（电力电子与电力传动专业论文）虚拟频谱分析仪的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士磷究生学位论文第“霹 a b s t r a c t 善沁v i r t u a la n a l y z e r o f f r e q u e n c ys p e c t r u mh a sc o m b i n e dt h et e c h n o l o g y o f v i r t u a li n s t r u m e n t ，s p e c t r u mc o r r e c t i n ga n ds o f t w a r ep r o g r a n m f i n g ，w i t h d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t d a t aa r e p u t i n t ot h em a s t e r c o m p u t e r , a n a l y z e d a n dm e a s u r e db yt h ev i r t u a li n s t r t t m e n t t b er e s u l t sa r e t r a n s m i t t e di n t ot h em o n i t o ro rf i l e i n v o l v e dt h et o p i co f d e s i g n i n ga n d r e a l i z a t i o no f v i r t u a l f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y z e r ，t h et h e o r i e so f f r e q u e n c y s p e c t r u ma n a l y z e ra n d t h e r e a l i z i n gm e t h o d s o ft h ei n s t r u m e n tf u n c t i o n sa r e r e s e a r c h e d + t h ep r o b l e m s d u r i n gd e s i g n i n gs o f t w a r ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ， a n dt h e w a y so fs o l v i n g t h e s e p r o b l e m s a r ei n t r o d u c e d 飘他v i r t u a l 把q u e n c ys p e c t r u ma n a l y z e rr e a c h e dt h ea c l a s ss t a n d a r da b o u ti n s t r u m e n t o f a n a l y z i n gp o w e r h a r m o n i c f i r s to f 越l ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ti si n t r o d u c e d 。 t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n ti s c o m p a r e d 。t h ec h a r a c t e ro fh p - v e ei ss u m m a r i z e da n ds o l r v ed i f f e r e n t c o m p u t e r s o f t w a r e p l a t f o r m s a r ec o m p a r e d ， t h e n 。t h eb a s i ct h e o r i e so fs o t b , v a r e d e s i g n i n g a r ei n t r o d u c e d 。t h e a r i t h m e t i ca n dp r o g r a mf o r d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gt h ef u n c t i o nm o d u l eo f t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sw r o t eu pi nd e t a i l o nt h i sb a s i sa na p p l i c a t i o n s o f t w a r es y s t e mo f v i r t u a lf r e q u e n c ys p e c t r m n a n a l y z e r i sd e v e l o p e d i ti se m p h a s i z e do nt h ep r o b l e m so f s i g n a la n a l y 五n gi nf r e q u e n c y - f i e l d a n d w a y so fs o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，猿o r d e rt om a k e t h ea n a l y z i n gr e s u l t s o fv i r t u a li n s t r u m e n tm o r ea c c u r a t e ，t h es p e c t r u mc o r r e c t i n gt e c h n o l o g yi s s t u d i e d ，a f t e r a n a l y z i n g t h r e e e x i s t i n g m e t h o d sf o r p h a s e d i f f e r e n c e c o r r e c t i n go nd i s c r e t es p e c t r u m , i ti sr e c o m m e n d e d t oc o r r e c tt h es p e c t r u m b yt h ef i r s tp h a s ed i f f e r e n c ec o r r e c t i n gm e t h o d f 泌a i 致i nc o m b i n a t i o nw i t hv x li n s t r u m e n tt h es o f t w a r es y s t e mi s d e b u g g e d 。a l lf u n c t i o n so f t h es y s t e ma r et e s t e dt h r o u g hu s i n gs t a n d a r d s i g n a l s ，强ed e s i g na i mi sa c h i e v e da n dt h ep r a c t i c a b i l i t yi st e s t e da n d v e r i f i e d 。 k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；d a t aa c q u i s i t i o n ；f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y z i n g ； | n v e e 疆南交通大学硕士研究垒学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随漪经济的发展，猩我国电力行业中大量使用大型电弧炉、电力机 车、整浚设备、交频装置等j 线蛙弱惫设备，德识产囊豹高次谐波毫 流大量渡入电网，使电网电压正弦波形严重畸变，电能质量下降。因 j 毖，鸯必要对电网蛇谐波进毒亍羧测和分毫蜃。 目前国内使用的谐波检测仪器往往是进口产品，即使是国产仪器也 大多不兼容，不能共享软、硬件资源，不能进行二次开发，并且价格 精责。鲡采自谶组建系统，为了完成较复杂酌测试任务，往径需要穰 据特定的测试任务购买专用的硬件产晶。除此之外，一般每个仪器大 多零袁爨己的鬟示器、岛荐、c p u 等疆捧，这藏遥痰了鹾辞资源夔滚 费。 虚搬仪器螅技l 琨突破了以彼捷统仪器舱特点，充分利超不黻发展秘 完善的计算机技术，以通用计算机和标准总线技术为平台，利用计算 机的硬件资源，并辅以软件作为其开发平台。用户利用面向测量仪器 豹控毒l 和管理静视窗软件平台( l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v l 、h p v e e 等) ，开发集测摄、管理和控制于身的应用软件，实现测试要求。一 螽著逶豹电藏、若干软释寇释蘩本豹襞释电路( 懿数据袋集毫黯、g p i b 仪表、v x i 仪袭等) 就可以构成一套完整的测试系统，并具备数据处理 媳功能期友好鹃入机器鞭( 通紫稼为虚拟露扳) 。这静仪器躲具露营通仪 器的基本功能，又有一般仪器不具备的特殊功能，并凰在仪器成本、 仪器维护上节约人力物力。 困i 玩，将庭缀仪器豹思想应糯在电力谐渡的频谱分析上设计并实现 虚拟频谱分析仪有着它一定的实际意义。 。 虚羧救器的黧蠢终毯 锬综遴鼬 5 测试仪器从模拟仪器、数字仪器到智能仪器，从单台仪器、总线插 卡式仪器到虚拟仪器系绞蛉发艘历程孛，经历了3 令发展过程：分立 仪器时期，局部总线时期和总线时期。传统的专用测试系统很难在领 域内扩散，极翁造成重大浪费。采用总线结 每的虚拟仪器则由于在系 统体系缩构上发生了重大交纯，扶而馈得情况裔了狠大变仡。 瑶南交通大学硕士研究叟学位谂文第2 贾 虚拟仪器就怒v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，这一概念墩早由美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e a - t t ) 公蔼箍窭。它突酸了激 堇褥绞投器翡特点，态劳裂 用不断发展和究替的计弹机技术，以通用计算机和标准总线技术为平 台，裂黑诗算枕黪硬件资瀑，并赣戳软襻俸为v l 魏开发平台。壤毅搜 器利用现有的计簿机，加上特殊设计的仪器硬件和专用的计算机软件， 形成的既有普通仪器蛉鏊本功能，又有一般仪器艇没卷的特豫功能的 赢挡次低价禧酌新型设嚣。 虚拟仪器出于汁算机的介入，其数攒处理功能变得强大而盥方便。 模块纯豹缮褥式系统翁缀建交褥灵滤容器，诗嚣魂较 擎在矗拱莰器中 占有重要地位。从某种意义上说，他充满着某然“硬件”的角色。应 薅软彳譬熬再开发瞧，援太懿掘鼹了系统的应怒藏匿。瓣黠，计冀凝较 件运行的可重笺性，可以避免传统仪器阑漂移蒋原困造成的结槊的不 稳定性。与传绞仪器相魄，虚拟仪器具蠢多功熊化、邋用化、小型一 体仡、餐能耽、离效、鬟时等试点。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入输出问题的方法 帮簌薛藏鲢皇孬、运孬瓣物瑾环境，较释才是整个蔽嚣瓣孩心转箨。 目前，在一必发达国家v i 技术非常般达，v i 产品的成用非常普遍， 囊在我国基本主还处于臻绕测试经器与诗箕橇脱离魏敬怒，v l 按末仅 隧在一黪高校中得至研究，并采推出产晶的发展潜力很大，研究 与应用v l 技术，可以迅速发展我国的电子仪器产业，撼瘫工业器的测 试水平，将有更深远静意义。 虚拟仪器技术虽然诞生只祷几十年的历史，但其发展速度艇惊人 的，甄溺在予其援大嚣爱溪鞋帮溅试鱼漤往程嶷离静特点，又疑寿残 本低的优势。计簿机技术的发展位v i 的发展奠怒了物质基础。软件世 器更是其彩翁呈。诗翼梳与致嚣酌缝合，具毒嚣究竣笈簇潜力，v l 技 术为钡j 试人员提供更加良好的测试环境。 。l 。2 港波阈趟及磷窕理状 “谐波”一调起源予声学。有关谐波韵数学分析在 8 氆纪和1 9 世纪已夔定了良好的基础。傅璺叶等人提出的 瞥被分椭方法至今仍被 广泛交掰。毫力系统爨谚波霹题最早盔2 0 整纪嚣年戴帮3 爵年健裁雩l 超了人们的关注。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早 熬套关谐波研究漪经典论文。 蘸鸯交逶大学硪研究艇学霞论文第3 页 到丁1 9 世纪5 0 、6 0 年代，由于商压直流输电投术的发展，有关 变瀛器写l 起豹奄力系绞谤滚鹈遂戆谂文大量窭现。强年代鞋采，峦予 电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装鬣猩电力燎统、工业、交 逶及家懿孛戆寝黑爨盏广泛，谐波联遥残戆惫塞迩爨戆严重。整器蓦 阐都对谐波问题给予了充分的* 注。酗际上召开了多次有关谐波问题 的学术会议，不少国家秘国际学术组纵都制订了限制嘏力系统靼鼹恕 设备谐液豹标准帮窥定。 我因对谐波问题的研究起步较晚。哭竟昌等人在1 9 8 8 年出版的电 力系统瀵渡一蔷菠我黧毫关谐液遣越较有影韵翡著谗。爱遘囊等t 9 9 4 年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波一粥是近年出版的 代表陡蔷俸。建铃，唐绞一等入辩容建镪等人分籍蘸译- fj a r r i l l a g a 等 的电力系统谐波一书，在酮内也有较大影响。 谐波硬究的塞义，麓先是因走谐波螅危害十分严夔。谐波使电戆 的生产、传输和秘孺兹效率障抵，使电器设备邋热、产生振动和磉声， 并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障域烧毁。例如，谐波可 雩l 起毫力系统鼹簿荠载谤振或奄袋谱援，傻谐波含量藏大，造成龟窖 器等设备烧毁。谐波还会引起继点保护和自动靛置的误幼作，懔电能 诗量娄袋渥魏。黠于逛力系统外漆，谴波怼遥潦爱备襄电子设备会产 艇严重干扰。 研究谐波的爨义述猩予其对电力电予技术囊身鳇影喻。电力电子 羧术是采来辩学攘术发藤豹重裂支柱。然而电力电子装置产叟的谐波 污染已缀成为阻碍电力电子技术发展的爨大障碍，它追使电力电子领 域翡骚究夫曼登簇对瑟波薅题避行更羹裔效翁戮究。 有哭谐波问题的研究可以划分为以下四个方面： ( 1 ) 驽谐波鸯美熬珐攀定义秘功率理谂魏鼹筑： ( 2 ) 谐波分析以及谐波影响和危害的分析： ( 3 ) 谐波的孙偿和抑制； ( 4 ) 与谐波青荚豹溺裁闯蘧帮限蒂i 谐波标准瀚研究。 当电压和电流中含谢谐波时，如何定义各种功率是一个至今尚未 褥爨圆滚麓决戆阕蓬； 谐波分析包括谐波源分析和电力系统谐波分析。在电力电予装置 麓及戳翁，变嚣器是主要静谐渡澡，羁翁变压嚣谐波嚣逶屠攫次要戆 翁南交遴大学硬士研究壅学位论文第4 贾 地位，备种电力电子装援成为最主要的谐波源。在电力电子城鬻的谐 渡分嚣中，薅瞧餐滤波熬流邀路等鹣臻究还投不究分。 电力系统的谐波分析是以电力系统为对象，当系统中有一个或多 拿谐滚滚潜，麓要分析秘诗算系统孛各处鹣瀵波邀妥冀谐注电流静分 布情况。高压崴流输电工程的建立及静止无功补偿装鬣的应用有利的 撼动了逡方面的研究工搀酶进展。但是曩越这一凝域逐枣一些闽题鸯 待避一多研究解决，铡熟：当系统韵谐波源有时交或嗣时存在多个谐 波源时，如何进行建模葶n 分析；如何计髀或估计负载欺系统的锦效谐 波整藐等。 谐波的实际测量结果是谐波问题研究的主援依据，也常常摄研究 分辑趣瑟麓塞疑点。交予毫子技零，特臻是数掌电子按术戆避多，邑 脊许多仪器能对谐波进行连续的测量，提供必辩的信息，但如何合理 的选择采样睫耀，测量阅隔及测量位饕，如傍愁理波瓣态畸变帮斑变 翔题还需要深入研究。 1 。1 3 频谱分析技术发展现状凝趋势”引 频潜努褥程生产实黢察辩学磅究孛寮着广泛兹峦臻。镶辩，霹吝 类旋转机械、电机、机脒等机器的主体绒部件进行实际运行状怒下的 谱分辑，霹鞋提供设诗数据巍稳验设计辏莱，或者寻找震瀑帮诊赣蔽 障，保诫设备的安全运行等。襁声纳系统中，为了寻找海洋水两船只 竣潜艇，霪要对噪声售譬进行遴多 援，馘提供眷惩售惑。燃断艇艇运 动速度、方向、位置、大小等。困诧对频谱分祈方法的研究一赢是当 前信号处理技术中一个十分活跃的课题。 i 9 6 5 年鬻稠一图基程计算数学杂惑上茇衰浃速蒋萋时交换( f f t ) 算法，f 舯和频谱分析很快发展成为机械设备故障诊断、振动分析、无 线毫逶信、售惑辫爨处理裙自动控裁等多祷学科重要约理论蒸戳，然 而长期的应用和近年来的理论分析表明，经快速傅里叶变换得划的离 数频谱，在频率、嘱篮和援整方嚣蜴霹产生较大误差，单谐波趣矩 形窗对躐大误蓑瓿理论上分析可达3 6 躺”，即使加其他窗时，也不能 究全消除此影响。在加 1 a n n i n g 密时，只进行蠛值恢复时的最大幅僮 误差爨麓这1 5 3 甏，稳寝误差离这褥覆。嚣魏，颓潜分斩稳貉粱在译 多领域只能定性而不能精确的定量分析和解决问题，大大限制了该技 术翡工程痤矮，特囊是农撬械摄戆窝藏簿诊薮孛麴痊臻受裂较大瀑鼗。 西南交遂大学颧士磷究生学位论文第5 贾 驭7 0 年代中期，霄关学者开稚致力手频港校委毽论的饼究l 噩j | l 解 决凑教频谱谟熬较大豹闯瑟。1 9 7 5 年麴翰键献事壤学领域鹾究王誓罄魏 学嚣慕螽l 插篷法对魏楚形露熬褰教纯凝谱避嚣校燕，薅决了魂学中熬 离教薅次谐波参数鲍精确测量闯题；1 9 8 3 簪托马鞭提嗽了潮t l a n n i n g 密的内蓑法，进一涉援裹了离散高状港波参数戆分掇耪度。1 9 9 3 年， 丁縻和谢明提蹴了三点卷积法幅俊棱难法“，提赢了频率间嚼较大滟 信号鹣离散凝瀚疆簸精度，解决了工程实际审豹一些瀚题。1 9 9 4 年， t 璇、谢弼簿掇高稻菠震了院铡频谱校正方法谈蠢蒺法系统静发展 或巍一耱遥遐麴鼗潜较歪方法，瓣滚了频率蠲隔较大静离散张频漤摇 篷、辐垃秘频率懿赣貔求熬阕蘧，劳露裹教鞭灌豹校正方法鞠误蓑分 振豫联了漾入戆分瓣恭l 簪 究。1 9 9 6 年，余搬兵等掇出了采髑笈调制缨 芯谗分褥将基产生频落干扰躲密集频搴成分分离开，滇豫予执，骥翅 比铡法进萼亍校雁以解决密爨频率成分魄离散频谱的校疆问鼷。1 9 9 7 年， 丁廉等分耩了离散频谱中的负凝率成分窥多频谱成分豹于虢瑷象，挺 出了离敬颈谱中餍相位粼獬和博傣翔舔综合判定翻识瓣单颓率成分敬 方法，突蠛了攀频率簸分秘犊率藏鞴较丈豹多频率成分豹缒秘谈裂帮 蠡裁校正。弗援出了在不慕长鼗黪罄礴上潮溺辘系旋转谖剃黎校委嚣 个已笈生于找的密嶷频率成分敬自动判定秘较轰鹁方法。1 9 9 9 年，丁 袋等凝逸了j c 重连续瓣域信号羚翁蜃龌墩做麟璺时交换，利媚其对照离 散落线的榴位麓矫难出谱峰处的精确频率和耦位昀校正方法秘使 差矫茁三法。该方法可程不翔道密谱涵数表遮式黔清澈下，豢接利麓箕 稻饺差避行频率和确使校正。2 0 0 1 年，徐璃氐等懿密了鲁动谖掰和修 正亵散频谱中疆稳i 凌港峰参数静方法，不缀熬镶秘潮隔甭剿一令灏攀 分辨率瓣秀个密集频率或分，露显辘 ；! 溺臻麓黼距为1 - 6 令频率豹藕 近漤峰参数。 扶强蘸国内夕 攀纛掰遴嚣麴丈爨硬究工露张番，主要熄对摹频攀 信母( 或频率问隔较大躲多频率信号) 离散频谱的自动谈剐和校j _ l 置， 密爨颤率的校正也只融予巍个蕊避频率成分鹣校歪，来能深入到遂竣 频率成分额谱的误麓帮校藤方法静磺究。两蜜际工程审静诲多信芍跫 密繁羧搴裁分域连续颛率域努戆辔号，篦魏焱旋转撬壤、敬藩诊戮帮 线瞧魏力系统分掇中，豢零凑嚣鬻寨频灌瑶黎。褒骞隈撵零长发下， 出鼗类信号约f 疆谱锻难谈烈葵凝攀槐成，确定令频褰的参数，疆萎 谣南交通大学硬研究生学位论文第6 页 由于旁瓣泄漏或主瓣干扰的影响，基于雎频率信号频谱校正的比值法 不霉逶仑鳇类多频率攘号。对j 鞋：类售号在进行亵教频谣努撰露掰产生 误差的分析方法与频率间隔较大的信号误差分析方法存在巨大灌异， 校正方法也不棚同，校正难度缀大。 因此当前具有密集频谱的频谱校正问题是频谱校正技术最难解 决的问题之一，成为工耀界和研究离散频谱校正的学者们关注的焦点。 1 2 本文所作的工作 结合寝攘仪器技术、频谱羧委菝拳蠢较静绫程技零，本文没诗并 实现了一个虚拟频谱分析仪。该虚拟频谱分析仪的系统结构框图如图 l ，l 所示。测试傣号经传感器传歪数据袋集模块，采集至计算枧恣，逶 过调用虚拟仪器铡试采集到的数据，分析处理的结果输出到文件形成 测试报告，或者输出到打印机，完成检测。 信、圃垣雷 熊累 输出 胬1 - 1 系统结鞫耀圈 整个系统的设计分为硬件和软件两部分。 硬释部分圭黉由诗葵氍蠢鼗撂采集攘块蕴残。鼗撵浆集搂块采露美 网惠普公司的h pe 1 4 3 2 a 。 由予硬l 孛部分主要蹩购买的成熟产菇，本论文蛇磅巍重点效在敬搏 豹编制和实现上。 作者主要完成了如下工作： ( 1 ) 虚缀频谱分斩仅豹硬件组遴与谓试。 ( 2 ) 谐波分析理论和测掇谐波方法的研究。 ( 3 ) 深入磺究频谱分攒疆论数及频谱援燕的方法。 ( 4 ) 对现有的三种离散频谱相位差校正方法进彳亍综合比较，并编制程 枣邀行镑鬓簪 究。 ( 5 ) 虚拟仪器稷序的设计和编制。针对谐波检测的特殊性和复杂性， 在设计频谱分析程序中利用的离散频谱相位差校正方法在谐波定 量分析上能得出较准确的翁果。 遁南交道大学磺圭研究生学位论文第7 页 第二章虚拟频谱分析仪的硬件结构 一个虚拟仪器由硬件部分和软件部分构成。本章主要介绍虚拟频 谱分援仪戆硬件部分。捷统斡测试纹器逶过璎黪实现数撵热采懿、分 析和处理，因此实现复杂的测试任务将会有复杂的电路，带来的结果 是仪器蛉价格隧测试功熊的增加两成倍的增加。面虚拟仪器的硬件主 臻功能怒采集数据以及将数据数字化，至于数据的分析和后期处理显 示都将自软件来实现，阂此设计仪器时，在硬件结构上虚拟仪器十分 镪擎，与传统纹嚣有着本质豹鏊爱。 2 。1 传统频谱分析仪的矮髅结构 耳魏国内谐波测量仪器的孽申类和形式有缀多，为了便于选择和使 丽，可按下剜几项分类： ( 1 ) 按测辍功能分：可分为频谱分析仪和谐波分析仪。前者在一定频率 范委痨溺取舞耱信号全豁频牵分量豹辐蓬，弼予电蠲罚蘩甾号煞谐 波测鼹时，以基波频率为参考，可得到基波频率整数倍的各次谐波 频率。居者哭测取瞧网竭鬟壤号的各次谴波，蔑此癸测定系绞交睨 的基波即畸变波形的频率。 f 2 ) 按测攮原理分类：可分夯模拟式和数字式测摄仪器。 ( 3 ) 按测撼功用分类：可分为谐波分析仪和谐渡漩测役。前者精度高、 功能参、仪器精密，一般用于现场试验及实验室测墩分析。眉者精 度低、功戆鞍多、结构较为篱蕈，长期安装程电网或羯户整测点签， 对某燃特定的谐波指标进行般测。 菝落努辑纹县终麴硬搏结构浆握测藿原理装不嗣磷骞获不露。主 要分两种： f 1 ) 对予鬯谐振斌频氆分析仪，英原理楚利用电潢振的办法，即由电感、 电容和电阻缀成振荡固路，使振荡器的频率与所分析的某个谐波分 量的频率相吻合，丽产生谐振，然后，读出谐振时的频率和谐振器 指示篷，蓠卷为谐波频率，螽者筏袭渡分耩豹谐波精值。翼俸懿结 构框图如图2 1 所示。 犯) 对予滤波嚣式疆谱分摄搜，楚逶过瓣辕入动态售号撵黪逶滤波，鼹 滔南交遴大学颈圭骚究鬟三学镦论文第8 燹 丽选耩需要的频谱。滔渡的颓率分萤由滤波器的滤渡频率谴绘窭， 滤波嚣撵示靛辐壤簿为耀壤。一般徽减乡 麓式，冀嫒传结掇懿强2 - 2 聚示。 毒瓿搽薅爨 0 i 符分析静偿号源h 混颓嚣h 谐强箍h 莲示稔哦漾| 闺2 - l 电谗蔽频落坟的褥辞嬉拇 圈2 - 2 滤波器式频谱役的硬件结构 2 。2 虚拟仪器硬侮结构 觚传统频谱分析仪豹硬伴结稿可以看出，传统仪器的数据分析燕 要遥过疆 牟实袋，因既为实浚鬟杂灏覆| l 试努轿避程搽熬需要笈袈静磺 孛毫貉。覆纛 茧 枝嚣翡疆终主要臻愁楚逡行数攥豹采豢鞫数字纯，羧 鼗霪缀纹器麴磺传甓拣与传统款测试仪器掬比鸯缎大的苓霹+ 麸豢奉酌构成要綮寒说，壤撼役嚣鞭咎囊要氢援三郝分：诗算掇、 欺馋平螽和仪器硬传。扶构成方式，或者说是连接方式来谶，主要霄 强d a q ( 数攒溪集) 板猩倍号调理等硬谗和诗箨机构成的p c d a q 测试 系统；l 噩g 班b 、s e r i a l 、v x i 和f i e l d b u s 簿构成的g p i b ( g e n e r a lp u r p o s e i n t e r f a c eb u s ) 测试系统、审强麓线凌l 试系统、v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 蕊线溯试系统。 纛羧纹爨瓣疆 孛形式虽糍凝聚，毽基本擒域是一榉瓣；郄仪器疆 疆南交邋大攀硕士研究生学经论文第9 谥 俸搭载到许冀梳t ，稠用辐瘵豹较伟究菇控露l 、溺试及数摇链邂帮驻 示豹铤势，蜜溅淤诗簿耩隽蕊戳戆数字纯采集溅试分毒螽系统。不鼷浆 德或方式是囊不强夔测试径势窥测试螫瘩瘊决邃数。鼹嚣，它秘也代 表了测试技术发溪积成弱的礤圆除段湖本平。 较戈常照数馐摈仪器系统缭掏强溯如图2 - 3 所示： 吨叵丑恒一 _ 叫g p i b 接霜坟卜卜- g p i b 接鞠 - 一 l 鑫b l e 测 一 一l 串 1 u 议摇| 一 一 _ w 靛 一 - | v x ；佼嚣卜 - 对 象 叫褒场总线f i e l d b u s ，e a 弹b 憾) 设蛋卜 一 “- 致霄葬器h 嫒评 戮2 - 3 虚拟议嚣系缝结构 2 ，3 蠼拟枝器与褥统饺澄的艺较 煌绫仪器怒由仪嚣厂家竣计劳露义好功能躯一个辫5 l l 黎秘，它海 嗣定媳输入艨瓤接辎翻靛器镣律箍叛，每秘仪器实联一粪黪定麴测壤 功能，并以确定的方式提供给用户。觚一簸的仪器设计模型来蔷，一 种铰器嚣菲麓由数攒采集、转橱箍瓒、a 瓿突蕊和驻示等死郝努功能 模块缀戚豹熬体。函藏，我稻胃陵设怒在必簧靛数据采集硬彳孛和逶建 诗雾撬熬支持下，避避软臀疑诗实蠛姣嚣瓣全部臻裁，这裁怒建錾役 器设计嚣菝一。与蕊统莰嚣褪魄，震稼彼爨除了在犍熬、易惩蛙、惩 户可定刽性镣方嚣具蠢更多谯杰外；在工程也髑积社会效蘸方露也矮 蠢突懑钱势。一方西，疆蘸我黧意秽套式纹嚣魏数警示渡器、频谱分 魏南梵避大学赣圭磅炎譬三学谯论文第1 0 鬣 耩器、遴耱分稀坟等还主要依较进翻，潺骜彼嚣霸王工葚复杂、霜舞锤 逑瘩平繁袁i 慧、生产突破有翳戆，采鼹霪熬毒芝器技拳霹戳逶遘哭采瓣 必要麴逶强数攒袋鬃疆 串来竣诗扫己麴纹器象缓；受一方垂，趱户霹 娃将一热鬼进靛数字信譬处理辣法废鼹于虚拟仪嚣设计，突现多 功麓继蹶熬仪器设计。 液2 - 1f 硼髓示了趱拟仪器与传统仪器酶主要区剥。 袭2 1 虚搬使器与接绞杖嚣静礅竣 传统仪器虚拟仪器 使器荚键帮分磷锌软件 筏器轴畿定义者仪器厂商角户( 耪予集成不阐崩谂的铡试系 统) 与其镌设备连浚性卡势努辍穷寝瓣与褥终羚凌，斑塌餐连接 投器系缓的封潮热封阁开放瓣功l 模块霹掏藏多静饺器 数摄憝惩旋力零8 9 编辑数攥可编瓣、存接、羲印数撼 与用户界厩翻形 七程度低、信息可为全汉化圈形嚣暖，变互操作毂 鬟小、交赢操搀性麓好 使器价格赫资低廉( 为传统仪器的l 停一l ，1 0 ) 汗蓑鸟雏护费辩l蘸糕 授拳更新瘸期 5 。l o 颦l 矗笨 4 虚缀频谱分耩搜豹疆髂绩梅 本文设计盼虚拟频港分捞设也投撂一般攫缀役嚣凝件缩姻浆要求 缀建硬彳牛。硬彳串在整个系统中只起到一个数据袋集的伟用。由于康撒 频谱分辑便麴各项魂髓主要避过较捧赛凝，鞠魏只筏辈分缓下硬律 鞫缩褥和特纛。 嶷髂浆磺搏缝稳溪翅圈2 4 瘊示。投溅壤弩懑媾惑器葶翟襞号接线象 蕊至数攥采蘩模块孛滋嚣a d 转换残洚数字豫数撂，数据经h i ? v x i 机箍鬻投蛉v m e 总线和g p i b 1 3 9 4 数攥健输总线传虢至主摭计舞机遴 雩亍分擀魏缝爨。 在设诗的廉撅频谶分拆便硬辞中，矮熏要盼部矜怒数掇采集卡。 鞠为测试信号的准确采集是熬个灏试系统运行秘第一步，也是系统蹲 鞭毫交_ 羲大学颈圭骚究生学位论文 第1i 页 出正确分析结果的保障。 本文采震鹣数据集模块是美雪戆磐公裁豹v x i 纹器臻块 h pe 1 4 3 2 a 。它媳有采样速度高、采集通道多、数据传输速度陕蒋优点。 巨母曩习堕 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 图2 讲虚拟频谱分析仪的硬件结构 其俸翡模块特点辩下： h pe 1 4 3 2 a 是一个标准v x i 仪器，c 型尺寸，可调节输入比例； 1 6 令数攒采集逶遴，每遴道最藏数搀采鬃速率达至l5 1 2 k s 也就是说h pe 1 4 3 2 a 的最高采榉速率可达到8 1 9 2 k s 。烁通道 的基本采榉率可从3 2 7 6 8 h z 到5 1 2 0 0 h z 避行选撵； 采样数据进行1 6 位a d 转换，相比一般的数据采集卡1 2 位的 曰转换，h i e 1 4 3 2 a 的采集数据精度搿： 可戳编摇改交一次采集数据块( b l o c ks i z e ) 的大，j 、： 有2 m 大小的数据缓存器( d a t ab u f f e r ) ( 可扩充至1 6 m ) ； 鸯多耱灵溪懿齄投方式，程摆超越魅发、涝螽皴发； 可以进行过载监测； 可以实现多通道弼步采榉； 3 2 位v m e 总线数据传输： ) v x 局部总线数据传输。 第三蠢虚拟频谱分析仪的软件设计 由于本文设计的虚拟频谱分析仪的硬件主骤为成熟的产品，因此 本文的工作重点在虚拟仪器的软件编制上。 本文设计韵虚拟仅器结合康拟仪器技术，通过软件的编制实现传 统频谱分析仪的所有测嫩功能，包括信号的基波频率、基波幅德、相 往；各次谐波秘频率、旗篷羁鞠经：谮液电压魄流靛含有率；港波电 瑟南交通夫学颁士研究生学位论文第1 2 受 蕊疃 流黥含豢；毫n 蠢流 蠹波惑瞬交率等。 除了设诗额谱分枣厅豹功耱黪，逐壤蕊了纛熬示波器靛功能，捷整 个仪嚣实瑷怼捩溺信号瓣鞋竣耱频域驹竞整分援。 内予本文设诗教叛遴分蝣仪主要期卡检测和分掰电网谴波，考虑 到电阏为单榻电源，豳戴竣计只采集嚣涎道数掇。 软件首惫进行数据采集控制，以获取需簧努析的数据。数据的来 添可以怒实辩采集的数撰或蹩戳文本文传存储程磁纛上豹数积。鼗掇 来源瓣选择逶遥控餐瑟稷上耩疲匏整觏较餐来蜜瑶。 数搭提取瑟，软 牟按利嶷瑗波黪懿显示髑分橱。波形要示瓣霹戳 摄摆熬忝逶遴翡不恳选择褶藏豹变能。不羁豹遴遥数攥湿示甭强熬蕨 簸。 数攒的分凝包括赡域分橱鞠频域努辑两郝羚。零文设访了虚拟示 波器和趱越频谱分橱仪磷个廉拟仪器涞分剐驻示时蛾帮频域的分童斤结 巢。麓蠛分帮辛的结果餐籍两遴邋信号静峰值、裔效馕、平均德、信号 蘩波静频率、信譬的存璃礴率、笼功渤率、褫在功率帮等效秘率因数。 ；| l 燹蠛分掇麴缀鬃惫瑟褥逶遴臻号夔蒸波频率、糕篷、稳应、落譬豹骥 德漤、攘篷逶、舞逶逶穰号瓣夏鞠关麓率谱鞋及蔫弓鹣谐波含羹。 艇体虚拟频满分辑仪戆软件结梅如露3 - 1 艇示： 翻3 - t 嶷援频落努褥致裘缆理痔糕翻 两南交遴大学硕士研究生学位论文第1 3 页 以一f 章节分别介绍备部分仪器功能的软件实现过程和具体的程序 冀法。 3 。1 软l 牛开发平台的选撵 构成一个威拟仪器系统，熬本硬件确定以盾，就可以通过不同的 较箨实现不霜静功麓。在较评设计中，开发辩闽豹长斑、程露执行效 率的高低直接影响到整个软件的成本及性能。在当今的信息时代，提 嶷软磐缡程效率戆关键楚采爰蘸舄对象翡缝程技术。慧是，援霄瑟惠 对象的编程技术还是不够的。因为，不可能让所有的人都去学习复杂 鲍c + + ，同时成为行业专家和缡程专家。 为了缩短开发周期，统一设计标凇，降低- 开发费阁，各种面向仪 器与测控系统的计算机软 牛应用平台应运而生，h p v e e 、l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 、i n t e c h 等是冀中应麓较为广泛和其脊典型特征的瘦 用开发平台。它们的出现为智能仪器、虚拟仪滚、数字化测控系统的 逐猛发矮提供了蠢利条终。 不同开发应用平台县有各自的特点。下面仪从技术与应用领域和 范围上对垦前应用广泛的h p v e e 、l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 数技 术特点进行了比较，觅嶷3 1 【2 4 。 表3 - i 不同开发平台特点 汗发平台技术特点系统支特应确范围备注 图形化编程逻辑简单仪表开发价格中 大嫩h p 仪器驱动 w i n d o w s 单台测试设餐 l p v e eu n l x 集串式溅控系统撬袋经器逶绩驱动 图形化编程逻辑简单 仪表开发价格中 大鬣通用仪器驱动提 d o s 单台测试设餐偏低 l a w l e ww i n d o w s 供枝器逶信璐动集中式铡控系统逶滔蛙 好 图形化编程与c 语言 仪表开发价格低 l a b w i n d o w s 编耧共存：臻户可灵 w i n d o w s 单台测试设螽遴蠲性 活编写程序逻辑 o s ，2 集中式测拄系统强 i ，c v i 大嫩通用仪器驱动网 中、小规模测控系 络葫藐较强统 通过对三种软件开发平台的比较可以看出，对于单台测试设备， 妻爨果采用赡测试仪器硬传丈部分为h p 公司蛇产器，则选题h pv e e 终 为开发平台较为合适。而如果测试仪器硬件为通用仪器，则选用n i 公 嚣瘫交_ i 蓉夫学矮士研究雯学位论文第1 4 页 司的l a b v i e w 或者l a b w i n d o w s c v i 较为合适。 嚣j 窀，考虑爨开菱纛熬频谱努辑纹沟硬辞全鸯h p 套镯戆产潞，奉 文采用h pv e e 作为开发平台。 3 2h pv e e 开发平台介绍 3 2 。 h pv e e 汗发环境 h pv e e 通过连接屏幕上的图符来创制程序，最詹形成h pv e e 糕窿( 类锾予一个方块餮河戳豢溺文本语富螽c 域b a s i c 续或翁程序 样运行。h pv e e 开发平台如闰3 - 2 所示( w i n d o w s 系统下) ，魁一个 集成纯开发骡境，在该环壤下可以竞成仪褒设诗、诞试与运嚣。 湖3 - 2 h p v e e 并擀环豪 3 。2 。2 黔v e e 缡程特点 h pv e e 的程序类似予一个方框图，w 以像文本语言一样运行。下 嚣以一个麓单蛇稷序来说嚷 口v 嚣e 编程的特点。程寄翅耀3 t 3 掰示。 闺串霹觅： ( 1 ) 对象1 ( f u n c t i o na e n e r a t o r l 产生个频率为2 0 0 h z 的余弦波。 穰经秀0 凌，箍蹙菇l v ，无直流增盏。输盘蠹夺峦2 5 6 争 元素组成的波形类型的数组。 ( 2 对象2 ( n o i s eg e n e r a t o r ) 产生辗篷轰l v 懿曝声波，输出迄 为一个由2 5 6 个元素组成的波形擞型的数组。 ( 3 )对象3 ( f o r m u l a ) 进行妻a 法运算，把两令数缝a 、b 稷糖， 拳成一个含有磉声豹余弦波。 ( 4 )对承4 ( w a v e f o m a ( t i m e ) ) 用予显示生成的波形。 ( 5 对蘩5 ( m a g n i t u d es p e c t r u m ) 简攀显示了渡影瀚禳蓬港。箍 值谱模块融经计弹了波形数据的i 黼值谱，从而简化了f f t 的计 冀。簸溪德谨中着窭在滚形鹣基簇遗现在2 0 0 h z 驹逮方。 西南交通大学硕士研究生警位论文第l s 趸 ( 6 ) 对浆之间的数据传递通过连线实现。只需逡接数撼输入引脚和 鼗据输密碍| 踯。 ( 7 ) 对象的数据输入弓f 脚和输幽引脚相当予c 语言程序中的函数的 参数。 遽过一个麓擎黪铡予埘毪王器誊，蒲餐形旺韵编程语言可酸节省大量 的壤写代码的漪飒，链并发题甥大大缩短。 鹭3 - 3h p v e e 的一令黄肇程薄锱子 3 2 。3 辩p 程拦的不迳 虽然h pv e e 在编稷上春逻蜷篙攀等傀焱，健是与冀健文本壤程 诺宙相比还是裔不少不足之处。主鬃包括： ( 1 ) 系绒执行效率较低 ( 2 ) 多强务诵瘦髓力差； ( 3 ) 用户自定义函数功黼弱； 4 投器驱穗是隈蝗大。 3 。3 虚拟仪器的软件设计 本文设计韵盘撼频谱分拆枝主要需要蜜现麴功能分为两大部分： ( 1 )虞撤示没嚣懿功畿，包括实薅波形戆显示，蓿号瞧参数鹣测霪， 售峰基波频率的测挺，数援戆毒德，黟德数据嚣期戆提取帮分辑，努 耨南交遗大学硬圭研究垒学位论文 第1 6 页 印等。 ( 2 ) 纛羧频谱分摄纹静功麓，毽括僚号基波频率、攥篷、鞠位豹溺 星，谐波频率、幅值、相位的测量，信号幅值和相位谱的显示，信号 谐波总蠛交率瓣测量，谐波含爨柱状圈购显示，分拆缝采报表的输出 簿。 以下就分别随明各功能的舆体设计过程。 3 3 1 虚拟示波器的功能模块的设计 3 3 1 1 数据酌采集 采嶷原始数据是分辑处理的基磁，是后爱艨毒嚣萤进行鲍必要条 件，有蒋非常鬣要的地位。 在数据采集时，首先进行的是数据采集d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 设置。t i pv e e 汪经提供了大量h p 仅器的驱动程序。遁过帮麓驱兹程 序库，可以很方便的完成各种设备的分配和初始化。在d a q 设景中， 霉要设嚣每逶遨采集数糍翁参数、褪始聚样速攀、饔始采样薅瓣长囊。 其中，镊通道采集数据的参数具体包括：一次循环采集的数据块的大 小b l o c k s i z e ( 譬节数) 、输入傣号螅沓宽s p a n 、羧入壤号的蠛艟范匿 i n p u tr a n g e 。 在设计一次循环采集的数据块的大小时，必须考虑到采集通道的 数鼙。铡如，弼粟需要同时采集两通邋数据，刚必须农初始能对将每 通道的采样点乘以通道数目。因此在实际程序中，本文设计固定采集 褥遴遭数蕹，秘始定义海亳垂帮瞧瀛数据，瑟箍户设寇瓣b l o c k s i z e 为 一个通邋采集数据块的太小，也即一次采样点盼数目。 翅媲采样速率缺省舞5 1 2 k h z ( 5 1 2 0 0 h z s ) ，可投攘具钵魄数摇采 样进行疆改； 初始采样时间长度考虑到工频5 0 h z ，周期为2 0 m s ，因此设覆缺省 值为5 0 m s 。 程序中主要用h pe 1 4 3 2 a 的r e a d f l o a t d a t a 命令进行数据采集，当 采集戆样本熹数为程澎设定毽瓣，一次采集蘩寨，赣凑数据琰。否麴 继续采集，知j 麓样本点数为程净设定值。 具体懿鑫令辏式为： 秘南交通大学颁士研究羹学挝论文籀i 7 凝 h p e l 4 3 2 _ r e a d f l o a t 6 4 d a t a ( i n s t r h a n d l e ，一1 ，h p e l 4 3 2 _ t i m e _ d a t a ，d a t a ，s i z e ，a c m a l c m ，h p e l 4 3 2 _ w a i t 罗l a g ) 冀中参数h p e l 4 3 2t i m ed a t a 袭甏聚集躲数瓣怒时壤数撂； 参数s i z e 搔蕊娶采嶷髓数据块懿大小； 参数a c t u a l c m 摆实瓢袋集的数据的太小。 这部分软件的流程圈和程膨如圈3 4 所添。 艇3 - 4 数摆聚集模块滚程睡和程廖 麸援痔孛疆照，模块a v a i l a b l ee 1 4 3 2c a p a b i l i t y 实瑷h pe 1 4 3 2 a 瓣 系统融捻，捻测蠛模块中存农的通道总数，激疑源嫒遒瞧数攫、输入 邂道翰数鬟等参数，势显示程疆扳土； 穰块c h a n n e lg r o u p 设鬻采集通道的参数# 模块i n i tm e a s u r e 邋萱亍溺爨裙始德： 穰琰u n t i lb r e a k 实糯采样锤环； 遮部分程跨孛设诗了一令u s e r o b j e e t 模块e 1 4 3 2g e td a t a ； 褰瑷数撂溪集，模块内部具镕疆渗翔嚣3 5 所零： 瓣鬻交通大学碛士磷瓷生擎靛论文露1 8 夏 鞫3 - 5 横浚e | 4 3 2g e td a t a 祷巍帮络输 3 ，毒。 + 2 褰懿泼澎基蒙 数攒暴綮送入诗葬热螽潘黉实藓蕈鼗添。赉予瘦攮黎波器暴鬃蘸通 道胬数掭，强魏在羧诗渡黟纛承稷黪壤块霹考惑浚诗一个爨示涎遵魏 熊箨开慕。霹以选择三羚不瓣鹣爨示凝惑：逶遒a 、b 鬻辩显示( a & b ) ， 爨遵a 鏊独鬟示a ) ，避遂b 攀狻慧示( b 。 然辩在h pv e e 申一个燕示模块不熊弼靖疑莲黎一个邋遂数据叉 攥示两夺通滋簸数旗。魏莱考毖把鼹示模块擞盛惩个子函数，一个愆 予显示警逶瀵豹数攒，个麓予霾示双遥邋豹数据，在霈餮嚣示革遄 滋鼗瓣辩，谈嗣攀逶遂擞示予灏数，在需要嚣累鼹遴遒数攒辩，谲灌 双遥逗燕示予嚣羧，逮撵盈懿霹骏实嚣巍遘浮不同霾示姨森对援示誉 嬲粒波澎数攮，爨燕褒爝户喾裂麴菸饕主会疼璇最暴援浚纛不捧瓣瓣 蠛，援觉姣鬈嚣常不簿。努糖造成速器瑷象鹣爨露憝嚣巍熬黪怒在一 次一次鸽循垮魏行诵豫懿示予秣净骥块。 麓了勰决这个网题，本文程枣竣计憋懋踌熬只籀选一个双邋遂避 示搂块予程謦，鑫示穰羧麴输入端l 黧2 静剿辩感数据慕嶷串秘遴遵a 翱逶遂嚣。姿露黉革耱登示a 镄b 遴邋嵇母辩，蒋该避遵驹数攒送入 泼黟箍暴貘嫒越纛戆浚入端l 或2 ，骚豢瀵疆瓣舅一夸数据输入端2 蠛 l 金粼辕入数爨9 ，势屋0 豹个数撼鬃与突簿激繁瓣数据令鼗鞫等； 当露户选择强令遴避麓醛嚣示辩，毒将瓣令遵逡嬲鼗掇蹬辩送入显零 横块输入端。遂榉不鹜溺户选择酃耱最承姣褰，酃可鞋髑一个鼹逶遂 擞示模块涞摄承辩应的波形数摆，势怠礁餍户餐剿熟羼藜上只会番鬟 基示鬻霜串瀚波形强线蒎周精毪镌闲稳，嚣箍承留醛本蹇著不黛纯。 这糖鼹拳雅鬃与漕逶示渡摄翁显示方法致。 每饕邋冢渡器不瓣翁怒，程波澎纛幂释彦设计串逐考纛磷蘧邋豹爨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 示波形图线分踊用不闻的颜色表示，井虽在鼹示时显示窗的标题陡纛 示的通道状态不同而相应改变。这种功能的实现主要应用了h pv e e 中豹“记录”，将不两漫示获悫下显示逶道豹拣逶和显示圈线鹣颜色存 储在个记录中( 这个纪录柳始化时已经定义。) ，根据不同的显示状 态选撵记录翳糖痤懿字段。 另外，在斌示窗中还设计了两个数值读