电机数据采集分析系统的研发与设计

毕 业 设 计 题 目 电机数据采集分析系统的研发与设计 （院）系 电气信息学院 专 业 班 级 学号 学生姓名 导师姓名 完成日期 2013年6月22日 1诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 电机数据采集分析系统的研发与设计 姓名 院系 电气信息学院 专业 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、基本任务及要求：设计一个基于虚拟仪器的电机数据采集系统，采用霍尔传感器以及光电传感器采集到转速信号通过数据采集卡将数据传至主机。通过LabVIEW图形化编程对采集到的信号进行相应处理及波形显示，通过测量计算出电机转速。设计的主要任务是： 查阅相关资料确定总体设计方案；根据课题要求确定硬件方案、硬件设计；软件设计，学习LabVIEW图形化编程软件，对软件的具体模块编程并对信号进行处理；完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书及设计说明书的撰写工作。 二、进度安排及完成时间：1、第1周至第3周：查阅相关资料，搜集课题所需资料，了解课题现状、课题研究的目的和意义，做好选题报告和文献综述。 2、第4周：参考相关资料，查阅相关文献，自学相关知识，了解系统整个工作原理和设计方案，写好开题报告。 3、第5周至第6周：确定总体设计方案及个人研究重点，分配课题研究任务。学习LabVIEW软件。4、第7周至第8周：根据自己的研究方向和总体设计方案，初步构列出系统的硬件模块和软件模块。完成硬件设计。 5、第9周至第10周：完成系统各软件模块的编写及调试。 6、第11周至第13周：完成系统的软件仿真和软硬件联调。 7、第14周至第15周：整理设计资料，撰写毕业设计论文。 8、第16周至第17周：打印、装订论文，进行毕业答辩。 1目 录摘要IAbstract.II第1章 绪论11.1电机11.1.1 直流电机11.1.2 交流电机21.2 虚拟仪器31.2.1 虚拟仪器技术31.2.2 虚拟仪器发展现状61.2.3 虚拟仪器系统构成81.2.4 虚拟仪器系统软面板设计标准91.3 数据采集9第2章 总体方案设计122.1 总体方案设计12第3章 硬件设计133.1 硬件总体概述133.2 硬件组成部分133.2.1 传感器133.2.2 数据采集卡143.3 信号采样和A/D转换153.3.1 信号采样153.3.2 采样频率选择173.3.3 A/D转换技术183.4 硬件接线图18第4章 软件设计204.1 前面板设计204.2 程序设计204.2.1 功能模块204.2.2 电机测速及输入电压程序254.3 序调试与数据处理26总结27参考文献28致谢29附 录30 电机数据采集分析系统研发与设计电机数据采集分析系统研发与设计 摘要：虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器的图形化语言图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。本设计要采集电机相关数据，选择电机转速及输入电压作为测量对象。本设计采用NI PCI-6281数据采集卡实现二通道的数据采集。一通道直接采集输入电压，另一通道采集通过霍尔传感器体现转速的模拟电压信号，经过模数转换，转换为数字信号。利用Labview的软件编程实现对波形的显示输入电压并计算得出电机的转速。本设计是虚拟仪器在测控领域的一次简单应用。实践明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。关键字：虚拟仪器;数据采集;传感器I Motor data acquisition and analysis system development and design Abstract: The virtual instrument technology is the use of high-performance modular hardware, combined with efficient and flexible software to accomplish a variety of test, measurement and automation applications. Virtual Instruments graphical language graphical dataflow language and block diagram can naturally display your data flow, and map-based user interface to visually display data, allowing us to easily view, modify data or control inputs. The design of the motor to collect relevant data, select the motor speed and input voltage as the measurement object. The design uses a NI PCI-6281 data acquisition card for two-channel data acquisition. A passage directly collect the input voltage, and the other Hall sensor embodied by channel acquisition speed analog voltage signal, after analog-digital conversion, converted into digital signals. Use Labview software programming to realize the input voltage waveform display and calculated motor speed.This design is a virtual instrument in the field of a simple monitoring and control applications. Practice Ming virtual instrument is an excellent solution that can efficiently implement various monitoring tasks.Keywords: virtual instrument; data collection; sensorI 电机数据采集分析系统的研发与设计第1章 绪论电机从研制、投产，到运行和维修，其间的各个阶段都要进行一系列试验，以获取电机的各种物理参数和性能指标。近年来，一些新型电机(如双绕组电机等)的应用日益广泛。这些电机的试验特点是测试项目多、各个项目测试的参量多，而且往往要求对多个参数同时测量，测试要求精度高。使用传统的测试仪表进行测试，由于自动化程度低，操作十分复杂，工作量大，而且精度也难以达到要求。因此，建立一种高精度的自动化程度高的测试手段变得十分重要。虚拟仪器是全新概念的新一代的测量仪器。自1987年诞生以来，这一技术与前几代测试仪器相比，以前所未有的速度迅猛发展。本文介绍了虚拟仪器的概念和LabVIEW的软件开发环境，以及已开发成功的基于LabVIEW的电机数据采集系统的硬件组成和软件开发，并重点介绍了在LabVIEW下一些关键技术的实现方法和数据分析方法。1.1电机电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。发电机在电路中用字母“G”表示。它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是，利用热能、水能等推动发电机转子来发电，随着风力发电技术的日趋成熟，风电也慢慢走进我们的生活。 电机按工作电源种类划分：分为直流电机和交流电机。按结构和工作原理划分：分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。按起动与运行方式划分：分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。按用途划分：分为驱动用电动机和控制用电动机。按转子的结构划分：分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。按运转速度划分：分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。1.1.1 直流电机 定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N、S产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。直流电机的工作原理： 1.直流发电机工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。2. 直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。1.1.2 交流电机交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。交流电机的分类：按电机功用分类：交流电机主要分为发电机和电动机。发电机主要分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机。汽轮发电机是两极高速同步电机，是依靠燃烧煤、核能等能源进行发电的。是火力发电厂、核能发电厂的主要设备之一，由汽轮机或燃气轮机驱动发电。水轮发电机是多极低速同步电机，是依靠水力的位能转换成动能作为能源来进行发电的，由水轮机驱动发电。柴油发电机由柴油机驱动发电，两者组成柴油发电机组。通常用作土矿企业、医院、楼房的应急备用电源；军事与民用通信、伐地和野外作业，车辆船舶等特殊用途的独立电源，以及电网输送不到、又不适于建立火力发电厂地区的生活和生产所需的电源和多种移动电站等。交流电动机又分为同步电动机和异步电动机。当电机的三相对称绕组，接通三相交流电后，在空气隙中产生一个转速为v=60f/p的旋转磁场。当电机的运行速度n始终保持与旋转磁场相同速度(n=v)的电动机称为同步电动机。主要用于轧钢机、球磨机、压缩机、鼓风机等。优点是能向电网输送无功功率，改善电网的功率因数。缺点是需要直流励磁，结构比较复杂，电机造价较贵。电机的运行速度n始终低于旋转磁场速度(nv)的交流电机称为异步电动机。异步电机具有结构简单、制造方便、运行可靠、维护简便、价格低廉等优点，因此被广泛的应用在石油、化土、电站、矿山、冶金等土业部门，用于驱动泵、风机、粉碎机等机械设备，在各种电气传动系统中，有90%左右的设备采用异步电机驱动。异步电机的缺点是：1.从电网中吸取无功励磁功率，使电网的功率因数变坏；2.调速性能差，不能用于轧钢、造纸等转速要求严格恒定的设备中，也不能用于在运行中转速要求有所变化的设备中。1.2 虚拟仪器1.2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器技术是随着现代计算机技术、信息技术、现代测量技术的发展而出现的新技术。虚拟仪器是通过应用程序将计算机资源（微处理器、存储器、显示器）和仪器硬件（A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理器）的测量功能结合起来，形成的测量装置或测试系统。用户通过友好的图形界面（称为虚拟面板）操作计算机，就像操作传统仪器一样，通过库函数实现仪器模块间的通信、定时、触发，以及数据分析、数据表达，并形成图形化接口。虚拟仪器由计算机、仪器软件和仪器硬件组成。虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。其中，硬件的功能是获取被测试的物理信号，提供信号传输的通道。虚拟仪器的硬件技术以GPIB、PXI等先进的计算机接口总线的发展为发展标志。GPIB、PXI接口是早期比较流行的接口，随着虚拟仪器技术的发展，现在使用比较广泛的接口是DAQ、PXI和LXI。DAQ（Data Acquisition）仪器，即数据采集仪器是一种典型的虚拟仪器，以微型计算机为平台，将计算机硬件（如某类总线）和计算机软件（虚拟仪器应用软件）结合起来，实现特定仪器测量和分析的功能。由仪器卡组成DAQ仪器的方式主要有三种：内插式，即将仪器卡插入微机内部总线上来构成DAQ仪器；外挂式，即将微机总线引到扩展箱中，在扩展箱里插入仪器卡来构成DAQ仪器；直接外挂式，即在并行口、USB口等微机外总线接口上接入仪器卡来构成DAQ仪器。GPIB（General Purpose Interface Bus）总线技术，即IEEE-488总线，是一种数字式并行总线，它将可编程仪器和计算机紧密结合起来。典型的GPIB仪器系统由一台PC、一块GPIB接口板卡和若干台GPIB仪器通过GPIB标准总线连接而成。目前，这种应用已经较少。VXI（VMEbus Extensions For Instrumentation，意为“VMEbus在仪器领域内的扩展”）是继GPIB第二代自动测试系统之后，为适应测试系统从分离台式结构向高密度、高效率、多功能、高性能的模块结构发展的需要，吸收智能仪器和PC仪器之设计思想，集GPIB系统和高级微机内总线VMEbus之精华设计而成的仪器。它克服了GPIB仪器的数据传输率和资源利用率低的缺点。PXI（PCI Extensions For Instrumentation）总线仪器是PCI在仪器领域的扩展，主要特点是模块化。PXI总线仪器以CompactPCI为基础，改进了PCI总线技术，增加了PCI插槽，使之适合试验、测量与数据采集场合应用，是一种有别于GPIB等总线结构的新型虚拟仪器体系结构。GPIBVXIPXI总线方式（适合大型高精度集成系统）GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。PC插卡并口式串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是载体，软件是核心，高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。相信随着科技的不断创新发展，随着人们对其更需人性化的需求，虚拟仪器的发展也将会不断地更上一个台阶，让其发挥出应有而更广泛的的功效，让人们的生活更加美好。虚拟仪器的主要特点有：1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。4.虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。5.虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW 2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW的最新版本为LabVIEW 2009，LabVIEW 2009为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本中被初次引入。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境,该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件层次，是进行并行编程的首选。6.普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。本次课题是基于虚拟仪器的电机数据采集分析系统设计，其中LabVIEW是整个系统的核心，只有把LabVIEW这个模块运用得当，才可能使系统完整，才可能使本次课题得以成功实现。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。1.2.2 虚拟仪器发展现状本设计利用虚拟仪器开发软件LabVIEW和传感器及数据采集卡等硬件实现电机转速的采集和分析处理以及波形显示。作为一种图形化虚拟仪器开发平台的LabVIEW有了越来越多的发展空间，基于LabVIEW的电机数据采集系统，相对于传统的测试仪表具有精度高、自动化程度高的特点，能同时实现谐波分析仪、示波器、电压表、电流表、转速表等多种仪器的功能。本设计还可用于长时间高速连续采集,不会出现数据丢失和串道的问题。不似其他语言，LabVIEW是与硬件关联很紧密的尤其是NI的板卡产品，同时是一个具有革命性的图形化开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，为您提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，让您可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronis公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap-Marter平台软件，是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS-232串行总线、GP-IB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE-1394总线（即Firewire，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与Copact PCI完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/Compace，PCI的传输速度已经达到100Mb/s，是目前已经发布的最高传输速度。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：1.性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。2.扩展性强NI的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3.开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。4.无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。使得测试水准更加完善。 1.2.3 虚拟仪器系统构成虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。1.虚拟仪器系统的硬件构成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。2.虚拟仪器系统的软件构成测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。(1)仪器面板控制软件仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。(2)数据分析处理软件利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。(3)仪器驱动软件虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数VI集，函数VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数VI。(4)通用I/O接口软件在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点，即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以于VXI系统或具有RS-232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发的方式和手段。1.2.4 虚拟仪器系统软面板设计标准虚拟仪器软面板是用户用来操作仪器，与仪器进行通信，输入参数设置，输出结果显示的用户接口。其设计准则是：1.按照VPP规范设计软面板，使面板具有标准化、开放性、可移植性。2.根据测试要求确定仪器功能。根据测试任务确定仪器软面板具体测试、测量功能，开关、控制等设置要求。3.用面向对象的设计方法设计软面板。按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由软面板控制。软面板由大量的虚拟控件组成。1.3 数据采集组建一个基于LabVIEW的虚拟仪器系统，传感器和数据采集模块是最基本的硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转换为电量的基本环节；数据采集则将模拟信号转换成数据信号供计算机进行分析处理。本节将介绍虚拟仪器中数据采集的基本知识。数据采集就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器件做适当转换后，再经过信号采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程。控制器一般有计算机承担。计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。在智能仪器、信号检测与处理、工业自动化控制领域中，都存在着信号的采集与处理问题。数据采集系统结构如图1.1所示。图1.1 数据采集系统结构利用NI公司提供的数据采集卡和LabVIEW开发数据采集程序，模拟信号的采集过程如图1.2所示。数据采集卡中通过多路开关、A/D转换器和数据缓存（Buffer）几个部件将多通道的模拟信号转换成数字信号并存储在数据缓存中。计算机通过LabVIEW中的数据采集VI对数据采集卡中的采集控制电路进行控制，数据采集卡和计算机之间通过计算机总线实现交换数据和传递控制信息。图1.2 模拟信号的数据采集过程一个多通道数据采集的过程一般要经过以下几个步骤。(1)数据采集VI传递相关采样参数给数据采集卡。 采样频率：即多路开关进行一次扫描的频率。采样次数：即多路开关扫描的次数。采样通道：即多路开关对哪些通道进行扫描。数据缓存的大小：确定可以将多少扫描的数据存储到数据缓存中。(2)采样开始，多路开关对采样通道进行一次扫描，每个通道一个点。(3)采样的模拟信号送到A/D转换器转换成数字信号。(4)数字信号存储到数据缓存中。(5)重复(2)-(4)的操作，知道完成所需的采样次数。(6)从数据采集卡的数据缓存中读取数据到计算机的内存中。(7)单点、单通道或不经过缓存的采样过程将上述过程做相应的简化即可。第2章 总体方案设计2.1 总体方案设计电机相关的数据有很多，我选择的是测量电机的输入电压与电机的转速。主要有两个部分，一个是电机的数据采集和LABVIEW的程序及数据处理部分，一路直接采集电机的输入电压，另外一路通过霍尔传感器将采集来的与转速相关的电压信号通过数据采集卡传输到LABVIEW的相关程序中经过分析处理，最终得到转速。大体的采集过程见下图2.1所示。 图2.1 总体方案设计图第3章 硬件设计3.1 硬件总体概述 系统的硬件主要包括PC机，数据采集卡（这里用的NI公司产的6281），霍尔传感器，具体的连接如下图3.1图3.1 硬件总体设计图3.2 硬件组成部分3.2.1 传感器1.传感器传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。霍尔传感器 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。图3.2 霍尔传感器及其接线方式3.2.2 数据采集卡一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/定时器等，这些功能分别有响应的单元电路来实现。模拟输入是采集卡最基本的功能。它一般由多路开关、放大器、采样/保持电路，以及A/D转换器来实现，通过这些部分，一个模拟信号就以转化为数字信号。A/D转化器的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D转化器。选用数据采集卡的基本原则如下：通道数：就是板卡可以采集几路的信号，分为单端和差分。常用的有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路采样频率：单位时间采集的数据点数，与AD芯片的转换一个点所需时间有关，例如：AD转换一个点需要T = 10uS，则其采样频率f = 1 / T为100K，即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。它用赫兹（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等缓存的区别及它的作用：主要用来存储AD芯片转换后的数据。有缓存可以设置采样频率，没有则不可以。缓存有RAM和FIFO两种:FIFO应用在数据采集卡上，主要用来存储AD芯片转换后的数据。做数据缓冲，存储量不大，速度快,RAM是随机存取内存的简称。一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢。分辨率：采样数据最低位所代表的模拟量的值，常有12位、14位、16位等，（12位分辨率，电压5000mV）12位所能表示的数据量为4096（2的12次方），即5000 mV电压量程内可以表示4096个电压值，单位增量为（5000 mV）/ 4096=1.22 mV精度：测量值和真实值之间的误差，标称数据采集卡的测量准确程度，一般用满量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常见的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如满量程范围为010V，其精度为0.1%FSR，则代表测量所得到的数值和真实值之间的差距在10mv以内。量程：输入信号的幅度，常用有5V、10V 、05V 、010V ，要求输入信号在量程内进行增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定倍数的放大。由两种型号PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。触发：可分为内触发和外触发两种，指定启动AD转换方式。3.3 信号采样和A/D转换3.3.1 信号采样1.信号类型数据采集前，必须对所采集信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和配置采集系统。信号通常是指包含一定信息量的函数，这些函数可以是状态、速率、电平、形状、频率等。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟信号和数字信号。其中数字信号又可分为开关信号和脉冲信号；模拟信号可分为直流信号、时域信号和频域信号。(1)数字信号第一类数字信号是开关信号，如图3.6所示。所示一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号，一个TTL信号如果在2.0-5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0-0.8V之间，就定义为逻辑低电平。图3.6 开关信号第二类数字信号是脉冲信号，如图3.7所示。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在电机轴上的光电编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进电机就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。图3.7脉冲信号(2)模拟直流信号模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号，如图3.8所示。直流信号中最重要的信息是它在给定区间内运载信息的幅度。图3.8模拟直流信号(3)模拟时域信号模拟时域信号与其他信号的不同在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化，如图3.9所示。在测量一个时域信号，即一个波形时，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。图3.9 模拟时域信号(4)模拟频域信号模拟频域信号与时域信号类似，然而从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容的，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性，如图3.10所示。上述信号分类不是互相排斥的，一个特定的信号可能运载多种信息，可以用几种方式来定义并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的各种信息。图3.10 模拟频域信号2.模拟量的采样方法模拟量的数据采集可分为常规的直流采样和交流离散采样两种方法。直流采样的优点：易于实现滤波和去掉高频干扰，信号比较稳定，对ADC要求不高，软件设计简单；缺点：滞后大，测量准确度受变送器准确度与稳定度影响。交流采样的优点：加快了对被测量突变的跟踪反应速度，实时性好；提高了系统检测精度和稳定性；易于掌握输入信号动态关系，可实现高次谐波采集分析。缺点：可靠性较低，抗干扰能力较差，CPU计算量较大，对ADC转换速度要求较高。交直流采样各有优势，但从总体看，交流采样要优于直流采样，因为其速度、性价比，以及单通道内含的信息量都要优于直流采样，所以异步电机选用交流采样法。3.3.2 采样频率选择对于模拟信号的采集，一个重要的问题是采样频率的选取，即每秒钟采集的点数。根据采样定理，采样频率必须是采集信号最高频率的两倍以上。如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫奈奎斯特频率，它是采样频率的一般。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。采样频率应当怎样设置呢？通常用户可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，长时间使用很高的采样频率可能会导致内存不足或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。通常，信号采集后都要做适当的信号处理，例如FFT等。因此，对样本数又有一定的要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5-10个周期，甚至更多的数据样本，而且希望所提供的样本总数是整周期个数。这样可能产生一个问题，有时并不知道或不确切知道被采样信号的频率，因此不但采样频率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证是整周期数的样本。所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n)和采样频率，这是测量与分析的唯一依据。3.3.3 A/D转换技术1.A/D转换基本原理A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。 (1)采样与保持将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。(2)量化和编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n