基于虚拟仪器的电机实验检测系统_毕业设计论文.doc

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1、鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 页 基于 Lab VIEW 的电机实验检测系统 摘 要 虚拟仪器（Virtual Instrument）是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其 他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项 美妙的新成果。利用虚拟仪器开发电机参数检测系统是本文的主要任务。被检测的电 机参数包括电压、电流、温度等，电机性能的好坏取决于参数是否符合标准。论文介 绍了电机参数测量的原理和利用 LabVIEW 进行系统设计。本论文分析了当前虚拟仪器 的发展现状后，研究了应用于电工实验教学的虚拟电机参数检测系统：选择 PC-DAQ 方式构成虚拟仪

2、器检测系统、图形化编程语言 LabVIEW 作为软件开发平台，完成了虚 拟仪器检测试系统的设计。在硬件电路设计中，信号调理电路和数据采集卡是整个检 测系统的不可缺少的部分。软件部分是本文设计的重点，本文着重于模块化的设计思 路详细介绍了数据存储、读取与参数计算等模块的设计。文章最后，提出了虚拟仪器 设计有待进一步研究的主要问题。 关键词：电机参数，LabVIEW，检测 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 I 页 Experiment detection system of electric machine based on LabVIEW Abstract Virtual instrume

3、nt (VI) is a great new production what is based on integrating computer hardware and software in addition bus technology with measuring and instrumentation technology. Exploiting the detection system of electromechanical parametric with virtual instrument is primary task of the paper. Electromechani

4、cal parameters which should be detected include voltage 、electrical current、temperature etc. The stand or fall of electromechanical character depended on that satisfy the standard or not. In this paper, the theory of electromechanical parameter measurement and the design way of the system with LabVI

5、EW was introduced. After the VIs actuality was analysed, a virtual electric parameter measuring system applying to electrical experiment teaching was researched; The PC-DAQ mode was selected to constitute the VI measuring system. And the graphical programming language LabVIEW was used as software de

6、velopment platform. A specimen of the virtual measuring system had completed. During the design of hardware circuit, the signal conditioning circuit and the DAQ card is important to whole systems indispensable department. The matters which need attention in doing printed circuit board were showed. A

7、bout the software, the idea of modularized design was emphasized in this paper. Many program modules were introduced in details, including the data storage with reading, parametric counting and so on. The conclusion and recommendations was presented in the end of the paper. Keywords: Electrical Para

8、meter，LabVIEW，Detection 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 II 页 目录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 绪 论.1 1.1 虚拟仪器及 LABVIEW 概念1 1.2 LABVIEW 的特点及发展前景.3 1.3 课题意义及任务 4 2 系统总体结构设计.5 2.1 LABVIEW 测试系统及设计指标.5 2.1.1 虚拟仪器的系统构成5 2.1.2 系统的设计指标6 2.2 系统测量原理 6 2.2.1 交流电气参数的测量原理7 2.2.2 L、R、C 参数测量原理.10 3 虚拟仪器（LABVIEW）的系统平台设计12 3.1 虚拟仪器（LABVIE

9、W）的硬件平台设计.12 3.1.1 信号调理及数据库采集卡12 3.1.2 GPIB(General Purpose Interface Bus)系统13 3.1.3 VXI（VME BUS Xtension for Instrumentation）总线 14 3.1.4 串行总线.14 3.2 虚拟仪器（LABVIEW）的软件平台设计.14 3.2.1 程序模块设计14 3.2.2 数据存储与读取15 3.2.3 参量计算16 4 调试和运行.18 4.1 调试 18 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 III 页 4.2 运行 19 结 论.20 致 谢.21 参考文献.22 附录

10、A 英文文献.23 附录 B 中文译文.29 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 0 页 1 绪 论 测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、 数字化仪器和智能仪器。20 世纪 80 年代末，随着微电子技术与计算机技术的飞速发 展，测试技术与计算机深层次的结合引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的 仪器结构概念导致新一代仪器虚拟仪器（Virtual Instrument）的出现。 1.1 虚拟仪器及 LabVIEW 概念 虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上、功能由用户设计和定义、具有虚 拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实

11、质是利用计 算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果， 利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用 I/O 接口设备完 成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用鼠 标或键盘操作虚拟仪器面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此虚拟仪器的出 现，使测量仪器与计算机的界限模糊了。 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种图形化的 编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据 采集和仪器控制软件。LabV

12、IEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的 硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标 准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪 器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代 码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、 图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的 科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

13、使用它进 行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。LabVIEW 的工 作面板如图 1.1、图 1.2 所示。 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 1 页 图1.1 LabVIEW VI(虚拟仪器)前面板 图1.2 LabVIEW VI(虚拟仪器) 后面板 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 2 页 1.2 LabVIEW 的特点及发展前景 同传统仪器相比较，虚拟仪器具有以下特点： 1、LabVIEW 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发 工具库。 2、LabVIEW 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器” ，即“VIs” 。在计 算机

14、显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面板（Front Panel） ；在后台则是 利用图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪 器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。 3、LabVIEW 是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用 于 GPIB 设备控制、VXI 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的 应用程序模块。 4、LabVIEW 可方便地调用 Windows 动态链接库和用户自定义的动态链接库中的 函数；LabVIEW 还提供了 CIN (C Interface Node)节点使得用户可以使用由 C 或 C+ 语言

15、，如 ANSI C 编译的程序模块，使得 LabVIEW 成为一个开放的开发平台。 LabVIEW 还直接支持动态数据交换（DDE） 、结构化查询语言（SQL） 、TCP 和 UDP 网络协议等。 此外，LabVIEW 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便地设 置断点，动态地执行程序，从而非常直观地观察数据的传输过程，以及方便地调试。 表表 1.1 虚拟仪器与传统仪器的对比虚拟仪器与传统仪器的对比 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短（0.51 年）技术更新周期长（510 年） 软件是关键硬件是关键 价格低价格昂贵 开放、灵活与计算机同步，可重复用

16、和重配置固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备 自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便 综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是核心， 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 3 页 高质量的 A/D 采集卡及调理放大器与传感器是基础。20 世纪 80 年代美国国家仪器公 司(National Instruments Corporation 简称 NI)首先提出了虚拟仪器的概念。此后虚拟仪 器技术经过十几年发展，而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平 台图形化和硬件模块的即插即用方向前进。已在电子测量、物理探伤、电子工程、振 动分析、

17、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛 应用。以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善，加上计算机技术 和网络技术的迅猛发展，建立在虚拟仪器技术上的各种功能强大、性能优良的先进仪 器将层出不穷，价格也会越来越低，使用虚拟仪器进行研究、设计、测试将成为一种 趋势，同样，虚拟仪器技术也将成为学校未来教学科研的重要方法和手段，特别是在 理工科学校其应用前景非常广阔。 1.3 课题意义及任务 近年来，随着计算机技术的飞速发展，电动机计算机辅助测试（CAT）系统在电 机行业得到了普及。基于计算机的电机性能测试也逐步取代传统的手动操作式电机检 测，并向着自动化智能化

18、的方向发展。然而，基于传统开发平台的电动机自动检测系 统，往往面临开发周期长、成本高、兼容性和扩展性弱的不足，从而也阻碍了电动机 自动检测系统的广泛应用。 现在通过虚拟仪器应用软件将计算机与标准化虚拟仪器硬 件结合起来，实现传统仪器功能的软件化与模块化，以达到自动检测与分析的目的。 利用虚拟仪器技术用户可以通过图形化的编程环境和操作界面，轻松完成对待测对象 的信号调理、过程控制、数据采集、分析、显示和存储等功能，大大缩短了系统开发 周期；同时由于采用了标准化的虚拟仪器软硬件，测试系统的兼容性和扩展性也得到 了很大程度的增强；此外，虚拟仪器技术的灵活性强和可重用度高，且易于升级和维 护，用户甚至

19、可以使用现有硬件组成另一套测试系统，从而减少不必要的重复投资， 降低系统的开发成本。 本课题开发了电机参数实验检测系统的部分工作，实现了三相交流电压电流有效 值、有功功率、无功功率，功率因数等常见电气参数的测量，并实现了标准值、测量 值之间的比较功能。总体任务如下： 1、 电机参数实验检测系统的总体结构设计。 2、信号调理电路的设计及实现。 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 4 页 3、数据采集卡 I/O 驱动程序。 4、基于 LabVIEW 的电机参数实验检测系统应用程序编程。 2 系统总体结构设计 2.1 LabVIEW 测试系统及设计指标 2.1.1 虚拟仪器的系统构成 系统由信号

20、调理电路、数据采集卡、计算机及应用软件四部分组成。调理电路分 为直流调理电路、交流调理电路、L、R、C 调理电路，分别用来测量直流电压、电流； 三相交流电压、电流、功率、功率因数；电感、电阻、电容。虚拟仪器测试系统框图 如图 2.1 所示。 图 2.1 虚拟仪器系统 虚拟仪器系统的工作过程：先把由传感器获取的电信号输入系统的信号调理电路， 经信号调理电路进行放大、滤波，再经数据采集卡存入内存，然后对采集到的数据进 行数据分析和处理。 1、传感器。传感器完成信号的获取后，将被测参量转换成相应的可用输出信号。 被测参量可以是各种非电气参量，也可以是电气参量。如电力输电线高电压电网，可 通过电压互感

21、器将高电压变为 100 V 电压、通过电流互感器将电网大电流变为 5 A 后， 仍需采用电压、电流传感器或变送器再将 100 V 电压及 5 A 电流分别转换成 5 V 低电 压，然后送入数据采集卡中的 A/D 转换器。 2、信号调理。来自传感器的输出信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。因此，后 面配接的信号调理电路的基本作用有两个：一是放大，将信号放大到与数据采集卡中 的 A/D 转换器相适配；二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以降 低采样频率，避免产生混淆。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，即 420 mA 电流信号，则称这种信号调理电路为变送器。此外，根据需要还可进

22、行信号隔离与 变换等。 3、数据采集卡。主要功能有：（1）由衰减器和增益可控放大器进行量程自动改 换；（2）由多路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样，时间连续信号 x(t) 经 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 5 页 过采样后变为离散时间序列 x(n)，n=0，1，2；（3）将信号的采样值由 A/D 转换 器转换为幅值离散化的数字量，或由 V/F 转换器转换为脉冲频率以适应计算机工作。 4、LabVIEW 软件平台。LabVIEW 软件平台是系统的神经中枢，它使整个测量系 统成为一个智能化的有机整体，在软件导引下按规定的程序自动进行信号采集与存储， 自动进行数据的运算分析与处理，以

23、适当形式输出、显示或记录测量结果。 2.1.2 系统的设计指标 频率和电压是电能生产与消费部门进行电能质量检验的必备指标。交流电在一秒 钟内正弦参量交变的次数称为频率(frequency )，其单位为赫兹( Hz )。频率是对单位时 间内连续变量进行的计量，要求被测系统是一个相对稳定的动态系统。交流电力系统 的标称频率(specified frequency)有 50 Hz 和 60 Hz 两种，我国交流电网采用的是 50Hz。 （2.1）%100(%) s s f ff f 式中：为频率偏差，为实际频率，为为标准频率。ff s f （2.2）%100(%) N N U UU U 式中：为电压

24、偏差，为实际电压， 为标准电压。UU N U 国标 GB/T15945-1995电力系统频率允许偏差规定，设备允许的频率偏差为 1%。国标 GB 12325-90电能质量供电电压允许偏差规定，35 kV 及以上供电电压 正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的 10%，10 kV 及以下三相供电电压允许偏 差7%. 220 V 单相供电电压允许偏差+7%、10%。 系统的设计指标为：(1) 电能计量0.5%；(2)电压测量范围 190420 V，测量误 差 0.2%；(3)电流测量范围 0600 A，测量误差0.2%；(4)相位测量范围 0，测 90 量误差0.2%；(5)频率测量范围 4852

25、 Hz，测量误差0.1%；(6)功率因数测量范围 01.0， 测量误差0.2%。 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 6 页 2.2 系统测量原理 系统的设计要与系统面向的对象联系起来。本文研究的是电机参数的测量，系统 设计的主要难点在于交流电机参数的测量。 2.2.1 交流电气参数的测量原理 1、单相电路的参数测量。由电路理论知，正弦交流电瞬时值的表达式为： （2.3）)sin( um tUu （2.4）)sin( im tIi 式中：和分别为电压和电流的最大值，为交流电信号的角频率，、 m U m I u 分别为电压和电流的初相位。习惯上初相角绝对值小于等于。为两个 i 180 ui

26、正弦量的相位差。 0，说明，则超前 一个相位角。= 0，即与 同相位， u i uiui 简称同相（In Phase）。 0，则滞后 一个相位角。=，则称它们反相。ui 交流电流的有效值为: （2.5）ti T I T d 1 0 2 对于周期电压则有： （2.6）tu T U T d 1 0 2 由此可见，周期量的有效值是瞬时值的平方在一周期内的平均值再取平方根，因 此有效值也叫做均方根值（Root-mean-square Value） 。在一个周期内，电路所吸收的平 均功率叫做有功功率，即 （2.7）cosd 1 0 UItui T P T 电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率,即UI

27、 （2.8）UIS 无功功率的定义为 （2.9）sinUIQ 则视在功率、无功功率、有功功率之间的关系可以用直角三角形表示出来，为 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 7 页 （2.10）cos SP （2.11）sin SQ （2.12） 22 QPS 将被测信号进行离散化处理。系统在被测交流信号的一个周期内对其进行次采N 样，测得离散的采样值，根据前面所介绍电路理论的知识，可以得出交流电压、 k u k i 电流有效值为 （2.13） 1 0 2 1 N k k u N U （2.14） 1 0 2 1 N k k i N I 式中：，为采样时间间隔。N/Ttt 以离散的采样值计算有功

28、功率为： （2.15）cos 1 1 0 UIiu N P N k kk 视在功率为： （2.16） 1 0 2 1 0 2 11 N k k N k k i N u N UIS 无功功率为： （2.17）sinUIQ 或者 （2.18） 22 PSQ 2、三相电路功率的测量。三相电路中，负载的联接方式有星形联接和三角形联接。 星形联接时，根据需要可以采用三相三线制或三相四线制供电，三角形联接时只能用 三相三线制供电。三相四线制电路中，负载所消耗的总功率需要分别测出 A、B、C 各 相负载的功率，然后相加。即 （2.19） CBA PPPP 在三相三线制电路中，通常用两只功率表测量三相功率。采

29、用两表法测功率接线图如 图 2.2 所示。仪器 、测得的瞬时功率为： 1 W 2 W 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 8 页 （2.20） BBC2AAC1 ,iuPiuP 瞬时功率之和为： （2.21） BCACBBAA BCBACA BBCAAC21 )()( iuiuiuiu iuuiuu iuiuPP 图 2.2 三相三线制功率表接线图 因为三相三线制电路，所以 ABC 0iii （2.22） CCBBAA21 iuiuiuPPP 它在一个周期内的平均值就是三相总瞬时功率在一个周期内的平均值。不管电源 或负载是否对称，不管是星形负载还是三角形负载，上述结论都正确。所以三相所消

30、耗的总功率： （2.23） 2BBC1AAC21 coscosIUIUPPP 以离散的采样值计算， 1 P 2 P （2.24） 1 0 BBC2 1 0 AAC1 1 , 1 N k kk N k kk iu N Piu N P 进一步求得三相电路的有功功率 （2.25） 1 0 BBC 1 0 AAC21 11 N k kk N k kk iu N iu N PPP 三相无功功率和视在功率与单相电路的计算类似。当三相负载对称时，不论星形 或三角形接法，三相中、和都是一样的，所以每一相中的功率大小相等，三UIcos 相功率为单相功率的三倍，即三相功率 （2.26） cos3cos3 11I

31、UIUP 无功功率和视在功率为： （2.27）sin3 11I UQ 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 9 页 （2.28） 11 3IUS 2.2.2 L、R、C 参数测量原理 根据欧姆定律，阻抗可以看成是电路中电压与电流之比，在正弦交流的情况下， 电压与电流的比值是复数，在直角坐标系统中，阻抗可以表示为：Z A （2.29）jXR I V Z 在 L、R、C 测量系统中，如图 2.3 所示。为信号源，经过限流电阻加到被测阻抗 E0 R 上。当A为一理想放大器时，被测阻抗和采样标准电阻流过同一电流。将矢 x Z x Z s R I 量电压和直接或经信号调理后送入数据采集卡的相应输入通道

32、。 x V s V 图 2.3 L、R、C 测量原理框图 图中：C 为电容，R 为电阻、L 为电感，D 为损耗值，Q 为品质因数，于是有： 测量阻抗时，xZ （2.30） )( )( 2222 jYXR VV VVVV j VV VVVV R VjV VjV R V V RZ s sysx syxxsxxy sysx syxysxxx s sysx xyxx s s xx s x 对于电容串联等效电路，则有： x x x Cj RZ 1 （2.31）XRR sx （2.32） YR C s x 1 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 10 页 （2.33） Y X YR XR RCD s

33、s xxx 对于电感串联等效电路，则有： xx xLjRZ （2.34）XRR sx （2.35）Y R L s x （2.36） X Y XR YR R L Q s s x x x 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 11 页 3 虚拟仪器（LabVIEW）的系统平台设计 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。 LabVIEW 编程设计是系统的软件平台。 3.1 虚拟仪器（LabVIEW）的硬件平台设计 计算机与仪器硬件构成 VI 的通用仪器硬件平台。计算机为一台 PC 机或者工作站， 是硬件平台的核心。I/O 接口设备主要是完成被测输入信号的采集、放大、模数转

34、换。 这里主要介绍 DAQ 测试系统的硬件平台设计。DAQ 测试系统是以数据采集卡、信号 调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。如图 3.1 所示。 图 3.1 DAQ 测试系统硬件平台 3.1.1 信号调理及数据库采集卡 信号调理是联系传感器和数据采集模块的桥梁。美国 NI 公司的仪器信号调理板卡 SCXI（Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation）是 LabVIEW 软件直接支持的 一种信号调理模块。一个 SCXI 系统由一个或者多个坚固的机箱构成，机箱中可以安装 各种不同的信号调理模块。SCXI 信号调理卡包括

35、多种功能模块可以根据测试需要选择 单个或多个模块安装于机箱中，这些模块的功能包括模拟输入、模拟输出、数字 I/O 和开关等。 数据采集是测试信号从模拟信号变成计算机能够接受和处理的数字信号的过程。 数据采集卡是不可或缺的组成部分，其核心部分是 A/D 变换器。A/D 变换的输入信号 是在时间上和幅度上都是连续变化的模拟信号，输出信号是在时间上和幅度上都是离 散的数字信号，从连续信号到离散信号的变换过程可以看成采样和量化的过程。A/D 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 12 页 转换按原理划分有 3 种:逐次逼近法 A/D、双积分法 A/D 和并行比较法 A/D，在 DAQ 产品中应用较多

36、的转换方法是逐次逼近法。衡量 A/D 转换器性能主要有两个指标：一 个是采样分辨率，即 A/D 转换器位数；二是 A/D 转换速度。这二者都与 A/D 转换器的 工作原理有关。 DAQ 卡按其安装方式有内插式(Plug in)和外插式之分。基于 ISA, PCI,VXI. PXI/Compact PCI, PC MCIA 等总线的 DAQ 卡属内插式。基于 USB (Universal Serial Bus )、IEEE 1394 C (Fire Ware，火线)、RS232/485 等接口的 DAQ 板卡属外挂式。表 3.1 列出了常见并行总线性能表。选用数据采集卡需要注意：数据分辨率和精度

37、、最高 采样速度、通道数、数据总线接口类型、是否有隔离、板卡本身是否带有微处理器、 是否有标定功能、支持的软件驱动程序及其软件平台。 表表 3.1 常见并行总线性能表常见并行总线性能表 总线名称数据总 线宽度 地址总 线宽度 总线工 作频率 最高传 输速率 最大传 输距离 最多支 持器件 用途 PCI32/6432/6433/36132/528机箱内20PC 机虚拟 仪器 CompactP CI 32/6432/6433132/26 4 机箱内8虚拟仪器 测控系统 PXI32/6432/6433132/26 4 机箱内18虚拟仪器 测控系统 VME16/3224/3233400.521虚拟仪器

38、 测控系统 VXI16/3224/323323208虚拟仪器 测控系统 IEEE488824/323311520 PC 机与仪 器相连 3.1.2 GPIB(General Purpose Interface Bus)系统 GPIB 系统是一种通用接口测试系统。它是由一台 PC 机、一块 GPIB 接口卡和若 干台 GPIB 仪器子系统构成。其中每个仪器子系统是一台带 GPIB 接口的单台仪器。即 使不同厂家的产品也相互兼容具有互换性，组件系统时非常方便，拆散后各仪器子系 统又可作单台仪表独立使用。一块 GPIB 接口卡可带多达 14 台仪器。利用 GPIB 技术， 可用计算机实现对仪器的操作

39、和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成 的测试测量误差。同时，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 13 页 使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。 3.1.3 VXI（VME BUS Xtension for Instrumentation）总线 VXI 总线是一种高速计算机总线VME 总线在仪器领域的扩展。由惠普等公司 于 1987 年提出，1992 年成为 IEEE 1155 标准。在该系统中围绕机械、电气、控制方式、 通信协议、电磁兼容、软面板、驱动程序、I/O 控制，乃至机箱、印刷电路板的结构、 通风

40、散热等都作了详细的规定。VXI 总线系统是机箱式结构。一个接插模件就相当于 一台仪器或特定功能的器件，多个模件共存于一个机箱组成一个测试系统。VXI 系统 的组建和使用越来越方便，它的高速率传输、模块式结构不仅使得仪器结构紧凑、小 巧轻便，更使得集多种功能于一体的现代集成式虚拟仪器变成现实。 3.1.4 串行总线 RS-232 总线是最早采用的通用串行总线，当今 PC 更多采用了 USB 总线和 IEEE 1394 总线。通用串行总线（Universal Serial BUS，USB）具有传输速率高、支持异步 和等时传输等特点，适合于大数据量、数据传输速率要求比较高的数据传输场合。基 于串行口

41、和其他工业标准总线的系统将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组 成实时监控系统。无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式 计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。 3.2 虚拟仪器（LabVIEW）的软件平台设计 虚拟仪器的功能由其软件定义，软件是虚拟仪器技术的核心。虚拟仪器软件系统 应主要包括操作面板设计、数据采集、波形显示、信号分析与处理和 I/O 设备管理等 内容。它由两部分构成，即应用程序和 I/O 接口仪器驱动程序。虚拟仪器应用程序的 开发环境主要有两种：一种是文本式编程语言，常用的有 Lab Windows/CVI、Visual Basic、

42、Visual C+等，用这些工具开发具有成本低，不需再进行专业软件培训等特点。 3.2.1 程序模块设计 本课题研究的软件平台主要有数据分析处理模块、数据存储与读取模块、参量计 算模块、数字滤波模块、波形显示模块等。 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 14 页 3.2.2 数据存储与读取 安装 PCL-818LS 数据采集卡用 DMA 方式进行多通道高速数据采集，把采集到的 数据存储到内存数组当中去，然后从该数组提取出每个参数的采集数据，对这些数据 进行分析和处理。图 3.3 所示，为基本函数存储文本文件。首先调用 VI-Open/ creat / replace file 新建一个文件

43、，然后将打开文件时得到的参考数(refnum)传递给 Write file， 函数 Write file 读取 for 循环中信号发生器（sine 为例）产生的并经过 Format into String 函数转化成的字符串数据。 图 3.3 存储文本文件图 也可用 Express VIs 进行文件的输入和输出，分别是 Write LabVIEW Measurement File Express VI 和 Read LabVIEW Measurement File Express VI。 图 3.4 用 Write LabVIEW Measurement File 将数据存储为文件.lvm 图

44、 图 3.5 用 Read LabVIEW Measurement File 读取 lvm 文件图 LabVIEW 支持三种格式用于文件的输入输出，即文本文件、二进制文件和数据记 录文件。其中电子表格文件是一种特殊类型的文本文件，这种文件仍然以 ASCII 码格 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 15 页 式来存储数据能让 Microsoft Excel 等电子表格处理软件直接读取这类数据文件；数据 记录文件中又包含一种被称为波形文件的文件格式，它记录了发生波形的一些基本信 息，如波形发生的初始时间、采样的间隔时间等。 3.2.3 参量计算 电压电流的基本参数计算主要包括电压有效值、电流

45、有效值、幅值、最大值、最 小值、以及平均值等。按照前面推出的离散算法公式设计的参数计算子模块程序如图 3.6 所示。 图 3.6 参数计算程序 图中，均值电压、交流有效值、直流分量、峰-峰值、最大值、最小值等是通过 LabVIEW 的数学库中的子函数求出来的。 在得到电压电流有效值的基础上，可以通过计算公式间接求出有功功率、视在功 率、无功功率及相位差等。计算程序如图 3.7 所示。 图 3.7 功率计算程序流程图 采样值是否符合标准要求，需要对采样值进行检验，例如电流标准值是 200 A，误 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 16 页 差允许范围0.2%，看采样值是否在设计指标之内，运

46、行程序如图 3.8 所示。采样值 是数据采集来的数据，标准值设为 200 A，误差允许设为 0.002，N 为采样值的数量， 指示灯亮一下则表示采样值不达标，输出采样值数量，否则输出设定合格输出值。 图3.8 采样值达标检验程序图 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 17 页 4 调试和运行 4.1 调试 调试程序是建立在 LabVIEW 平台上的，如果脱离了 LabVIEW 它就无法运行。也 就是说，用户在使用该虚拟仪器前，必须在自己的计算机上预先安装 LabVIEW。调试 的目的是要检查程序能否按照用户预想的方式运行，达到程序设计的要求。在一般情 况下调试程序的过程就是查找语法错误和逻

47、辑错误并改正的过程。 图 4.1 调试工具选项对话框 对于一般的语法错误 LabVIEW 会自动检查出来，这时工具栏上的程序运行按钮会 变成断线，表示程序不能运行。单击按钮会显示语法错误列表。进一步修改错误。 在组建好各个功能模块的基础上，就可以将它们集成到一起，形成一个功能完善的虚 拟信号分析仪器。 在程序集成时需要注意的问题有：（1）数据流向问题。由于 LabVIEW 是数据流 驱动式编程语言，因此在将各个功能模块集成时，更应注意数据流向的问题。尤其是 使用到弹出式子面板的模块，很容易引起数据流的混乱，造成错误；（2）数据的“可 鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 18 页 见度”问题

48、。与其它模块化编程语言类似，LabVIEW 同样存在着数据（或变量） “可 见度”问题。即参数为“内部可用”的，以加强程序的可维护性。在使用循环结构时， 更应注意变量的“可见度”问题，即在何种情况下循环内部的变量才可以被外部引用。 有时，为了交换参数的方便，我们使用了“Local Variable” ，这样使用的结果虽然简化 了程序的开发，却给程序的维护和可读性带来了负面的影响。任何较大型的程序的调 试都是一件烦琐的事情。LabVIEW 虽然为我们提供了功能完善的调试工具，但仍然存 在着许多隐含在程序内部的错误无法发现。这就要求我们在开发程序的过程中一定要 仔细地把好每一关，在模块内部将错误清除掉，才能减轻最终程序调试的难度。 4.2 运行 LabVIEW 允许程序以单步执行的方式运行，同时也支持程序运行时的高亮显示。 单步执行有三个控制按