（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的功率放大机组测试系统的研制.pdf

北京交通大学硕二l 论文 第一章概述 第一章概述 1 1 课题的选定的背景及意义 本课题为2 0 0 1 年国防科工委技改项目，主要是为适应我国某型号 导弹地面发射装置的功率驱动设备功率放大机组的批生产过程 中产品出厂前对产品运行特性进行准确有效的测试。自动化程度要求 高，测试速度快。使得实验人员能够对功率放大机组的性能进行快速 有效的评估，并根据实验测试结果对机组的相关参数进行适当调整从 而达到控制产品质量的目的。 1 2 课题的现实需要 目前在该功率放大机组的出厂测试中主要是依靠实验人员使用传 统电压表、电流表对功率放大机组进行测试以获得特性数据，手工绘 制特性曲线图。自动化程度差，工作量大，与产品的批生产需要快速 准确的测试的要求相矛盾，迫切需要研制出一种自动测试设备，来使 在很少人为参与情况下，测试设备与机组简单连接后即可快速完成产 品测试任务。本课题就是顺应这一需求下，运用虚拟仪器技术结合具 体硬件模块设计研制一台自动化程度高，针对功率放大机组运行特性 的自动测试设备。 1 3 课题的相关技术基础 1 3 1 测控技术和仪器技术的发展 测试概念的含义很多，一般泛指生产和科学实验中经常进行的、 满足一定准确度要求的试验性测量过程。测试技术是一项涉及多个学 科领域的综合性技术，一般说来包括测量原理、测量方法、测量系统 第1 页 北京交通大学硕士论文 第一章概述 和数据处理四个方面。 测量原理是指测量所依据的物理原理。测量原理的选择主要取决 于被测量的物理化学性质、测量范围、性能要求和环境条件等因素。 测量原理的更新和发展，新的测量原理的研究始终是测试技术发展的 一个活跃领域；测量方法是指专门依据测量原理完成测量的具体方 法。按测量结果产生的方式可以将测量方法分为直接测量、间接测量 和组合测量三种，测量方法的选择要考虑到精度和误差；测量系统是 指完成具体测量任务的各种仪器仪表所构成的实际系统。按照信息传 输方式可以分为模拟式和数字式两种，数字式具有抗干扰能力强、速 度快、精度高、功能全等优点，代表着测试系统今后的发展方向；数 据处理是测量重要的一环，测量数据的精度和可信度不仅取决于测量 原理、测量方法和测量系统，同时在很大程度上与数据处理密切相关。 因此，研究先进、快速、高效的数据处理算法，研制集数据采集、分 析、管理和显示为一体的数据处理系统与软件是现代测试系统一个重 要的发展方向。 测量系统的实质是仪器仪表。因此，仪器仪表技术是现代测试系 统发展的关键技术。近一百多年来仪器仪表技术得到了飞速的发展。 1 9 世纪以来钟表技术和电磁技术的发展为仪器仪表技术的发展奠定 了坚实的基础；2 0 世纪5 0 年代数字技术的出现使仪器仪表技术取得重 大突破，各种数字仪器大大提高了以往模拟仪器的精度、分辨率与测 量速度，为实现测试自动化打下了良好的基础；2 0 世纪6 0 年代计算机 技术的引入使得测量仪器技术又一次取得重大飞跃，仪器的功能从对 个别电量的测量转变成对整个测试对象系统特征参数的测试，从一般 的测量数据接收、显示转变为集控制、分析、处理、计算与显示输出 为一体的集成功能，从用单个仪器进行测量转变为用测量系统进行测 量：2 0 世纪7 0 年代计算机技术在仪器仪表领域的进一步渗透，使电子 仪器在传统的时域与频域之外，出现了新的数据域( d a t ad o m a i n ) 测 试，也就是对数字电路和系统进行检测、故障定位和诊断；2 0 世纪8 0 年代微处理器在仪器中的广泛应用提出了智能仪器的概念，由计算机 作为控制器，不同仪器通过测试总线连接到一个测试系统，并且可以 第2 页 北京交通人学硕士论文第一章概述 通过系统软件实现仪器控制和数据处理；2 0 世纪9 0 年代，随着微电子 技术的进步，仪器仪表的智能化、软件化和网络水平不断提高，d s p 芯片的大量问世使仪器仪表数字信号处理功能大大加强，包括v x i 总 线和现场总线在内的各种先进测控总线的广泛应用使测试仪器的实 时性、灵活性和集成性显著提高，仪器仪表与测量科学技术取得了重 大突破。下面从过程控制仪表、电予测试仪器和v x i 总线技术三方面 概要论述仪器仪表的技术发展。 1 过程控制仪表 工业过程控制仪表主要包括各种传感器、变送器、调节器、控制 器和调节阀等设备，其发展经历了气动、电动单元组合仪表到目前流 行的计算机分布式控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m s ，d c s ) 和可编程控制器( p r o g r a 唧a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 。d c s 经过 了2 0 多年的发展历程，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的 控制算法、开放的联网能力等优点迅速发展，成为工业过程控制系统 的主流。p l c 以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高、价格低 等优点，近几年得到广泛应用，己成为与d c s 并驾齐驱的另一种主流 工业过程控制系统。发展以p l c 为基础的d c s 系统，己经成为今后工业 过程控制仪表和系统的发展趋势。现场总线( f i e l d b u s ) 技术是2 0 世 纪9 0 年代迅速发展起来的一种用于将各种过程控制仪表与计算机连 接的网络通讯技术。有人预测，基于现场总线的过程控制系统 ( f i l e d b u sc o n t r 0 1s y s t e m ，f c s ) 将逐步替代d c s ，成为工业自动化系 统的主角。 2 电子测量仪器 电子测量仪器分通用和专用仪器两类。通用电子测量仪器包括数 字表、示波器、信号源、频谱仪等基础测量仪器；专用电子测量仪器 是面向各种专门领域的仪器，如通信测量仪器和微波测量仪器等。通 信测量仪器随着移动通信和网络通信的迅猛发展而飞速发展，是通信 技术和电子测试技术高度结果的产物，技术更新换代快，除了测量传 统的电气性能指标参数，更主要或首先是检查被测对象( 通信系统、 线路、设备) 的运行是不是符合通信协议：微波测量仪器主要是用于 第3 页 北京交通火学硕士论文第一章概述 的基础上如何加快测试速度成为一个重要的研究方向。 自动测试系统的出现极大地提高了测试的速度。一般意义的自动 测试系统( a u t o m a t e dt e s ts y s t e m ，a t s ) 是指那些采用计算机控制， 能实现自动化测试的系统，也就是对那些能自动完成激励、测量、数 据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称。自动测试系统具有 测试精度高、测试速度快、系统功能强等优点，适合于对速度、效率 要求较高的功能、性能测试。 综合了测量技术、电子技术、自动化技术、计算机技术等多种技 术于一体的自动测试技术的水平对国民经济和国防建设都具有重要 的意义，各国对此都非常重视。美国自2 0 世纪8 0 年代开始投入大量的 人力和资金，研发各军兵种使用的多种自动测试系统，并陆续投入使 用，通过多次局部战争的考验，产品正在走向成熟。相对于一些发达 国家，我国对自动测试技术的研究还有一定的差距。 自动测试系统( a t s ) 一般由自动测试设备( a u t o m a t e dt e s t e q u i p m e n t ，a t e ) 。测试程序集、软件开发工具三部分组成。自动测试 设备主要由控制器、信号源、开关网络、信号调理电路等组成。控制 器在自动测试设备中处于核心地位，它以打印机、显示器、键盘作为 人一机接口，向信号源、开关网络、测量仪器发布控制命令并接收测 量仪器发送的数字信号：信号源在自动测试系统中的作用是向被测对 象( u n i tu n d e rt e s tu u t ) 提供各种激励信号；开关网络的作用是按 照控制器的命令提供信号传输的路径。自动测试设备的基本组成如图 卜l 所示。 第5 页 北京交通大学颅士论文第二章虚拟仪器技术 第二章虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器技术的概念和特点 2 1 1 虚拟仪器技术的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是全新概念的仪器， 是对传统仪器概念的重大突破，它的出现使测量仪器和计算机之问的 界限消失，开始了测量仪器的全新时代，是仪器领域的一次革命。 关于虚拟仪器，国外专家有咀下几种说法： 1 虚拟仪器是看起来并在感觉上与物理仪器相同的软件包； 2 虚拟仪器是由计算机、仪器硬件、固件和应用软件组成的测 量装置： 3 虚拟仪器通常指利用个人计算机和有关的硬件与( 或) 软件 使之具有传统独立仪器功能的组合。 以上各种说法从不同角度描述了虚拟仪器，但表达的内涵和外延 并不是很清楚。一般来说，仪器、仪表大都由传感器、信号调理、数 据分析处理和屁示几部分组成。对于传统的仪器来说，这几部分的功 能都是由硬件实现的。而虚拟仪器，是以个人计算机为核心，由测量 应用软件支持，具有虚拟的仪器面板、必要的仪器硬什和通信功能的 测量信息处理装置。所谓“虚拟”就是在以通用计算机为核心的硬件 平台卜，由用户设计定义，具有虚拟面板，不同的测量功能由软件实 现。所以虚拟仪器也必须有 蚵部分基本硬件，剐以获取信号为主要h 的的i 0 接口设备( 如数据采集卡d a q 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪 器模块、申口r 2 3 2 4 8 5 仪器等) 和对采集的信号数据进行分析处理 及显示的计算机。以这种方式构成的虚拟仪器系统实质上是计算机仪 器系统，这意味着，当硬件平台( i 0 接口设备与计算机) 确定后， 给予系统某种功能软件，该系统就成为某种测试仪器。例如用振动传 感器、电_ i 岢放大器、信号调理器、数据采集# 和计算机系统构成的系 感器、电荷放大器、信号调理器、数据采集# 和计算机系统构成的系 第7 页 北京交通大学硕士论文 第= 章虚拟仪； | 技术 统，如果编制的是测量轴承的软件，系统就是一套测量轴承的仪器； 如果编制的是一个测量发动机汽缸的软件，该系统就是一套测量发动 机的仪器，这就是虚拟仪器的优势所在。 2 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器最突出的特点之一是用户能够自己定义仪器功能。用户 之所以能够根据自己的需要随心所欲地定义仪器功能，是由于虚拟仪 器开发软件的灵活性。虚拟仪器硬件主要用于数据的采集、输入和生 成，至于如何去控制仪器硬件的工作，怎样进行数据处理，以及生成 什么样的仪器面板等，这些工作都是由软件完成的。一台虚拟仪器性 能的好坏，在很大程度上取决于软件水平的高低。因此有人认为，对 虚拟仪器系统而言，“软件就是仪器”。 虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换 性等特点。因此，用户可以根据自己的需要灵活组建仪器，这样大大 提高了使用仪器效率，减少了投资，克服了传统仪器的缺点。虚拟仪 器总线在数据采集、存储及处理之间以二进制数形式高速传输数据， 并采用硬件中断方式响应用户对仪器的操作。因此，虚拟仪器能对数 据进行“实时”的处理与显示。 虚拟仪器对测量仪器事业发展的深刻意义在于它所实现的测量 仪器的功能可以由用户根据需要自行设计软件来定义或扩展，而不是 以往只能由仪器的生产厂家事先定义且固定不可变更。现代的仪器、 仪表特别是分析仪表一般价格都非常昂贵( 主要贵在数据的处理分析 部分) ，而且随着测量、分析理论的不断进步，仪表本身也在不断的 升级换代，其发展变化的速度很快，旧型号的仪表不断被淘汰。而淘 汰的原因一般都不在于传感器和信号调理部分，而是由于数据处理分 析的方法已经过时。虚拟仪器的用户则不会有这种烦恼，用户既不必 买多台不同功能或者集多种功能于一身的传统仪表，也不必不断购买 新的仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其他周边设 备互联，用户只需改变软件程序，就可以不断赋予它或扩展、增强它 第8 页 北京交通大学硕士论文第二章虚拟仪器技术 一信号调理器h 数据、图像采集膏卜一 一g p - b 接口仪器l 一g p - b 接口忙 ， 一l l 一 计 被 一l 串行口仪器l 一 算 测 ll 一 信 一lv x i 仪器l 一 机 号 1 现场总线( f i e l d ，c a n b u s ) 设备一 ，l 其它计算机硬件板l ， 图2 1 虚拟仪器构成框图 1 数据采集系统构成方法 一个典型的数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡 ( 板) 、计算机四部分组成。一个好的数据采集产品不仅应该具备高 的性能和可靠性，还应该提供高性能的驱动程序和简单易用的高层语 言接口。只有这样，才能为用户快速建立可靠的高性能应用系统提供 最大的方便。 近年来，由于多层电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统 定时控制器、多数采板实时系统集成总线、高速数据采集的双缓冲区 以及实现数据高速传送的中断、d m a 等技术的应用，使得最新的数据 采集板卡能保证仪器级的性能、准确度与可靠性。 2 g p i b 仪器测控系统构成方法 可以说，g p i b 技术是虚拟仪器技术发展的第一阶段。g p i b 成功 地将可编程仪器与计算机紧密地联系起来。从此，电工电子测量用仪 器独立的手工操作的单台仪器向组成大规模自动测试系统方向迈进 了一大步。 一个典型的g p i b 测量系统由一台p c 机、一块g p i b 接口板卡和 若干台g p i b 仪器通过标准g p i b 总线连接而成。 第1 1 页 北京交通大学硕+ 论文第二章虚拟仪器技术 况下，如测得一电压值为v ，则经过与标准量比对后，测的测量值为 v = v v 。，而标准量的存储及比对运算对于虚拟仪器来说是驾轻就熟。 因此，对这个标准量软化的问题值得我们结合传统的测量理论与虚拟 仪器技术来加以探讨研究。 数字信号处理技术是本世纪6 0 年代发展起来的一门数据处理技 术，在虚拟仪器中得到了广泛应用，其中的一些算法曾在并仍在计算 机数据处理中发挥着积极的作用，但在我们的课题研究过程中发现， 由于受当时处理器速度寄存器其大小的限制，有些算法加入了很多限 制条件，比如f f t 算法，它要求输入的离散采样数据个数n 必须是2 的整数次幂，而且数据采样过程中要实现同步采样( 即n 个数据代表 的数据宽度必须是整数个周期) ，否则将可能带来相当大的计算误差， 而这些条件在实际的测量过程中是较难满足的，或者说要花很大代价 才能基本满足。也有人在这发面做过积极的工作，如准同步采样技术 等。但计算机c p u 的速度己由原来的几兆发展到现在的几吉，存储器 从几百兆发展到几百吉，以前的一些计算速度及存储量的考虑在今天 来说已不成问题，针对f f t 算法，回到傅立叶变换的原始定义上进行 计算，发现已不用再顾虑它的某些限制条件。这给虚拟仪器的实现带 来了极大的方便。因此，对于数字信号处理技术中的一些算法，考虑 受以前计算机水平的制约，曾有许多已安置条件，但结合现在的情况， 有些约束条件可能已不复存在，是否还需要遵守哪些限制，这也是我 们在研究过程中值得思考的问题。 虚拟仪器是测量仪器技术与计算机的结合，现今发展迅速的多网 络通讯等计算机技术，给虚拟仪器带来了无穷生机。由计算机技术支 撑的虚拟仪器进入电工测量领域，势必会带来许多新的东西和观念的 变化。传统的分立式仪器的概念变得越来越模糊，虚拟仪器成为一种 数据信息处理功能，对其进行多方位、多角度处理，然后将处理结果 以多种形式( 光、声、图、文字) 反馈给用户。虚拟仪器反馈信息的 多样性是传统仪器所无法比拟的。一个交变电压信号送入计算机，经 过采样离散后成为一组有序的数字化信息，利用这些信息，经软件处 理可以得到电压信号的幅值、有效值、初相角、基波频率、各次谐波 第1 7 页 北京交通大学硕上论文第二章虚拟仪器技术 器、抗混淆滤波器和信号波形处理技术不断改进，d a q 数据采集率达 到1 g b ，s ，精度达到2 4 位，通道数达6 4 个，并能任意结合数字i o ， 模拟输出和计数器定时器通道。现在已经出现了适于多种总线结构的 多功能数据采集设备。一些新型的数据采集卡( 板) ，还具有高级定 时和触发功能，能够完成标准仪器级的高精度测量。插入p c 数据采 集仪器的成本较独立仪器更为廉价，且组成更加灵活、性能更强，这 是由于通信接口、供电、分析及结果表达等仪器性能都由p c 提供， 这种方案能够以诱人的价格和灵活、易用性取代大多数传统仪器。 在硬件开发中，带屏蔽的多层板设计、自我校正技术、a s i c s 、 表面封装等技术的应用，大大提高了数据采集系统的抗干扰能力和稳 定性。 3 数字信号处理技术 数字信号处理( d s p ) 芯片，是数据采集系统发展的另一特点，用 d s p 技术，对高速的数据流处理进行优化和数学计算，增强了采集系 统的功能，同时可降低成本，并使其具有独立控制和实时处理的优点。 使p c 主机从数据处理任务中解脱出来，高效完成其它的任务，同时 获得更多的信号处理能力，并加快数据采集率。虚拟仪器通过计算机 软件处理数据的能力越来越强，比如l a b v i e w 中有时域、频域及数 学等工具包，方便了数据的处理。在某些信号调理器和数据采集卡中， 也内含了数据处理功能。 4 传感器技术 传感器是将其它信号转变成电信号的装置，在被测对象数据采集 中起着至关重要的作用。计算机技术和传感器相结合，产生了功能强 大的智能传感器( h l t e l l i g e n ts e n s o r ) ，智能传感器是传感器技术的一 次革命。智能传感器和人工精神网络、人工智能、信息处理技术( 信 息融和技术、模糊理论) 现结合，使传感器具有更强大的功能，如分 析、判断、自适应、自学习的功能，并完成图像识别、特征检测、多 维检测等复杂任务。光线传感器、化学传感器、生物传感器及虚拟传 感器等新型传感器，是目前比较典型的几种智能传感器。 随着计算机技术和网络通讯技术的飞速发展，计算机网络渗透到 第2 1 页 北京交通大学硕士论文 第二章虚拟仪器技术 各行各业。在测控领域中，也有传统的现场模拟信号通信方式转为现 场级的全数字信号通信方式，即传感器现场级的数字化信号通信方 式，出现了基于以太网的传感器即网络化传感器技术。特别是现场总 线的推出，使得传感器可以在现场对信息进行处理，再将数据通过通 信线路与计算机通信。 i n t e m e t 的出现，使得信息化、全球化成为时尚。作为现场智能单 元的传感器能否象计算机一样成为i n t e m e t 网络的一个节点，并具有 网络节点的组态性( c o n f i g u r a t i o n ) 和可操作性( i l l t e r o p e f a t i o n ) 呢? 使传感器在智能化的基础上同时实现网络化，让现场测控参数就近登 临网络，并具备必要的信息处理功能，使传感器在现场级就实现 t c p i p 协议功能，把测控网( i n f r a n e t ) 和信息网( i n t r a n e t ) 统一起 来，等等，这是传感器实现信息化的主要研究目标和方向。 2 3 3 测量技术的进步 测量技术对虚拟仪器技术的应用有很大的影响。近年来测量理论 和技术不断发展，电测量技术领域不断拓展，随着其它相关技术的进 步，测量的观念也不断得到更新。 随着测量需求的日益增多，被测对象也越来越复杂，出现了需要 对被测对象做出状态估计、诊断或变化趋势分析的测量方法，称为模 型化测量方法。正是借助人工智能技术等数学模型，使得测试系统不 仅具备知识，还会学习和推理，并能根据推理结果采取补偿措旌，从 而是测试系统的性能和可靠性得以改善。在仪器中引入人工智能得以 实现智能化测量，已成为一种趋势。近些年来，校验用标准电源向着 多功能、智能化、程控化、小型可携带、适于现场校验仪表的方向发 展，具体制作中尽可能采用新技术，如数字化、微机化，以保证准确 度和稳定度，以利于提高工作效率。 在线测量技术克服了离线检测的弊端，广泛用于各种大型设备的 在线测量，不仅具有方便实用的特点，而且能明显降低测量费用。对 难以在线测量或不能测量的重要变量( 参数) 改为选择另外一些容易 第2 2 页 北京交通大学硕十论文 第二章虚拟仪器技术 2 开发平台 n i 公司推出的【丑b w i n d o w s c v i8 o 版，它跟踪了基于w 曲的应 用程序开发，提高了程序的开发能力。新的模块化程序结构使用户可 以建立更小的执行程序，同时能获得更好的系统性能和减少内存消 耗。借助于l a b w i n d o w s c v i8 0 内置的w 曲工具，用户不需要编程 便可以在几秒钟内，在w 曲上发表的控制面板。利用 l a b w i n d o w s c v i8 0 中新的n id a t a s o c k e t 技术，用户可以和其它具 有h l t e m e t 功能的程序迅速共享数据，无需担心网络协议和数据格式。 l a b w i n d o w s c v i8 0 使用模块化部件( d l l ) ，借助于这些新的结构， 用户可以降低内存的花费，提高系统性能。l a b w i n d o w s c v i8 o 利用 a c t i v e x 技术集成了m a t h w b r k s 的m a t l a b ，用户可以直接调用 m 棚a b 的m s c r i p t 文件，方便地对已有算法进行重新利用。同样 地，也可以直接调用n i 的h i q s c r i p t 。这两种方法将交互数字工具 包和l a b v i e w 数据采集的强大功能集成于一个简单易用的环境中。 此外，l a b w i n d o w s c 、，i8 o 增加了1 0 0 多种新的数学算法，包括常微 分方程、根的求解、优化方法和其它的数学算法。h b w j d o w s c v l8 o 引入了一系列强性能的工具，以帮助用户提高编制专业用户界面的效 果，包括一个新的3 d 图形控件；增加了模块化和可视化的灵活性， 通过可缩放的前面板，用户无需手动改变控件的大小就可以移植它们 的程序；增强了报告的生成，可以快速地建立和打印格式化报表；增 强了图形功能，包括s m i t h 极坐标图，以定制图形和动画。 为满足系统对实时的要求，n i 公司1 9 9 9 年推出了l 丑b v i e wr t 和r t 系列采集卡，h b v i e wr t 包含开发系统和r t 引擎两部分，r t 开发系统的基本功能是编写和调试l a b v i e w r t 代码，下装程序到r t 系列硬件，并且提供用户接口。r t 引擎在r t 系列硬件的处理器上运 行，并对实时性能作了优化，可保证实时执行l a b v i e wr t 程序，不 受其它应用软件或驱动器的干扰。 h p 公司也在不断改进强软件的编译速度，并又推出了多种v 产品。 3 驱动程序 第“页 北京交通大学硕士论文 第一章 虚拟仪器技术 仪器驱动程序主要用来完成仪器硬件的通信、控制功能。传统的 仪器驱动程序由仪器硬件厂商随硬件提供，由于不同厂家仪器硬件存 在差异，使得在更换仪器硬件时往往不得不修改测试代码。为了能自 由互换仪器硬件而无需修改测试程序，1 9 9 9 年n i 公司提出了可互换 虚拟仪器标准i ( i n t e r c h a n 2 e a b l ev i 咖a l i n s t r u m e m s ) 。i 技术规范， 是以v x ip l u g & p l a y 驱动程序标准为基础的，使仪器在测试系统中可 以互换而无需修改软件，这样就解决了消除测试冗余、提高测试系统 中同类仪器的可互换性等问题；在更换硬件时，软件不需要做太大的 修改，大大简化了仪器驱动器的开发，改进了仪器驱动程序的编写质 量。而且i v i 仪器驱动器与接口总线无关，只与仪器的测试功能有关， 比如对数字示波器，无论是采用g p i b 总线还是采用v 总线，其i 仪器驱动器的全部功能函数全都是相同的，只是通过一个初始化函数 来区分仪器接口总线与地址的异同。这给许多应用领域和工业部门带 来了实惠，增强了代码的可重用性。那些必须长期维护测试系统和代 码的测试系统开发者，如军工、航天和汽车制造业的测试系统开发者， 在替换旧仪器时，现在可以很容易地将测试代码在新的设备上运行而 不需要对其作太大的修改。目前，i v i 技术受到处于竞争激烈且产量 巨大的工业领域厂商的青睐，如电信业或消费电子工业的厂商，他们 可以在仪器出现故障或必须重新校准时不影响生产，从而保住产量。 而且所有的大公司都可以轻松的在部门和设备间重新利用和共享测 试代码，而无需被迫使用相同的仪器模式。n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 中已经内嵌了在人机交互作用下自动生成i 仪器驱动器代码的开发 工具。但生产的i 驱动器只是通用的驱动器，也许还不能满足用户 的一些特定需要。 4 a c t i v e x 、c s 结构、多媒体技术 a c t i v e x 是测试行业的一项关键技术。a d i v e x 是一种封装模块， 与编程语言无关，能被许多不同语言所调用。采用这种技术可以在测 试系统中调用各种有用的应用程序，如电子表格e x c e l 和教学工具 m 蜘a b 以提高系统的性能。另外，a c t i v e x 还能够通过h l t e m e t 网 实现远距离控制。 第2 5 页 北京交通大学硕士论文第二章虚拟仪器技术 用c s 结构模型设计虚拟仪器，不仅可使不同测试子系统之间共 享系统资源，并行地进行测试工作，而且可以根据测试系统的实际需 要，任意增删测试子系统的数目，而无需对测试系统软件的源代码进 行修改。 多媒体技术的发展，也将对虚拟仪器技术的发展产生影响。如， 可阻用动画技术直观、逼真地动态监控系统状态和测量结果，可用语 音技术实现自动报告测试结果和报警。 第2 6 页 北京交通大学硕士论文第三章功率放大帆组测试系统的功能与结构 第三章功率放大机组测试系统的功能与结构 3 1 功率放大机组介绍 本课题的测试对象为我国某型号导弹发射装置伺服系统的功率放 大机组。机组由一台交流异步电动机( 额定电压为三相3 8 0 v 5 0 h z ) 和一台有两个独立电枢的他励可调直流发电机( 额定电压为直流 2 3 0 v ) 组成，交流异步电动机经联轴器拖动双枢直流发电机，异步电 动机与发电机的壳体刚性连接。 图3 1 功率放大机组结构示意图 为了保证产品质量，功率放大机组在出厂前需要进行严格的测试， 机组发电机的运行特性是评定机组性能的重要指标，包括：发电机空 载特性，发电机外特性和电压调整率，发电机的调节特性，以及机组 的过载特性等。 3 2 功率放大机组测试系统的功能 3 2 1 测试及数据处理功能 一、测试项目 第2 7 页 北京交通大学硕士论文第三章功率放大机组测试系统的功能与结构 1 发电机的空载特性 空载特性是发电机转速n 为常数和负载电流i 为零时，发电机 端电压u o 与励磁电流i f 的关系曲线( 如图3 2 所示) ，即u o = f ( 1 f ) 。 n 为额定转速 u w 为额定空载电压 l f 0 为额定励磁电流 1 毋 图3 2 空载特性曲线 2 发电机外特性和电压调整率 外特性是当n 和为常数时，端电压与负载电流的关系曲线 ( 如图3 3 所示) ，即u = f ( i ) 。 u o u n u u n 为额定输出电压 1 w 为额定输山电流 图3 _ 3 外特性曲线 他励直流发电机的电压调整率，指发电机由额定负载状态 ( u = u n ，i = i n ，n = n n ) 保持励磁电流不变而过渡到空载时，端 第2 8 页 北京交通大学硕士论文第三章功率放大机组测试系统的功能与结构 1 发电机的空载特性 空载特性是发电机转速n 为常数和负载电流i 为零时，发电机 端电压u o 与励磁电流i f 的关系曲线( 如图3 2 所示) ，即u o = f ( 1 f ) 。 n 为额定转速 u w 为额定空载电压 l f 0 为额定励磁电流 1 毋 图3 2 空载特性曲线 2 发电机外特性和电压调整率 外特性是当n 和为常数时，端电压与负载电流的关系曲线 ( 如图3 3 所示) ，即u = f ( i ) 。 u o u n u u n 为额定输出电压 1 w 为额定输山电流 图3 _ 3 外特性曲线 他励直流发电机的电压调整率，指发电机由额定负载状态 ( u = u n ，i = i n ，n = n n ) 保持励磁电流不变而过渡到空载时，端 第2 8 页 北京交通= 学硕上论文第三章功率放大机组测试系统的功能与结构 这种方式最大的优点就是负载调节方便，而且，实现起来也不是 很复杂。但这种方法也存在一些缺陷： 由直流发电机所发出的电能难以被再利用； 需要庞大的耗能系统和冷却装置，增加设备以及所占用的实验 室的面积： 在大功率场合，能量浪费十分严重。 现阶段，国内的大部分实验系统都采用这种方式。 2 简单能馈式实验系统 目前，国内还有采用以下方式的实验系统：原理如图3 6 所示： 拖动电机 聊聊聊 直流发电机直流电动机同步发电机 图3 6 简单能馈式实验系统 为了能将图中直流发电机发出的电利用起来，将直流发电机所发 出的电直接加到一个直流电动机上，再将一同步发电机接到直流电动 机上，使能量得以回馈电网，这种方式能够大大提高电能的利用率， 但其缺点也是很明显的： 一共采用了两台电机，增加了设备，成本提高。 控制难度增大，模拟负载由两台电机组成，必须联动的控 制两台电机才能达到理想的实验效果 设备体积庞大，占用较大的实验室面积。 3 能量反馈式实验系统 能量反馈式试验系统方式的结构如图3 7 所示 第3 2 页 北京交通大学硕士论文第三章功率放大机组测试系统的功能与结构 图3 8 测试系统结构图 第3 5 页 北京交通大学碗士论文第四章功率放人机组测试系统的硬件设计 v d有效值电压用于交流绝缘检 2 5k v 测，5 0 h z ，1 分钟 x g总精度 i p n ，t = 2 5 0 6 j el 线性度 0 2 善 1 0失调电流 l p = o ，t j = 2 5 o 1f m a x )m a 曩 i o tl o 的温漂o + 2 5 0 2 f i 冲) n u 蒙 o 3 ( m ) 响应时间 9 0 o p 。 4 0us 发电机端电压测量原理如图4 1 所示： 图4 1 发电机端电压测量原理图 矿：! ：! ：鱼兰 w 1 r 。= 击= 2 0 0 q 一3 。勰) “ 4 4 发电机负载电流测量 ( 4 1 ) ( 4 2 ) 发电机负载电流检测特点如下： 1 测量程宽( 3 0 0 a ) ，数据采集卡所接受的电压输出量程为 1 0 v ：所以必须经过转换后转换成1 0 v 范围内的电压信号才能输入采 集卡。 第3 8 页 北京交通人学硕上论文第四章功牢放_ 人机纰测试系统的硬件设计 0 3 ( m a x ) i o m磁性火漏电流 i p = 0 ，通过3 0 2( m a x )m a l p n 的过载 t r a反应时间 1 0 o fi p 5 0 0 t r响应时间 9 0 o fi p 1 0 0 a ，us f频带宽度( - 3 d b )d c 。1 0 0k h z 发电机负载电流测量原理如图4 2 所示 1 传输 i i ：l 固暑 ii 图4 2 发电机负载电流测量原理图 4 5 发电机励磁电流检测 ( 4 3 ) ( 4 4 ) + 1 5 v 一1 5 v 0 v v o u t 根据励磁电流f 负测量范围的特点，选用瑞士u ! m 公司的 u l s 2 5 n p 。该传感器为多量程可选分别为( 8 a ，1 2 a ，2 5 a ) 本测试系统选用量程为8 a 的接线线方法。该传感器高隔离，精确度 高，线性度好，响应速度快。输出为0 5 v 电压信号就近直接输入电 路板由数据采集卡采集。其具体参数如表4 3 所示： 第4 0 页 i | | q ! | 如 一 = r 志一 旧 w 北京交通火学硕上论文 第四章 功率放大桃组测试系统的硬件设计 表4 3l 1 s 2 5 n p 相关参数 i p n原边额定值有效电流 2 5a i p原边电流测量范围 0 8 0a r m测量电阻 3 0 q 电 l s n副边额定有效值电流 1 0 0m a 参 k n转换率 1 ：2 0 0 0 数 v c电源电压 ( 5 ) 5v l c电流消耗2 0 ( 耐p ) m a v d有效值电压用于交流绝缘检 6k v 测，5 0 h z ，1 分钟 x 精度 l p n ，t a = 2 5 0 2 x g总精度 l p n ，t a _ 2 5 0 5 l线性度 o 1 i o失调电流 i p = 0 ，l f 2 5 0 2r m a ) 【)m a 精 i o ti o 的温漂o _ + 2 5 0 2 f t y p ) m a 度 动 0 3 ( m a x ) 态 v o m磁性火调电压 i p = 0 ，通过3 0 5 ( m a ) 【)m v 参 数 l p n 的过载 a反应时间 1 0 0 f 】p 5 0n s 仃 响应时间 9 0 o f l p 1 0 0a hs f频带宽度( o 0 5 d b )d c 1 0 0鼬 发电机励磁电流测量原理如图4 3 所示 、 爿 i s + 图4 3 发电机励磁电流测量原理图 第4 1 页 o u t 0 v + 5 v 北京交通大学顾十论文第四章功率放大机组测试系统的硬件设计 4 6 功率放大机组转速测量 对于功率放大机组转速测量来说，由于测试对象功率放大机组为 量产产品，流动性比较大，测试又不能改变机组本身的结构，更不能 破坏原有结构。所以采用非接触式测量。被测韩国产光线放大器 b f 3 r x 和f d 一3 2 0 f 1 光纤线，把转速转化成0 1 5 v 脉冲信号。再由光 电耦合芯片tlp521芯片组成的光电隔离电路隔离并整形后输入数据 采集卡的计数器输入端口进行测量。通过这种方法，只需要将一编码 纸环贴于与发电机同轴转动的惯性转盘上用定制的与机组端盖形状 尺寸相同的支架将传感器固定在机壳上即可进行测量，拆卸方便，又 不对机组结构产生任何影响。bf3rx光线放大器特性如表44所示表4 4 b f 3 r x 光线放大器特性 电源速度 1224vdc10(幅度pp：max10) 灵敏度调节红色u ! d ( 调制) t 调节( 两种润节方式：1 、粗调2 、细调) 动作方式由控制线选择u n g h to n 母a r k o n 方式控制输出n p n openc o e c l o r 输山；负荷电压：m a x _ 3 0 v d c ；负 荷电流：m 2 0 0 m a ；残余电压：m a 】【1 v保护电路 电流逆连接保护电路，输出端过电保护线路抗干扰 耐压性1 0 0 0 c5 0 6 0 1 分钟波(脉冲宽度：lus ) 转速测量原理如图44所示：第42页 北京交通大学硕士论文第叫章功率放大机纰测试系统的硬件设计 负载效应( 负载调整率) ( 负载电流由o 变化至 l 1 0 勺十5m v 1 0 0 ) 纹波与噪声( 5 h z 1 m h z ) 3 m v r m s 温度系数典型值 5 1 0 1 源效应( 电压调整率) 1 + 3 m a 恒( 电网电压变化士1 0 ) 流 特 负载效应( 负载调整率) 性 ( 负载电阻由0 变至1 0 0 1 + 5 【i l a ) 工作温度范围 o 4 0 工作相对湿度范围 2 0 9 0 r h 储存温度及湿度范围 5 4 5 2 0 9 0 r h 冷却方式d c 2 4 v 智能轴流风机 4 8 发电机加载控制 4 8 1 可调大功率电子负载 可调大功率电子负载为中国石家庄凯翔电气有限公司研制的，可 调大电子负载为适应功率放大机组特性测试的要求( 既要完成额定范 围内的空载特性、调解特性、外特性实验，又要能够进行过流过压实 验) 采用i g b t 调解方式的电子负载和多档可控并接方式电阻负载综 合设计。如图4 7 所示： 第4 6 页 北京交通人学硕上论文第四章 功率放大机组测试系统的硬件没计 图4 - 7 可调大功率电子负载结构图 采用这种混合型负载设计方式既满足了在常规特性测试实验的负 载电流无级可调的要求，又满足了在过载试验中需要对机组加大电流 负载要求。 主要技术特性为： 1 主回路由额定功率( i g b t 无级可调电子负载部分) 和超载功 率( 多档并接电阻负载部分) 2 部分并连组成 额定功率采用0 6 5 a ( 最大1 0 0 a ) 2 3 0 v 连续可调方式 电压范围1 8 0 v 一3 0 0 v 可长期工作不定时( 注：l l o v 3 5 a ， 1 5 0 v 6 5 a ，1 8 0 v 1 0 0 a ) 。 超载部分采用开关分段设置统一投入自动延时断开方式 电流分段( 额定电压为：2 3 0 v ) l o a 、2 0 a 、2 0 a 、5 0 a 、5 0 a 、l o o a 、l o o a 、2 0 0 a8 档 在电压降至1 5 0 v 时，6 档全部投入，电流为：2 6 0 a 总功率容量1 4 0 k w 。 囊| 瀵控制方式 无级可调部分采用i g b t ( 大功率开关管) 控制及p t c 功率元件 组成恒流闭环回路，可以适应1 3 0 超压试验。 超载部分由分档投入开关及统一启动加电子延时继电器( 可设 第4 7 页 北京交通火学硕士论文 第四章功率放大机组测试系统的硬件设计 具有过功率( o p ) ，过电压( o v ) ，过电流( o l ) ，过温度 ( o v ) ，和正负极反向保护功能； 具有g p i b 、r s 2 3 2 、及模拟量输入输出控制接口； 测试系统计算机与程控直流电子负载通过一路r s 2 3 2 串口连 接通过s c p i 通讯协议进行通讯控制。 4 9 三项异步电动机参数测量 为简化测试系统结构，减轻主控计算机负荷，测试系统选用四川 绵阳维博电子有限责任公司的w b l 8 5 1 a 智能全参数电量隔离传感 器。该传感器能够实时检测三相交流电的三相线电压，线电流以及三 相异步电动机的有功功率等参数，并通过r s _ 4 8 5 串行通讯的方式发 送给计算机。极大的简化了测试系统的结构，减轻了计算机的负担。 w b l 8 5 1 a 智能电量隔离传感器的技术参数如下： 1 精度等级：v ：0 2 ( v ：1 0 1 2 0 v 。) i j0 2 ( i ：1 1 2 0 i ) p ：o 5 ( c o s 巾( 一0 5 1 o o 5 ) ) q ：o 5 ( s i n 巾( 一o 5 1 o 0 5 ) ) c ：o 5 ( 一0 5 1 0 o 5 ) e ：o 5 ( c o s 巾( 一o 5 1 o 0 5 ) ) r ：o 5 ( s i n 由( 一o 5 1 o 0 5 ) ) f ：o 1 ( 4 7 h z 5 3 h z ) 2 数据输出顺序：erpqcfv 1 v 2v 3i l 1 21 3 3 额定输入电压有效值v n = 3 8 0 v 4 额定输入电流有效值i ，= 5 a 5 响应时间： 1 0 0 m s 6 输出接口及节点数：r s 一4 8 5 ，6 4 点 7 通讯距离：1 2 0 0 ，通讯方式：半双工 8 通讯速率：1 9 2 k b p s ( 缺省9 6 0 0 b p s ) 电机电流的测量范围为0 1 0 0 a ，而w b l 8 5 1 a 的电流输入范围为 第4 9 页 北京交通大学硕士论文第凹章功率放大机组测试系统的硬件设计 t f p f e 7 f 9 f p i ? f p ? f ? r p f p 。邕；邕，i 婴 图4 9 模块电路原理图 第5 1 页 7。弦弛峰 障譬岁，；。 ia雌 触铡纛黼黼瓣 2d a q m x s t a n t a s kf r a s k h a n d l et a s k _ h a i l d l e ) ； 北京交通大学硕士论文第五章功率放大机组测试系统的软件设计 5 3 程控直流小电子负载的控制 本测试系统计算机与程控直流电子负载通讯采用了标准的r s 一2 3 2 串口通讯，通讯协议选择了可编程仪器标准命令f s t a n d a r dc o m m a l l d s f o rp m 挚锄m a b i ei n s t m m e n t s ，简称s c p i ) 。 5 3 1s c p l 标准 可编程仪器标准命令s c p i 是为解决程控仪器编程进一步标准化 而制定的标准程控语言，1 9 9 0 年由仪器制造国际协会提出的s c p j 语 言是在i e e e 4 8 8 2 基础上扩充的到的，s c p i 的推出与g p l b 、i e e e 4 8 8 2 的公布一样都是可程控仪器领域的重要事件。目前s c p i 已经成为重 要的程控仪器软件标准之一。 本测试系统中操作程控直流小电子负载主要用到的s c p l 命令有 表5 1 常用s c p l 命令表 命令参数单位发送时备注 间间隔 c u r i k n t ：1 】 【：i m m e d i a t e 】 【a i m q 3 0 m s设置负载电流 m e a s u r e ：c u r r e n t ?1 0 0 m s查询检测电流 ：v o l l a g e ? 2 0