labVIEW的編程方式是基于數(shù)據(jù)流的編程方式，相比于傳統(tǒng)的文本式編程，labVIEW的圖形化編程更加生動形象，能更直觀的反映出編程者的思路，并且相比于傳統(tǒng)文本式編程的順序化編程思路，labVIEW 軟件的編程思路更傾向于并行，所以使用labVIEW 編程軟件編程入門要比傳統(tǒng)編程方式更加簡單，模塊化的圖形語句也為編譯查錯提供了方便。6.1.1labVIEW 簡介labVIEW 與C 語言和BASIC 語言有相近之處，他們都是常用的編程軟件，但labVIEW

42、 編程軟件和其他編程軟件的本質在于labVIEW 軟件是用的編程方式是圖形語言，這和傳統(tǒng)的編程方法有著很大的不同，傳統(tǒng)固化的編程方法都是順序結構的，有著其局限性，labVIEW的圖形化編程方法將圖標式的元件用線連接起來，更高效的并行程序執(zhí)行方式更符合人的思路，而其中比較少用的順序執(zhí)行結構可以用順序執(zhí)行圖標來代替，按照順序執(zhí)行程序。labVIEW圖形編程語言還可以在用戶封裝好子函數(shù)的基礎上進行更高一級的封裝，以創(chuàng)造出功能更強大的元件，而C 語言，BASIC等傳統(tǒng)語言在此功能上就顯得困難和復雜得多。labVIEW 在前面板（用戶界面）上可以顯示出與示波器、萬用表、信號發(fā)生器等相類似的控件，用戶還可

43、以在前面板上添加數(shù)值輸入控件、數(shù)值顯示控件等虛擬的操作控件，直觀形象，非常容易入門。同樣培養(yǎng)一名程序員，學習labVIEW 所用的時間是學習C 所用時間的1/5。圖形編程語言被稱為G 語言，labVIEW圖形化的編程方式又可以看做是另一種流程圖，通過圖標的邏輯性放置可以很清晰的看清楚一個人的編程思路，在這點上要比傳統(tǒng)文本編程方式的文字性注釋方便得多。開發(fā)人員可以通過在后面板上編寫邏輯程序從而實現(xiàn)對前面板用戶操作器件的控制和連接。6.1.2labVIEW 的組成labVIEW 的組成可以理解為三部分，圖標和連線、前面板(FrontPanel和數(shù)據(jù)流程圖(BlockDiagram。圖標和連接器：圖

44、表和連接器是labVIEW 編程軟件的核心，就好像其他編程語言中的代碼一樣，它們是控制程序執(zhí)行邏輯的關鍵器件，通過在前面板上放置器件可以在后面板中顯示相應表示此器件的圖表，同時，編程人員還要在后面板中添加一些邏輯控制，數(shù)學計算，大小比較，條件，循環(huán)等語句，才能夠實現(xiàn)對前面板元器件功能的控制和對程序流程的設定。前面板：用戶界面，用戶可以在前面板放置按鈕旋鈕，開關，圖表，示波器，顯示控件和輸入控件等器件，這些器件是在程序執(zhí)行中可觀，形象的器件，通過后面板的連線和邏輯編程才能夠在程序執(zhí)行時正常工作。數(shù)據(jù)流程圖：數(shù)據(jù)流程圖顯示在后面板上VI 從數(shù)據(jù)流框圖程序中接收指令，框圖程序是一種解決編程順序問題的

45、圖形方法，實際上也是VI 的程序代碼。在流程圖中對VI 編程，以控制和操縱定義在用戶界面上的輸入和輸出功能。6.1.3labVIEW 的特點1.在采用硬件方面：盡可能地采用通用的硬件（如PC），利用計算機等硬件的強天津天獅學院2014屆本科生畢業(yè)設計（論文）大處理功能作平臺，各種儀器功能實現(xiàn)的主要差異是軟件。2.能夠充分利用計算機硬件和軟件資源，集成了計算機較強的數(shù)據(jù)處理功能，程序可以被用作子程序以創(chuàng)造出功能更強的虛擬儀器。3.用戶可以根據(jù)自己的要求制造各種儀器和自定義儀器本身的功能。6.2設計系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡的選擇6.2.1USB2833數(shù)據(jù)采集卡概述USB2833數(shù)據(jù)采集卡是北京阿爾泰科技

46、有限公司的產品，相比于同類數(shù)據(jù)采集卡，USB2833更具有性價比，它同時集成了A/D和D/A的功能，采樣頻率高，散熱小，性能穩(wěn)定，緩存大，處理數(shù)據(jù)速度快，采用USB 接口與計算機相連非常方便可靠，是本次設計的選擇。6.2.2USB2833功能介紹USB2833具有AD （模擬-數(shù)字）轉換功能：利用AD7321轉換芯片對模擬信號進行轉換，AD 轉換功能提供：-10.0V-10.0V、-5.0V-5.0V(默認、-2.5V-+2.5V、0.0V-10.0V 四種量程。轉換精度是13位的。最高采樣頻率500KHz，模擬輸入通道有16路單端和8路雙端兩種。采樣通道數(shù)可以通過labVIEW 軟件進行選擇

47、，利用首通道和末通道的差+1來進行控制。程序控制放大器默認為AD8251，并兼容AD8250和AD8253兩種類型的芯片。USB2833具有DA（數(shù)字-模擬）轉換功能：利用AD5724轉換芯片進行轉換，輸出量程為0.0V5.0V、0.0V10.0V、0.0V10.8V、-5.0V-5.0V、-10.0V-10.0V、-10.8V-10.8V，轉換精度為12位，建立時間為10微秒，有4通道，滿量程為±1LSB。板卡尺寸：120.02mm(長×98.81mm(寬如圖6-2所示： 圖6-2數(shù)據(jù)采集卡尺寸6.2.3USB2833與恒流源的連接當恒流源的跳線拔出，置為外控時，即可使用USB2833的I/O接口連接。本次設計中計算機與USB2833的連接是通過USB 總線進行連接的，而USB2833數(shù)據(jù)采集卡和恒流源之間的連接用了4根線，通過AI0、AI1、AO0和AGND 四根連線連接恒流源，AO0和恒流源的壓扁平線電纜JP3的1管腳連接，AI1、AO0則分別于2、3管腳連接，AGND與10腳連接。本次設計使用的是19管腳作為USB2833采集信號的輸入接口，使用10，28兩管腳（AO0、AO1）作為USB2833的輸出接口。使用29管腳接地。AD和DA 的接法分別入圖6-3和圖6-4所示。 圖6-3