（电机与电器专业论文）基于labview的工频耐压试验系统设计.pdf

基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 d e s i g no fp o w e rf r e q u e n c yw i t h s t a n dt e s ts y s t e mb a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t p o w e rf r e q u e n c yw i t h s t a n ds y s t e mi sam e t h o dt h a tc a ni d e m i f yt h eq u a l i t yo ft h e p o w e re q u i p m e n t i tc a nd e t e c tt h ed i e l e c t r i cf l a wa sw e l la so t h e rs h o r t c o m i n g so fp o w e r m a n u f a c t u r e t h em e t h o dh a sb e e na p p l i e dt of o r e g o i n gt e s t se x t e n s i v e l yi no r d e rt op r e v e n t t h ep o w e re q u i p m e n t sf r o ms e r i o u sm a l f u n c t i o nd u r i n go p e r a t i o n w i t l lt h e s w i f td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r d w a r et e c h n o l o g i e s a p p l i c a t i o no fv i s u a l i n s t r u m e n th a sb e e na t e n d e n c yi nt h em e a s u r i n gf i e l d v i r t u a li n s t r u m e n ti st h ec o m b i n a t i o n o fm o d e r nc o m p m e rt e c h n o l o g y , i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n do t h e rn e wt e c h n o l o g i e s n 圮 l a u n c ha n dd e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ys y m b o l i z ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no f t h ed e v e l o p m e n to fa u t ot e s ta n de l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t n o w a d a y s ，v i r t u a li n s t r u m e n ti s w i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fa e r o ，c o m m u n i c a t i o n ，b i o m e d i c i n e ，p h y s i c a lg e o g r a p h y ，e l e c t r o n i c a n dm e c h a n i c s f u n c t i o n so fo n l i n em o n i t o r i n gw a sr e a l i z e di nt h i sp r e s e n t a t i o nb ym e a n so fu s i n g s e n s o r ，d a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，d i g i t a lc o n t r o la n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t e c h n i q u e i ti n c l u d e sn o to n l yt h er e s e a r c hf o rs i g r l a la c q u i s i t i o na n ds i g n a lc o n d i t i o n i n g ，b u t a l s ot h ed a t as t o r a g e 勰w e l la sh o wt oc o n t r o ls y s t e mb yd i g i t a li 0 a sa l lt h es i g n a l sa r e t r a n s f e r r e dt ot h ec o n t r o ls y s t e mv i at h ep h o t o c o u p l e r s t h ec o n t r o ls y s t e mc a nw o r kv e r y r e l i a b l y t h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e mb ya d o p t i n gc o n t r o l l i n gc i r c u i to fp w f s i n c l u d i n gt h el o w - v o l t a g ea p p a r a t u sa n dt h ec o n t a c t o ri n s u l a t e dd r i v i n gc i r c u i t t h ef r o n t p a n e l sd e s i g n e db yl a b v i e wc a ns i m u l a t et h ep l a t f o r mo fl o w v o l t a g ea p p a r a t u s n l e s u b - p a n e l sc a nd i s p l a yt h em e a s u r i n gr e s u l t t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt op w f sw a s a p p l i e dt o r e a l i z et h eo n l i n e m o n i t o r i n gt e c h n i q u e b a s e do np c d a qt e c h n o l o g y ，am u l t i f u n c t i o n a lv i r t u a li n s t r u m e n t s y s t e mh a st h eh a r d w a r ew h i c hi sm a i n l yb a s e do nac o m p u t e r 、 ，i t l lad a q n l es y s t e m s o f t w a r ei s d e v e l o p e db yt h eg r a p h i c a l v i r t u a li n s t r u m e n t p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t i 。a b v i e w 8 2 k e yw o r d s ：p o w e rf r e q u e n c yw i t h s t a n ds y s t e m ；l a b v i e w ；d a q ；r e m o t ep a n e l l i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 幽臼罗 ， 基于i i b v i e w 的工频耐压试验系统设计 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鱼垒墨 新龆兰至鱼坠 邋年月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 由于电力设备在运行时要受到最高工作电压、雷电过电压、内过电压的频繁作用， 导致电力设备运行故障中有很大一部分是绝缘故障，因此电力设备在出厂前或投入运行 前需要进行绝缘耐压试验。耐压试验就是按试验电压标准对电气设备施加比其上作电压 高得多的试验电压，并持续一定时间，用以验证设备绝缘的可靠性，试验电压的等级就 称为电气设备的绝缘水平。国家标准g b 3 11 8 3 高压输电设备的绝缘配合、高电压试 验技术对各种电压等级设备的试验电压参数做出了规定【l 】，在实际上作中，可根据检 验规程的具体要求选用。 交流工频耐压试验是鉴定电气设备绝缘强度最有效和最直接的考核方法。通过这项 试验，可以发现绝缘介质缺陷，可以鉴定电气设备的介电强度，评价电气设备是否达到 应具有的绝缘水平，避免电气设备事故的发生。因而，它广泛应用在电器产品出厂试验 中，作为保证产品质量不可缺少的一个重要手段。 另一方面，电力设备在运行中，绝缘长期受着电场、温度和机械振动的作用会逐渐 发生劣化，其中包括整体劣化和部分劣化，形成缺陷。工频耐压试验亦是鉴定电力设备 绝缘强度最有效和最直接的方法，是预防性试验的一项重要内容。 由于工频耐压试验电压一般比运行电压高，因此通过试验后，设备有较大的安全裕 度，因此工频耐压试验是保证电力设备安全运行的一种重要手段。 1 2 工频交流耐压试验简介 由于工频耐压试验是一种破坏性试验，试验所采用的试验电压往往比运行电压高得 多，过高的电压会使绝缘介质损失增大、发热、放电，会加速绝缘缺陷的发展，故在对 设备进行工频耐压试验时应根据绝缘介质的不同及设备的运行状况的不同，按照有关规 程及试验标准选取相应的试验电压【2 】。 耐压试验过程中，升压应当从零开始，禁止在3 0 试验电压以上冲击合闸。当试验 电压升至u 4 0 以上时，应均匀升压，升压速度为每秒3 试验电压左右。升压过程中应监 视电流的变化，当保护动作后，应查明原因，消除后再进行试验。 工频耐压试验中，加至试验标准电压后，为了便于观察被试品的情况，同时也为了 使已经开始击穿的缺陷来得及暴露出来，要求持续l r a i n 的耐压时间。耐压时间不应过长， 以免引起不应有的绝缘损伤，甚至使本来合格的绝缘发生热击穿。耐压时间- n ，应速 将电压降至输出电压的2 5 以下，再切断电源，严禁在试验电压下切断电源，否则可能 基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 产生使试品放电或击穿的操作过电压。 1 3 虚拟仪器技术的现状以及发展 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。8 0 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 致新一代仪器一虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的出现。 1 3 1 虚拟仪器的概念和特点 虚拟仪器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。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义、 具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。由于仪器的专业化 功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或 称“软件即仪器l j j ，。 虚拟仪器的实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f 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。 值得注意的是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 和e d a 仿真软件中的虚拟仪器概念完 全不同，它完全可以代替传统台式测量测试仪器，而e d a 仿真软件中的虚拟仪器是纯 软件的、仿真的。 1 3 2 虚拟仪器的系统构成 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。计算机与仪 器硬件又称为v i 的通用仪器硬件平台【4 】。 ( 1 ) 硬件平台构成 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。 计算机：它一般为一台p c 机或者工作站，是硬件平台的核心。 i o 接口设备：f o 接口设备主要是完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不 同的总线有其相应的f o 接口硬件设备，如利用p c 机总线的数据采集卡板( d a q ) 、 g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等。按照i 0 接口设备的不同，虚 拟仪器主要有5 种构成方式垆j 。如图1 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 一竺竺竺兰m 至叵 1p cg l , - i = 作站 小丽丽司 一i a b v i e w ll 曲w i n d 。，c v i 叫三团 - l - = ：= ：_ = = _ = 1 图1 1 虚拟仪器构成方式 f i g 1 1s l m e t u r eo f v i r t u a li n s t r u m e n t ( 2 ) p c d a q 测试系统是以数据采集板、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。这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线，将数采卡板 ( d a q ) 插入计算机中的空槽中即可。 ( 3 ) g p i b 系统是一种通用接口测试系统，结构形式如图1 2 所示。它是由一台p c 机、 一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器子系统构成。其中每个仪器子系统是一台带g p i b 接口的单台仪器。该接口在功能上、电气上和机械接插上都按国际标准设计，内含1 6 条信号线，每条线都有特定的意义。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g p i b 接口卡可 带多达1 4 台仪器。 利用g p i b 技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，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。 g 总线 l 7 明 蕊i b 接口卡 自台仪器l 图1 2g p i b 测试系统构成 f 培】2s t r u c t u r e o f o p i bs y s t e m ( 4 ) v x a 是结合g p i b 仪器和数据采集板( d a q ) 的最先进技术而发展起来的高速、 基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 多厂商、开放式工业标准。v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在仪器领域 的扩展，它是v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n 的缩写。v m e 总线标准自1 9 8 1 年 确立以来，在国际上得到广泛应用。但是基于仪器的v m e 总线存在有一个最大的问题 是缺乏配套标准。1 9 8 7 年7 月，美国五家大仪器公司主动联合起来，在v m e 总线标准 的基础上制定了开放系统结构仪器所必须的附加标准，命名为v x i 总线。它具有稳定的 电源、强有力的冷却能力和严格的，i e m i 屏蔽。由于它的标准开放，结构紧凑，数据 吞吐能力强，定时和同步准确，模块可重复利用，还有众多仪器厂家支持的优点，很快 得到广泛的应用。经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建 大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，并有其他仪器无法比拟的优 势。然而，组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 v x i 总线系统是机箱式结构，如图1 3 所示。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。随着v x i 总线规范的不断 完善和发展、v x i 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 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。目前国内的一些厂家已经把实时监控系统与局域 网相连了，典型的新产品就是l ，这里的l 是l a n 英文的缩写。l x i 体系就是把v x i 放到局域网中，形成网络控制系统。 独立系统 蚤r 盛i 三ri 譬蟹 、- ，- - _ ，l - 、，- - - - ， 仪器”1仪 ：i 4 2 图1 3v x i 体系构成 f i g 1 3s t r u c t u r eo f v x is y s t e m 一正一 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 基于串行口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。因而，虚拟仪器的发展已经与计算机 技术的发展步伐完全同步，同时也显示出虚拟仪器的灵活性与强大的生命力。已在电子 测量、物理探伤、电子工程、振动分析、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。 1 3 3 虚拟仪器软件 虚拟仪器的功能由其软件定义，软件是虚拟仪器系统的灵魂。虚拟仪器软件系统应 主要包括操作面板设计、数据采集驱动、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 0 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 l a b w i n d o w s c v i 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 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；一种是图形化编程语言，常用的有n i 公司推出的l a b v i e w 和惠普公司的h pv e e 等，这些软件一般都带有专业性很强的组件、模块以及设备驱动 程序，用工程人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操 作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。 i 0 接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通讯。同传统仪器相 比较，虚拟仪器具有以下特点【6 j 。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的对比 t a b 1 1c o m p a r i s i o no f t r a d i t i o n a li n s t r u m e n ta n dl a b v i e w 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低 技术更新周期短( 0 5 1 年) 软件是关键 价格低 开放，灵活与计算机同步 可用网络联络周边各仪器 自动化，智能化，多功能，远距离传输 开发和维护费用高 技术更新周期长( 5 1 0 年) 硬件是关键 价格昂贵 固定 只可连有限的设备 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，高 质量的a d 采集卡及调理放大器与传感器是基础。 基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 2 0 世纪8 0 年代美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t n 皿e n t s c o r p o r a t i o n 简称n d 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。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 4 课题来源和本文主要工作 1 4 1 课题来源 本课题来源于大连理工大学9 8 5 学科建设子项目，针对高压实验室的2 5 0 k v a 工频 试验系统进行改造和修复，并加入虚拟仪器技术实现整个试验系统的软件测试和控制。 课题预期实现的目标在于： 1 采用虚拟仪器技术改变传统实验过程中使用万用表，示波器等旧的观念，可随 心所欲地根据自己地需要选择仪器系统，可同时测量多路数据，实现更为直观的测量目 的。这不仅能以极小的代价替代现场的示波器等昂贵的仪表，而且为实验操作带来极大 的方便。 2 本实验中的一次侧的工频耐压实验台主回路的电压为交流3 8 0 v ，由于工频耐压 试验控制台的老化以及其性能不可靠，启动过程中有强烈振动，操作过程中会有打火等 危险现象。对老化器件和电路进行更换并采用虚拟仪器技术对试验过程进行精确控制， 使得试验操作更加安全可靠。 1 4 2 本文主要工作 本文在工频耐压试验系统的已有硬件环境( 包含控制台和试验设备) 基础上，更换 了部分损坏器件和电路，开发了一套能模拟工频控制台前面板的虚拟仪器控制与测量系 统。作者主要完成的工作如下： 1 工频耐压控制台试验控制回路的设计。 2 信号调理电路与继电器驱动电路的设计与p c b 设计。 3 基于l a b v i e w 的应用程序开发。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 系统总体设计方案 2 1 工频耐压试验系统的设计 本设计中的工频耐压试验由调压器、升压变压器、分压器和控制台组成，其电路原 理图如图2 1 所示： t 2 r 1 图2 1 工频耐压实验原理图 f i g 2 1p r i n c i p l eo f p o w e r 唧e n c yw i t h s t a n dt e s ts y s t e m 各组成部分介绍如下： t l 为感应调压器，型号t i ) j a 一2 5 0 o 5 ，电压输入交流3 8 0 v ，输出电压值范围o 6 5 0 v 。 t 2 为试验变压器，型号y d j 2 5 0 2 5 0 ，容量2 5 0 k v a ，变比为l ：1 0 0 0 最大工频交 流电压可升至2 5 0 k v ( 有效值) 。 r 1 为保护水电阻，约5 0 0 k q 。在进行工频耐压试验时，试验变压器的高压输出端应 接保护电阻，以限制试品闪络时变压器高压侧短路电流，降低变压器高压线圈上的过电 压。其阻值的选择一般按0 1 o 5 d v 选择为宜。并应有足够的热容量。若保护电阻阻值 选的过大，会引起正常工作时回路产生较大的电压降和功率损耗。 c l 、c 2 为电容分压器的高压臂电容及低压臂电容，其分压比为1 0 0 0 ：1 。测量球隙 是由一对相同的金属球构成，其装置是水平布置的。 2 2 系统组成及工作原理概述 在工频耐压试验系统的已有硬件环境( 包含控制台和试验设备) 基础上，根据其系 统要求，在系统中加入了新的工频耐压试验自动控制回路硬件电路，可以通过p c 机及 - 7 - 基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 其采集卡并配合上层软件实现工频耐压试验的启动，停止，升压，降压等操作，并通过 在上层软件界面设置三块电表分别测量显示如图2 1 所示的三个电参数。u 1 调压器输出 电压，其测量电表的量程为0 6 5 0 v 。i l 调压器输入电流，其量程为0 - 8 0 0 a 。u 2 为通过 阻容分压器得到的试品端电压，其量程为0 - 4 5 0 v 。结合虚拟仪器技术，通过p c 机及其 采集卡设备以及信号调理电路和继电器驱动电路就能实现工频耐压试验系统运行的操 作。主要包括控制整个系统的运行，升压，降压，启动，停止的点动控制和显示耐压试 验系统的电参数以及波形等操作。整个系统主要包括以下部分： ( 1 ) 工频耐压试验系统的硬件环境 ( 2 ) 低压电器组成的工频耐压试验控制台 ( 3 ) 系统硬件采用的是基于p c i 总线的m 系列d a q 6 2 2 1 数据采集卡，s h 6 8 6 8 ，e p 电缆，s c b 一6 8 屏蔽式6 8 针接线盒以及传感器信号调理电路和继电器驱动电路。 ( 4 ) 上微机通过软件l a b v i e w 8 2 实现对系统进行启动，停止，升压，降压的相 关控制以及不仅能模拟控制台的面板电压电流表显示和实验现场的一些参数主要包括 试验系统调压器原变电流，副边电压和升压变压器2 次侧电压有效值，除此之外还能实 时显示上述各参数的波形。系统的结构框图如下： 隅融，匪 圆 圈2 2 系统结构框图 f i g 2 2f r a m eo f s y s t e m ss t r u c t u r e 2 2 1 测试系统的功能和要求 整个系统中的数据采集部分为典型的p c d a q 系统，各被测物理量通过传感器变为 量程合适的模拟电信号，再通过信号调理模块对其进行隔离、滤波、放大等处理后送至 d a q 板卡，d a q 板卡通过硬件驱动程序n i d a q 完成其与w i n d o w s 的通信，而w i n d o w s 又通过m a x 环境( m e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o ne x p l o r e r ) 完成其与l a b v i e w 应用程 序的通信，并最终作显示，数学分析，存盘等处理。 此系统除需要数据采集分析外，还需要对系统运行进行控制。这里利用的是采集卡 大连理工大学硕士学位论文 数字i o ，发出r r l 电平信号，配合控制台的控制回路，控制电机的运行从而控制整个 耐压试验系统的运行，通过l a b v i e w 前面板实现系统启动，停止，升压，降压四个功 能。利用b v i e w 开发其人性化的点动控制系统。 2 2 2 测试系统方案的确定 根据测试系统的要求，确定了采用虚拟仪器技术为软件基础，结合计算机硬件及其 附件组成的综合测试控制检测系统。该方案是利用n i 公司的p c i 6 2 2 1 2 5 0 k s s 数据采 集卡、韦伯公司的无源交流传感器、信号调理电路以及微型计算机组成的电气检测系统。 电气检测平台主要包括硬件和软件两大部分，在运用虚拟仪器技术的基础上，结合 计算机技术，将同时检测三路电参数，实现测试的功能。系统结构包括3 个部分，数据 采集和控制部分( 包括模拟量输入和数字量输出) ；数据处理部分( 包括数据的处理、 计算和显示) ；数据输出部分。电气检测平台的设计方案也分为数据采集、数据处理和 数据输出3 个部分。由于数据采集系统的基本任务是物理信号的产生和测量，要使计算 机系统能够测量物理信号，本系统的采集量都为电信号参量，只需要通过信号调理，使 得信号满足采集卡的要求；对数据的输出可以运用计算机进行图形化显示；数据处理部 分，则充分利用虚拟仪器软件优势构造电气测控平台，将所需被测信号在采集完之后进 行存储、计算、调整，最终生成形象化的图形界面来对所得数据进行分析得出结果。 软件设计主要采用美国国家仪器公式( n i ) 推出的虚拟仪器软件l a b v i e w 进行开 发。虚拟仪器由前面板、数据流程图和图标连接端口组成。前面板是模拟真实仪器的人 机界面，包括旋钮、刻度盘、开关、图形、图表和其他界面工具，用于参数的输入、仪 器的操作控制以及观测输出量；流程图即源代码，以框图的形式实现程序逻辑，直观简 单。通过在流程图中对信号数据的输入和输出进行指定，完成对虚拟仪器所具有的信号 采集、分析处理功能的操纵和控制；图标连接端口用于生成虚拟仪器子程序，图标表示 改子程序的定义，连接端口表示子程序的入口和出口。l a b v i e w 具有广泛的硬件支持， 具有多种数据采集卡和仪器的驱动程序，可以方便的访问现场设备和带有数据通讯接口 的智能设备单元。采用虚拟仪器实验方式，比传统的实验方案要节省大量的人力物力， 减小了实验空间，也提高了精度和效率。 2 3p c i 口的数据采集系统 2 3 1p c - d a 0 方式的虚拟仪器 系统如图2 3 所示表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初 始化，板卡上和内存中的缓冲b u f f e r 是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题 是：是否使用缓冲b u f f e r ，是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。 基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 图2 3 数据采集系统结构 f i g 2 3f r a m eo f d a qs y s t e m ( 1 ) 缓冲 本设计中的采样属于多样本采样，每秒需要采样1 0 0 0 个样本，必须使用到缓冲技 术。缓冲指的是p c 内存的一个区域( 不是数据采集卡上的f i f o 缓冲) ，它用来f 临时 存放数据。由于需要每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。 因此可以将采集卡的数据先送到b u f f e r ，将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显 示或分析。需要注意的是，b u f f e r 工作性能与采集速度及b u f f e r 本身的容量有关。所采 用的d a q 采集卡有d m a 性能，它是一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着 所采集的所有数据可以直接送到计算机的内存。 ( 2 ) 多信道采样模式 由于本设计需要同时采集三路电参量，是一个需要多通道数据采集模式的监测系 统，为了降低成本，本文所设计的监测系统采用了图2 4 所示的的数据采集模式。图2 4 所示的是最简单的单通道数据采集系统，只有一路信号，一个采样保持器及一个a d 转 换器。 各路通道共用一个采样保持器和a d 转换器，如图2 4 所示。为了使各路信号互不 混叠，系统中必须采用模拟多路切换开关，它的作用是把各路信号按预定时序分时地与 保持电路接通这样做的目的是为了降低成本、减小体积，但这样会损失一定的精度，因 为模拟多路切换开关并非是理想开关，易受失调电压、开关噪音、非线性和信号之间的 窜扰的影响【s 】。 大连理工大学硕士学位论文 i 霄脯1 一佰亏硼懿l ， 匝亘h 亘p 蓁叫互母 霎 r = = 翮n = = 磊羽。 葜 广 口 图2 4 单一s i - i 和a d 的多通道数据采样模式 f i g 2 4m u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nm o d ew i t hs i n g l es ha n da d 模拟信号的信号调理硬件对缓慢变化的信号使用多路复用方式“a d c 采集一个通道 后，转换到另一个通道并进行采集，然后再转换到下一个通道，如此往复”，由于同一个 a d c 可以采集多个通道，每个通道的有效采样速率和所采样的通道数呈反比，本文所选 2 5 0 m s s 的p c i 6 2 2 1 m 采样通道为1 6 个，那么每个通道的有效采集速率大约为： 眙= 2 5 0 ( 1 6 = 1 5 m s s ( 2 1 ) 对直流或低频( 工频) 信号，这个相位延迟一般不是问题。通道间的延迟远小于扫 描周期，看起来每个通道的采样是同时的。另外，编程软件l a b v i e w 能够提供高级采样 程序以使延迟最小化，通常通道间的延迟是微秒级的，因此，对系统的可靠性相对影响 不大，能够满足整个系统的检测性能参数的需要。 触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟 信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，可以直接用软件，例如使用布尔面 板控制去启动停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件 的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模 入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等 待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数 字输出( 常称为“t r i g g e ro u t ”) 用于触发特定的装置或仪器，本设计中利用6 2 2 1 采 集卡的复用i 0 端口，设置的外部硬件触发。 2 3 2i 0 设备数据采集卡 2 3 2 1 数据采集卡的选用【1 5 】： 除了以上考虑，选择一款合适的数据采集卡，还需要了解数据采集卡的核心部件一 基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 a i d 变换器，此外还应该了解板卡上一些有关部件和一些选用的指标。 ( 1 ) 数据分辨率和精度 精度和分辨率有所不同，精度除了涉及a d 转换精度外还考虑测试系统各部分误 差。采集板卡的分辨率必须大于所要求的测试精度。 ( 2 ) 最高采样速度 数据采集卡的最高采样速度一般用最高采样频率( h z ) 来表示，它表示其单通道采样 能使用的最高采样频率，这也就限制了该数据采集卡能够处理信号的最高频率( 最高采 样频率2 ) 。如果要进行多通道采样，则能够达到的采样频率是原最高采样频率除以通 道数。 ( 3 1 通道数 通道数指能够同时采样的通道数，根据测试任务选择。任务的通道可自行设定，采 集任务可以在d a q m x 中进行建立。 ( 4 ) 数据总线接口类型 不同的总线接口类型的数据采集板卡的接口硬件形式不一样，数据传递的规则和数 据传递的速度也不一样，p c i 总线是台式计算机中目前最通用的总线，而笔记本电脑中 常用p x m c i a 总线，p x i 和v x i 总线是比较新兴的高速传输总线。 ( 5 ) 是否有隔离 好的数据采集板卡每个通道的输入和输出断之间带有隔离放大器。对于工作在强电 磁场干扰环境中的数据采集系统，选择具有隔离配置的数据采集板卡才能保证数据采集 的可靠性。 ( 6 ) 板卡本身是否带有微处理器 自身带有微处理器( c p u ) 的数据采集卡可以当作主机的下位机使用，自行控制采样 的进行。 ( 7 ) 是否有标定功能 数据采集卡使用一段时间后，器件值会有变化，基准电压也可能会改变，零点会漂 移。对于高精度的数据采集，需要每隔一段时间进行精度标定，好的数据采集卡具有自 我标定功能，但价格高很多。 ( 8 ) 支持的软件驱动程序及软件平台 和数据采集卡的硬件接口类似，买来的数据采集板卡能在什么软件环境中使用，使 用起来是否还需要自己编制驱动程序，这也是选择一款数据采集卡很重要的因素。选择 数据采集卡的软件除了和现有的测试系统兼容以外，还应考虑其更广泛的兼容性和灵活 性，以备在其他测试任务和系统中也能使用。 大连理工大学硕士学位论文 另外，数据采集卡的选择还有一些常用的指标，如输入电压的最大范围、输入增益 的种类、是否有模拟输出、输入触发的类型等。 2 3 2 2 本文数据采集卡 如第一章所述，虚拟仪器的可以完全基于计算机( p c 机或工控机) 的单机系统， 也可以是基于g p i b ，v x i 等工业标准总线接口的测试系统，或者是它们的混合系统。 综合考虑性价比后，本装置采用基于计算机的单机系统。选择n i 公司p c i - 6 2 2 l 型数据 采集卡。 在本装置中，加设备集成到数据采集板，直接插到计算机p c 工总线上。插入式数 据采集卡( d a q ) 是虚拟仪器系统中最常用的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到 计算机，或将计算机数据输出给受控对象。本监测装置采用的d a q 数据采集卡为n i 公司的p c i 一6 2 2 1 m 型数据采集卡，这种卡采样率为2 5 0 k h z s ，1 2 b i t 分辨率，单端1 6 路 差分8 路a i 通道，输入范围士0 0 5 v 到士i o v ，完全能够满足电流电压参数要求。本 采集卡的具体参数介绍如下【8 】 9 】： 总线：p c i 模拟输入：1 6 路a i( 支持r e sn r e sd i f f 三种输入方式) 模拟输出：2 路a o 8 3 3 k s s 数字i o ：2 4 路( t t l 电平信号，2 h z - 1m h z 范围) 采样率( s s ) ： 2 5 0 k s s 分辨率( 位) ：1 6 b i t 输入范围( v ) ：l o+ 1 0 定时器：两个3 2 位8 0 m h z 触发：模拟数字均可 磁盘写入速度( s s ) ：2 0 0 k 带校准认证书，支持w i n d o w s x p 2 0 0 0 n t m e 9 x 和 m a c o s 的n i d a q 驱动软件。6 个d m a 通道。 2 3 3p c i 口的数据采集理论 从1 9 9 2 年创立规范到如今，p c i 总线已成为了事实上计算机的标准总线。从数据 宽度上看，p c i 总线有3 2 b i t 和6 4 b i t 两种；目前流行的是3 2 b i t 3 3 m h z ，而6 4 b i t 系统正 在普及中。改良的p c i 系统p c i - x ，最高可以达到6 4 b i t j l 3 3 n q h z ，其可得到超过i g b s 的数据传输速率 1 0 】。 不同于i s a 总线，p c i 总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处是， 一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时， 由一个p c i 设备做发起者( 主控一i n i t i a t o r 或m a s t e r ) ，而另一个p c i 设备做目标( 从设备 基于l a b v i e w 的工频耐压试验系统设计 t a r g e t 或s l a v e ) 。总线上的所有时序的产生与控制，都由m a s t e r 来发起p c i 总线在同 一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构( a r b i t e r ) ，来决定在谁有权 力拿到总线的主控权。 ( 1 ) 即插即用的实现 所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如 基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序而不像旧的i s a 板卡，需要进行复杂 的手动配置。 实际的实现远比说起来要复杂。在p c i 板卡中，有一组寄存器，叫“配置空间” ( c o n f i g u r a t i o ns p a c e ) ，用来存放基地址与内存地址，以及中断等信息。以内存地址为例 当上电时，板卡从r o m 里读取固定的值放到寄存器中，对应内存的地方放置的是需要 分配的内存字节数等信息。操作系统要跟据这个信息分配内存，并在分配成功后把相应 的寄存器中填入内存的起始地址。这样就不必手工设置开关来分配内存或基地址了。对 于中断的分配也与此类似。 ( 2 ) 中断共享的实现 p c i 总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。硬件上，采用电平触发的办法：中断 信号在系统一侧用电阻接高，而要产生中断的板卡上利用三极管的集电极将信号拉低。 这样不管有几块板产生中断，中断信号都是低；而只有当所有板卡的中断都得到处理后， 中断信号才会回复高电平。 软件上，采用中断链的方法：假设系统启动时，发现板卡a 用了中断7 ，就会将中 断7 对应的内存区指向a 卡对应的中断服务程序入口i sr - a 然后系统发现板卡b 也用 中断7 ，这时就会将中断7 对应的内存区指向i s rb ，同时将i s rb 的结束指向i s ra 。 以此类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7 对应的内存， 也就是i s rb i s rb 就要检查是不是b 卡的中断，如果是，要处理，并将板卡上的拉 低电路放开；如果不是，则呼叫i s ra 。这样即完成了中断的共享。 基于以上考虑和本设计的要求，采用了p c i 总线架构的数据采集多功能卡 p c i 一6 2 2 1 。 2 4 本章小结 概要地介绍了系统组成及工作原理，介绍了数据采集相关基础理论，介绍了p c i 技 术规范和p c d a q 系统，为后文详细阐述系统的架构提供了理论依据。 大连理工大学硕士学位论文 3 工频耐压试验控制台设计与实现 3 1 本设计中的低压电器介绍 低压电器通常是指工作在交流电压小于1 2 0 0 v ，直流电压小于1 5 0 0 v 的电路中起 通、断、保护、控制或调节作用的电器设备【1 1 】。 本设计中选择的交流接触器k m 0 为空气，电磁式，交流接触器。现将图3 2 中的 交流接触器参数介绍如下： k m 0 大容量交流接触器u e = 3 8 0i e = 6 0 0 a 主触点：3 对常开触点 辅助触点：3 对常开触点3 对常闭触点 k m lk m 2 交流接触器u e = 3 8 0p e ；4 k w 主触点：常开触点5 对常闭触点2 对 本设计中使用的控制继电