周永健 蔣力立

【摘要】本設(shè)計(jì)是基于圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW，配合計(jì)算機(jī)和通訊電路所組成的一個(gè)虛擬測(cè)試儀器，用于測(cè)量和顯示光耦器件的輸出特性和電流傳輸比等參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW;虛擬測(cè)試儀器;光耦器件;輸出特性;電流傳輸比

光耦是一種利用光作為傳輸?shù)拿浇槎闺娦畔⒌玫絺鬏數(shù)钠骷?。本文主要研究光耦器件的輸出特性和電流傳輸比CTR（Current transfer ratio）。所謂的輸出特性，是指在發(fā)光電流IF在某一數(shù)值的條件下，光敏三極管的偏置電壓VCE和輸出電流IC之間的關(guān)系。CTR，即電流傳輸比，這里表示的是直流電流傳輸比。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，CTR等于直流輸出電流IC和直流輸入電流IF之比乘上百分?jǐn)?shù)。本文的目的是通過(guò)設(shè)計(jì)電路，在Proteus上仿真出光耦的某些輸出特性，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW上自動(dòng)地測(cè)試和顯示光耦元件的輸出特性曲線及顯示出指定IF的電流傳輸比CTR的數(shù)值[1]。

1.測(cè)試系統(tǒng)框圖

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，主要包括為光耦提供正向電流IF的數(shù)控恒流源、提供掃描電壓的三角波發(fā)生電路、采集和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的的單片機(jī)控制電路以及用于顯示光耦的輸出曲線的LabVIEW圖形化程序。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)總體框圖

2.測(cè)試電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控電流源的設(shè)計(jì)

這部分的電路主要是由單片機(jī)程控設(shè)定數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器AD5320輸出模擬量，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電流[2]。另外，因?yàn)樾枰私饽壳八敵龅碾娏鲾?shù)值，單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對(duì)恒流源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電流經(jīng)過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1241，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，利用數(shù)碼管顯示當(dāng)前的正向電流IF的數(shù)值，方便后面LabVIEW的顯示。

2.2 掃描電壓的設(shè)計(jì)

對(duì)于掃描電壓，需要滿足條件是能夠連續(xù)變化的電壓信號(hào)，因此正弦波以及三角波發(fā)生電路都能夠滿足要求。但是考慮到三角波電路電壓信號(hào)的線性度較好，隨時(shí)間呈y=kx的線性變化，因此設(shè)計(jì)三角波發(fā)生器提供光耦的掃描電壓。另外，為了方便測(cè)量，在三角波發(fā)生器后加入了一個(gè)線性全波檢波電路，把三角波發(fā)生器所產(chǎn)生的電壓都變換成正向的壓降。用此電壓接入光耦的集電極。另一端接入采集通訊模塊的A/D，用此電壓減去光耦發(fā)射極的電位，即為VCE。

2.3 采集與通訊電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)正向電壓通入光耦的發(fā)光端，掃描電壓接入到光耦受光端的集電極和發(fā)射極時(shí)，不同的VCE會(huì)有相應(yīng)的IC輸出。對(duì)于VCE，因?yàn)閽呙桦妷航尤氲氖枪怦畹募姌O，相當(dāng)于是VC的電位，因此在采集VCE的數(shù)據(jù)時(shí)，需要通過(guò)轉(zhuǎn)換得到。把掃描電壓模塊的輸出端輸入到采集電路的一塊A/D中，采集得到的電壓VC還需要減去另一塊A/D所采集到的電壓VE，從而得到集電極-發(fā)射極間的電壓VCE。對(duì)于IC，由于單片機(jī)從A/D上所采集到的電壓為VE，因此采集后需要除以發(fā)射極上的負(fù)載電阻，得到發(fā)射極電流IE。由于在受光端的光敏三極管上IE=IC+Ib，對(duì)于電流傳輸比很大的光耦器件，它的Ib很小，因此IE可以約等于IC。因此IC≈IE=VE/RL，利用這種方法，就能在單片機(jī)上作出運(yùn)算，把采集到的VE轉(zhuǎn)換成IC的數(shù)值。

3.LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

在本實(shí)驗(yàn)中，LabVIEW作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的終端，用于接收和顯示光耦器件的特性曲線，而且還包括CTR的實(shí)時(shí)計(jì)算。而且利用LabVIEW編程的強(qiáng)大功能，可以與計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)以及其他應(yīng)用程序的使用相結(jié)合，大大方便了實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄和分析[3]。因此LabVIEW的應(yīng)用是光耦測(cè)試系統(tǒng)的核心。LabVIEW在光耦測(cè)試中主要起到三部分的作用，一是利用自身的串口通訊函數(shù)庫(kù)接收經(jīng)單片機(jī)串口所傳輸過(guò)來(lái)的兩組數(shù)據(jù)VCE和IC。二是利用這兩組數(shù)據(jù)所組成的數(shù)組畫出對(duì)應(yīng)的XY圖。三是計(jì)算CTR。下面來(lái)詳細(xì)地說(shuō)明每個(gè)部分作用的具體實(shí)現(xiàn)。

3.1 LabVIEW的通訊串口

單片機(jī)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，而LabVIEW自帶的串口函數(shù)庫(kù)中則包含了基本的串口通訊里常用的功能，包含寫入、讀取以及COM口設(shè)置和初始化等等。由于串口通訊傳輸浮點(diǎn)數(shù)存在一定的困難，因此需要對(duì)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能完整地傳送到計(jì)算機(jī)上。這里采取的方式是把浮點(diǎn)數(shù)的前四位有效數(shù)字單獨(dú)提取出來(lái)，作為一個(gè)單獨(dú)的字符進(jìn)行傳輸。當(dāng)在LabVIEW上從緩沖區(qū)讀取以后，再通過(guò)轉(zhuǎn)換為無(wú)符號(hào)字節(jié)數(shù)組以及字符數(shù)組的索引得到該位的數(shù)字，乘上其本來(lái)相應(yīng)的權(quán)。如此讀取四次，將乘上位權(quán)后的數(shù)加起來(lái)就能完整地得到原來(lái)的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過(guò)一個(gè)層疊式順序結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)讀取四個(gè)字符數(shù)據(jù)，再通過(guò)運(yùn)算把這四個(gè)為一組的數(shù)據(jù)還原成一個(gè)四位有效數(shù)字的浮點(diǎn)數(shù)。

3.2 LabVIEW的圖像顯示

從串口讀取數(shù)據(jù)，并還原成浮點(diǎn)數(shù)據(jù)以后，可以把這兩組浮點(diǎn)數(shù)構(gòu)成兩組數(shù)組，分別作為XY圖的X軸和Y軸用于顯示。以傳輸?shù)絃abVIEW上的IC為Y軸，VCE為X軸，構(gòu)成光耦輸出特性圖。放置XY圖以后，在程序框圖中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)擁有一個(gè)輸入端的圖標(biāo)，兩個(gè)數(shù)組在輸入到XY圖之前需要添加一個(gè)捆綁，才能把兩個(gè)數(shù)組輸入作為X、Y軸。另外不同的正向電流數(shù)值間的切換，通過(guò)在前面板添加旋鈕切換的控件來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋鈕控件類似于現(xiàn)實(shí)當(dāng)中測(cè)量?jī)x器的旋鈕，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)選擇不同的檔位。在程序框圖中，旋鈕就類似與一個(gè)數(shù)值輸入的控件，代表著在前面板中檔位所指著的數(shù)值。對(duì)于前面板檔位的選擇，這時(shí)候就要參考在數(shù)控電流源模塊中所輸出的電流大小，這就是數(shù)控電流源中設(shè)置數(shù)碼管顯示的意義。對(duì)于此時(shí)輸出的正向電流，操作者可以在數(shù)碼管顯示的數(shù)值上得到反饋，然后就能在LabVIEW上調(diào)整相應(yīng)的檔位。

3.3 LabVIEW的數(shù)據(jù)處理

由CTR的定義，當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，CTR等于直流輸出電流IC和直流輸入電流IF之比乘上百分?jǐn)?shù)可得，CTR=IC/IF*100%。由于在循環(huán)結(jié)構(gòu)中所輸出的數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)數(shù)組，而作為IC和VCE的顯示只能是某個(gè)時(shí)刻的具體數(shù)值，因此加入了索引數(shù)組的方法，隨機(jī)地從數(shù)組當(dāng)中抽取出一個(gè)數(shù)字來(lái)顯示，通過(guò)這種方法能夠得到IC的數(shù)據(jù)。對(duì)于IF。這里采用的方法是把旋鈕控件的數(shù)值輸入作為IF的數(shù)值用于CTR的計(jì)算中。因?yàn)樾o數(shù)值是人為地根據(jù)數(shù)碼管顯示而作出的調(diào)整，在數(shù)值上與輸入的IF大小接近。而且免除了在數(shù)控恒流源模塊中添加串口傳輸?shù)牟襟E，簡(jiǎn)化了電路的結(jié)構(gòu)。

4.仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄

以Proteus中光耦為例，型號(hào)為：NEC-PS2501-1。因光耦器件正向電壓大小的限制，此數(shù)控恒流源輸出電流的范圍為10mA-30mA，初始條件下，輸出20mA，可以通過(guò)“+”、“-”按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)電流值的調(diào)整，調(diào)整的步距為：5mA，輸出的最大值為30mA。采集通訊電路采集的是 UC和UE的數(shù)值，可以看到同一時(shí)刻下兩個(gè)A/D分別所采集到的電壓數(shù)值。通過(guò)在單片機(jī)上所設(shè)置的算法分別計(jì)算出VCE和IC的數(shù)值。在Proteus的仿真中，只需要添加串口映射模塊COMPIM元件，在Proteus軟件里，就可直接使單片機(jī)與計(jì)算機(jī)上的LabVIEW相連，不需要另外加MAX232器件進(jìn)行TTL和RS232電平[4]。在LabVIEW的前面板設(shè)置通訊COM口選擇、IF輸入旋鈕、XY圖，以及IC、VCE和CTR的實(shí)時(shí)數(shù)值顯示，在電路開始工作以后，XY圖表顯示出光耦的特性曲線。

圖2 光耦特性曲線

數(shù)值顯示框顯示旋鈕對(duì)應(yīng)正向電流下IC、VCE和CTR的一組實(shí)時(shí)數(shù)值。如圖3所示，顯示的是在20mA正向電流下的一個(gè)瞬時(shí)數(shù)據(jù)。

圖3 VCE、IC、CTR的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

調(diào)整VCE至一個(gè)恒定值（5V），然后將數(shù)控恒流源設(shè)置成自動(dòng)步進(jìn)遞增狀態(tài)，可以在LabVIEW上得到IF-CTR關(guān)系圖。

圖4 IF-CTR關(guān)系圖

5.結(jié)論

由仿真所得的光耦特性曲線圖可知，光耦測(cè)試儀所測(cè)得的光耦特性曲線與光耦器件產(chǎn)品說(shuō)明書上所標(biāo)注的輸出曲線基本相符，能夠利用虛擬儀器較好地測(cè)量出光耦器件的輸出特性以及實(shí)時(shí)的電流傳輸比，是一種專門為光耦器件設(shè)計(jì)出的一種測(cè)量設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]孫德剛，孫光.光耦線性化與線性光耦器件的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（1）：82-83.

[2]姜宇鵬，肖棋文，陳越惠.基于51單片機(jī)的數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)[M].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011（12）：63.

[3]林靜，林振宇，鄭福仁.Labview虛擬儀器程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.7：2，355.

[4]張力，林衛(wèi)共.Labview及Proteus軟件環(huán)境下單片機(jī)串口通訊的仿真方法[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33（4）：87-88.

基金資助：2012年廣東省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（1184512276）;2013年度廣東工業(yè)大學(xué)校級(jí)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2013Y014）;2014年廣東省精品資源共享課建設(shè)項(xiàng)目資助（ZYGX011）。