（电气工程专业论文）便携式电气数据采集分析仪的研制.pdf

东南大学工程硕士学位论文便携式 t j 秉j 分析俄的研一 a bs t r a c t t h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n ti st ob eb r i n gu p p e df i r s tb yn a t i o n a li n s t r u m e n t c o m p a n y i na m e r i c a ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) i n19 8 6 ，a f t e rt h i s ，i tg e t st h ea p p r o b a t i o n f r o mt h en u m e r o u sa u t o c o n t r o li n s t r u m e n tc o m p a n yi ne u r o p ea n da m e r i c a ，a n dq u i c k l y b e c o m ep o p u l a ri nt h ew o r l d t h et e c h n i q u es t a n d a r da n dt h ep r o d u c tn o r mi sb e c o m i n g p e r f e c tm o r ea n dm o r e ，s oi t i s b e i n gt h ed i r e c t i o no fi n s t r u m e n tf o rd e v e l o p i n gi n 21 c e n t u r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fv i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y a c c o r d i n g t of i e l d p r a c t i c e ，w ep o s e t h i se l e c t r i c a lv i r t u a l i n s t r u m e n tf o rt e s t i n g ，d a t ac o l l e c t i n ga n da n a l y z i n g ，i tw i l lt a k ep l a c ei nt h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t i tw i l ls a t i s f yt h ee l e c t r i c a lt e s t i n go f d y n a m ow h i c hi sn e w l yp u ti n t oo p e r a t i o n f u r t h e rm o r e ，i tw i l lh e l pt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fi n t e g r a t e de l e c t r i c a lt e s t i n g ，r e d u c et h e w o r k l o a d ，s a v et h ep r e c i o u sp u ti n t ou s et i m eo f d y n a m o ，i m p r o v e t h ew o r k i n g e f f i c i e n c y t h et h e s i sp r i m a r i l yc o m p l e t e db e l o wt h ew o r k ： 1 、w eh a v es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t i t u e n to ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，t h e e l e c t r i c a lv i r t u a li n s t r u m e n tw i t ht e s t i n g d a t ac o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gi sd e s i g n e d a c c o r d i n g t of i e l d p r a c t i c e 2 、t h ed a t ac o l l e c t i n gc a r d sw h i c hc o m ef r o mt h eu n i t e ds t a t e sn ic o m p a n y , w eu s et h e d a q c a r d 7 0 0c a r da n df o rt h ed a t ac o l l e c t i n gc a r do f t h ei n s t r u m e n t ，a n dh a v e s t u d i e dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xa n di t sf u n c t i o no f d a q c a r d - - 7 0 0d a t ac o l l e c t i n g c a r d 3 、a c c o r d i n gt ot h ed a q c a r d 一7 0 0 c a r d s sf u n c t i o n sa n dt h ep a r a m e t e rr e q u e s t ，w e d e s i g n e dt h ee l e c t r i cc i r c u i to f t h ed a t ac o l l e c t i n ga n dh a n d l i n g ，a n dm a n u f a c t u r e dt h e f o r s i d ed e v i c eo f t h ed a t ac o l l e c t i n g 4 、w es t u d i e dt h em e t h o do ft h ee l e c t r i c i t yt om e a s u r ea n dt h e d a t a c o l l e c t i n g ， h a n d l i n g ，a n a l y z i n g ，t h ea n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g yf o rt h ef o r s i d ed e v i c e a r ee s s e n t i a l l y d i s c u s s e d 5 、o nt h en ic o m p a n yl a b w i n d o w s c v it h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，w ed e v e l o p p e dt h e 1 0v e r s i o ns o f t w a r eo f t h ec o l l e c t i n gt oa n a l y z i n gf o re l e c t r i c a ld a t a t h i sp o r t a b l ed e v i c ef o re l e c t r i c a ld a t ac o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gd e v i c eh a db e e nu s e d i nt b e p r o d u c t i o n t a k e na d v a n t a g e t ot h el o c a l e x p e r i m e n t ，a n d o b t a i n e dt h e g o o d e c o n o m i cp e r f o r m a n c e k e yw o 舳s ：v i r t u a li n s t r u m e n t 、e l e c t r i c a ld a t ac o l l e c t i o n 、l a bw i n d o w s c v i 、 s i g n a la n a l y s i s ，v 东南大学工程硕士学位论文 覆基式电气氛l 秉1 分辅幔曲研捌 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 妒芗谮 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：蓝主日期： 扣吒 如 东南大学工程硕士学位论文第幸- 惦 第一章：绪论 1 1 引言 现代科技的进步以计算机的进步为代表，不断创新的计算机技术，f 以不可逆转 之势从各个层面上影响着各行各业的技术进步，今天的测控仪器行业同样经历着一场 翻天覆地的变革。 一方面，计算机技术的进步为新型测控仪器的产生提供了现实基础，主要表现在： ( 1 ) 微处理器和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的快速进步以及其性能价格比不断 上升大大地改变了传统电子行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能今天 能够依靠软件实现；( 2 ) 面向对象技术、可视化程序_ 丌发语言在软件领域为更多易_ f 使用、功能强大的软件丌发提供了可能性。 另一方面，传统的测控仪器越来越满足不了科技进步的要求，主要表现在：( 1 ) 现代测控要求仪器不仅仅能单独测量一个量，而更希望它们之间能够互相通信，实现 信息共享，从而完成对被测各系统的综合分析、评估，得出准确判断。传统仪器在这 方面显然存在严重不足，甚至根本不可能实现；( 2 ) 对于复杂的被测系统，面对各个 厂家的不同测试设备，使用者需要的知谚 很多。这样的仪器不仅使用频率和利用率低， 而且硬件存在冗余。 基于计算机的测试仪器，又称虚拟仪器。它是指通过应用程序将通用计算机与功 能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操 作自己定义和设计的一台单个仪器一样，从面完成对被测量的采集、分析、判断、昆 示、数据存储等。 鉴于上述原因，虚拟仪器逐渐变得现实，其出现和广泛使用对测控仪器产生较为 深刻的影响。作为传统仪器的革新产品，虚拟仪器在今天已r 渐普及。 1 z 测量仪器的发展 仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。 电子测量仪器发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、智能仪 器、个人仪器、虚拟仪器等发展阶段。其间，微电子学和计算机技术对仪器技术的发 展起了巨大的推动作用。 智能仪器出现在2 0 世纪7 0 年代，随着微处理器和计算机技术的发展，微处理 器或微机被越来越多地嵌入到测量仪器中，构成了所谓的智能仪器或灵巧仪器( s m a r t i n s t r u m e n t s ) 。智能仪器实际上是一个专用的微处理器系统，一般包含有微处理器电路 ( c p v 、r a m 、r o m 等) 、模拟量输入输出通道( a d 、d a 、传感器等) 、键盘显示 接口、标准通信接 3 ( g p i b 或r s - - 2 3 2 ) 等。智能仪器使用键盘代替传统仪器面板上 的旋钮或开关，对仪器实施操控，这就使得仪器面板布置与仪器内部功能部件的分布 之间不再互相限制和牵连：利用内置微处理器强大的数字运算和数掘处理能力，智能 仪器能够提供自动量程转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准和自诊断等“智 东南大学工程硼士学位论文 第一幸 瞻 能化”功能：智能仪器傲都带有g p l b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 或r s 一2 3 2 接u ， 具备可程控功能，可以很方便地与其他仪器实现互连，组成复杂的自动测试系统。 随着智能仪器和个人计算机( p c 机) 的大量应用在二l ：程技术人员的：l ：作台上常 常会出现多台带有微机的仪器与p c 机同时使用。一个系统中拥有多台微机、多套存 储器、显示器和键盘，但又不能相互补充或替代，造成资源的极大浪费。1 9 8 2 年， 美国西北仪器系统公司推出了第一一台个人仪器( p e r s o n a l i n s t r u m e n t ) 。 个人仪器也称为p c 仪器( p ci n s t r u m e n t ) 或卡式仪器。在个人仪器或个人仪器系 统中，通用的个人计算机代替了各台智能仪器中的微机及其键盘、显示器等人机接口， 由置于个人计算机扩展槽或专门的仪器扩展箱中的插卡或模块束实现仪器功能，这些 仪器捅卡或模块通过p c 总线直接与计算机相连。个人仪器充分利用了p c 机的软件 和硬件资源，相对于传统仪器，大幅度地降低了系统成本、缩短研制周期。因此，个 人仪器的发展十分迅速。个人仪器最简单的构成形式是将仪器卡直接插入p c 机的总 线扩展槽内。这种构成方式结构简单、成本很低，但缺点是p c 机扩展槽数目有限， 机内干扰比较严重，电源功率和散热指标也难以满足重载仪器的要求。此外，p c 总 线也不是专门为仪器系统设计的无法实现仪器问的直接通信以及触发、同步、模拟 信号传输等仪器专用功能。因此，这种卡式个人仪器性能不是很高。 为了克服卡式仪器的缺点，美国h p ( h e w l e t tp a c k a r d ) 公司于1 9 8 6 年推出了6 0 0 0 系列模块式p c 仪器系统，该系统采用了外置于p c 机的独立仪器机箱和独立的电源 系统：专门设计了仅器总线p c 璐；提供了8 种常用的个人仪器组件，即数字力用 表、函数发生器、通用计数器、数字示波器、数字i 0 、继电器式多路转换器、双 d a 转换器和继电器驱动器，每种组件都封装在个塑料机壳内，并具有p c l b 总线接口。在将一块专用接口卡插入p c 机扩展槽后，p c 机与外部仪器组件就可以 通过p c i b 总线实现连接。随后，t e k t r o n i x 公司及其他一些公司也相继推出了各自 的高级个人仪器系统。 个人仪器系统以其突出的优点显示了它强大的生命力。然而，由于各厂家在生产 个人仪器时没有采用统一的总线标准，不同厂商的枫箱、模块等产品之闯兼容性很差， 在很大程度上影响了个人仪器的进一步发展。1 9 8 7 年7 月，c o l o r a d od a t a sy s t e m s 、 h p 、r a c a l d a n a 、t e k t r o n i x 和w a v e t e k 五家公司成立的一个专门委员会颁和了用于通 用模块化仪器结构的标准总线v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线 的技术规范。v x i 总线是在v m e 计算机总线的基础上，扩展了适合仪器应用的一些 规范而形成的。v x i 总线是一个公丌的标准，其宗旨是为模块化电予仪器提供一个玎 放的平台，使所有厂商的产品均可在同一个主机箱内运行。自诞生之f 1 起，v x i 总线 仪器就以其优越的测试速度、可靠性、抗干扰能力和人机交互性能等，吸引了各仪器 厂商的目光。 在个人仪器发展的过程中，计算机软件在仪器控制、数据分析与处理、结果显示 等方面所起的重要作用也越来越深刻地为人们所认识。1 9 8 6 年，美国国家仪器公司 州a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 的概念。 虚拟仪器的核心是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机的数据运 2 一 东南大学工程硕士学位论文第幸i 釜 算、存储、回放、调用、显示及文件管理等功能，把传统仪撂的专业功能软件化，使 之更加紧密地与计算机融为一体，构成一种从外观到功能都与传统仪器相似，但在实 现时却主要依赖计算机软硬件资源的全新仪器系统， 到2 0 世纪9 0 年代，虚拟现实、虚拟制造等概念纷纷出现，发达国家更是在这一 虚拟技术领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时 代。在这种背景下，虚拟仪器的概念在世界范围内得到广泛的认同和应用。美国n i 公司、h p 公司、t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等相继推出了基于g p i b 总线、p c d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) hv x i 总线等多种虚拟仪器系统。 在虚拟仪器得到人们认同的同时，虚拟仪器的相关技术规范也在不断地完善。 1 9 9 3 年9 月，为了使v x i 总线更易于使用，保证v x i 总线产品在系统级的互换性， g e n r a d 、n i 、r a c a li n s t r u m e n t s 、t e k t r o n i x 和w a v e t e k 公司发起成立了v x i 即插即用 ( v x l p l u g & p l a y ，v p p ) 系统联盟，并发布了v p p 技术规范。作为对v x i 总线规范的 补充和发展，v p p 规范定义了标准的系统软件结构框架，对v x i 总线系统的操作系 统、编程语言、仪器驱动器、高级应用软件工具、虚拟仪器软件体系结构( v i s a ) 、产 品实现和技术支持等方面做了详细的规定，从而真正实现了v x l 总线系统的丌放性、 兼容性和互换性，进一步缩短了v x i 系统的集成时间，降低了系统成本。v x i 总线 系统也因此成为虚拟仪器系统的理想硬件平台，完整的虚拟仪器技术体系已经建立起 束。 为了进一步方便虚拟仪器用户对系统的使用和维护，解决测试软件的可重用和仪 器的互换性问题，1 9 9 7 年春季，n i 公司又提出了一种先进的可交换仪器驱动器模型 i v i ( i n t e rc h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ，可互换式虚拟仪器1 。1 9 9 7 年夏天，i v i 基令会成立并发布了一系列i v i 技术规范。在v p p 规范的基础上，i v i 规范建立了 种可互换的、高性能的、更易于维护的仪器驱动器，支持仿真功能、状态缓冲、状念 检查、互换性检查和越界检查等高级功能。允许测试工程师在系统中更换同类仪器时， 无需改写测试软件，也允许丌发人员在系统研制阶段或价值昂贵的仪器没有到位时， 利用仿真功能丌发仪器测试代码，这无疑将有利于节省系统丌发、维护的时问和费用， 增加了用户在组建虚拟仪器系统时硬件选择的灵活性。目前，i v i 技术规范仍在不断 完善之中。 在虚拟仪器技术发展的初期，虚拟仪器系统主要采取三种结构形式：基于g p i b 总线、p c d a q 或v x i 总线，但这三种系统却都有各自的不足之处，g p i b 实质上是 通过计算机对传统仪器功能的扩展和延伸，数据传输速度较低；p c d a q 直接利用了 i s a 总线或串行总线，没有定义仪器系统所需的总线；v x i 系统是将用于工业控制的 v m e 计算机总线而建立的，价格昂贵，适用于大型或复杂仪器系统。为适应虚拟仪 器用户同益多样化的需求，1 9 9 7 年9 月，n i 公司推出了一种全新的丌放式、模块化 仪器总线规范p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t ) ，直接将p c 机中流行的高 速p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线技术、m i c r o s o f t w i n d o w s 操作系 统和c o m p a c t p c i ( 肇固p c o 规范定义的机械标准巧妙地结合在一起，形成了一种性价 比极高的虚拟仪器系统。c o m p a c t p c i 是将p c i 电气规范与耐用的欧洲卡机械封装及 东南大学工程碗士学位谗文】f一章-忙 高性能连接器相结合的产物，这种结合使得c o m p a c t p c i 系统可以拥有多达7 个外设 插槽。在享有c o m p a c t p c i 的这些优点的同时，为了满足仪器应用对一些高性能的需 求，p x i 规范还提供了触发总线、局部总线、系统时钟等资源，并且做到了p x i 产品 与c o m p a c t p c i 产品可以双向互换。目日h ，p x i 模块仪器系统以其卓越的性能和极低 的价格，吸引了越来越多的虚拟仪器界工程技术人员的关注。 从2 0 世纪8 0 年代n i 公司提出虚拟仪器的概念至今只有短短的十余年时问，但 虚拟仪器产品己占有了世界仪表仪器市场1 0 左右的份额。从事仪器仪表研究和坝 制的科学家和工程师们清楚地认识到虚拟仪器不仅毋庸置疑的是2 l 世纪仪器发展的 方向，而且必将运步取代传统的硬件化电子仪器，使成千上万种传统仪器都融入计算 机体系中。到那时，电子仪器在广义上已不是一个独立的分支，而是已演变成为信息 按木的本体。 用户可以把i 0 接口软件当作独立的程序使用，设计自己的程序时可以自由选 择语言和操作系统。如果你希望有一个组合的虚拟仪器软件环境以使你的程序设计更 为轻松，那么n l 的l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 是两种比较好的丌发环境，他们 把所有必要的硬件、软件组合成一个单一的丌发环境，并带有高级的的特定仪器驱动 程序以及数据分析和显示的其它工具。当然，两者又有侧重，用户可以选择适合自己 的环境，l a b w i n d o w s c v i 更适合那些习惯c 或b a s i c 进行程序设计的用户，而 l a b v i e w 则较适合于偏好图形化设计的用户。 1 3 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器是指以通用计算机作为系统控制器、由软件宋实现人机交互和大部分仪 器功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器概念是对传统仪器概念的重大突破，它的出 现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了。与传统仪器不同，虚拟仪器是由通用计算 机和一些功能化硬件模块组成的仪器系统。在这种仪器系统中，不仅仪器的操控和测 量结果的显示是借助于计算机显示器以虚拟面板的形式束实现的，而且数据的传送、 分析、处理、存储都是出计算枫软件来完成鑫勺，这就大大突破了传统仪器仪表在这些 方面的限制，方便了用户对仪器的使用、维护、扩展和升级等。 虚拟仪器一词中“虚拟”有以下两方面的含义。 虚拟仪器面板：在使用传统仪器时，操作人员是通过操纵仪器物理面板上安 装的各种开关( 通断丌关、波段丌关、琴键丌关等) 、按键、旋钮等柬实现仪器宅源的 通断、通道选择、量程、放大倍数等参数的设置，并通过面板上安装的发光二极管、 数码管、液晶或c r t ( 目q 极射线管) 等柬辨识仪器状态和钡4 量结果。在虚拟仪器中，计 算机显示器是惟一的交互界面，物理的丌关、按键、旋钮以及数码管等显示器件均由 与实物外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或键盘操纵软件界面中这些 控件来完成仪器的操控。 由软件编程来实现仪器功能：在虚拟仪器系统中，仪器功能是出软件编程来 实现的。测量所需的各种激励信号可出软件产生的数字采样序列控制d a 转换器东 产生；系统硬件模块不能实现的一些数掘处理功能，如f f t 分析、小波分析、数字滤 d ! 燮兰三! 塑士学位论文第一章论 i 波、回归分柝、统计分析等，也可由软件编程来实现：通过不同软件模块的组合，还 可以实现多种自动测试功能。 1 4 虚拟仪器的组成 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。从构成 方式讲，有以d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统，有以 g p i b 、v x i 、串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方式组成的g p i b 系统、 v x i 系统、串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统构成如图i 1 所示。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： 作站等各种 计算机平台上，再加上应用软件而构成的，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展 的步伐完全同步。2 3 图1 1虚拟系统构成 1 5 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点。 软件是核心 根据系统设计要求，在选定系统控制用计算机以及一些标准化的仪器硬件模块 或板卡后，软件部分就成为构建和使用虚拟仪器的关键所在。其中，仪器驱动器软件 的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试和仪器功 能，并提供人机交互界面。在进行应用程序开发时，可以利用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 等集成开发环境。可以看出，软件在虚拟仪器技术中占有十分重 要的作用，n i 公司提出的“软件即仪器”( t h e s o 矗w a r e i s t h e l n s t r u m e n t ) 就是这一特点 的形象概括。 灵活性和可扩展性 虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义功能和控制面板、用户无法更改的模式。仪 器用户可根据自己不断变化的需求，自由发挥自己的想像力，方便灵活地重组测量系 统，系统的扩展、升级可随时进行，而且系统更新的周期短、见效快，能充分地满足 用户在不同场合的应用需求。 性价比高 5 一 东甫大学工程硬士学位论文| f 一章论 虚拟仪器可以将在传统仪器中一些出硬件完成的功能转为软件实现，减少了自动 测试系统的硬件环节，降低了系统的丌发成本和维护成本；虚拟仪器能够同时对多个 参数进行实时高效的测量，信号传输大部分采用数字信号的形式，数据处理也主要依 赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差的影响；用户可以随时根据需要调整 虚拟仪器的功能，实现一机多用。因此，使用虚拟仪器比传统仪器更经济。 良好的人机界面 虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板或称为软面板。 虚拟面板可以模拟传统仪器面板的设计风格来设计，也可以由用户根据实际需求定制 设计。测量结果可以通过计算机屏幕以曲线、图形、数据或表格等形式显示出来。 与其他设备互联的能力 虚拟仪器通常具备标准化的总线或通信接口，具有与其他设备互联的能力。例如， 虚拟仪器能够通过以太网与i n t e r n e t 相连，或者通过现场总线完成对现场设备监控和 管理等。这种互联能力使虚拟仪器系统的功能显著增加，应用领域明显扩大。 1 6 本论文的主要工作 我国目前还处在传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，但是，虚拟仪器系统 已被广大工程技术人员所重视，正逐渐成为仪器领域的一个基本方法，是技术进步的 必然结果。今天，它在各行各业应用f 方兴未艾。随着我国电力工业的发展，新机组 的投产同益增多。长期以来，在新机组投产调试中存在电气整套试验工作量大，使用 的仪器仪表众多，接线繁复等问题。需要一种能集测试、数据采集处理和分析为一体 的电气仪器，这对提高电气整套试验的质量，减少工作量，节省宝贵的丌机时阳j 具有 重要的意义。 本论文研制的电气数据采集分析仪可以完成新机组丌机过程中的多路电气数据 量的测录、显示功能，可替代交直流电流电压表，功率表，相位表、频率表、示波器、 光线录波器、磁带机等， 本论文根据国内外数据采集领域的发展和我国电力工业的实际情况，结合现场 工作经验，研究开发基于美国n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司d a q 一7 0 0c a r d 的1 6 通道电 气数据采集分析仪。这是基于d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测 试系统。它能迅速有效地测量新机组在丌机过程中的各种电气量，具有自动启动记录、 高速采集、同步记录等功能，并能完成发电机开机试验中电气暂念量的测录。解决了 原电气试验中表计多，接线复杂，工作量大，试验耗时长等问题，从而取代传统的电 流、电压、功率仪表、光线录波器、磁带机及示波器，做到一机多功能，提高了现场 工作效率，节省了试运燃油、满足了生产实际的需要，具有很好的经济效益。 本论文共分六章： 第一章：在对测量仪器的演变和发展作了简单的回顾后，重点介绍了本课题研究 的主题虚拟仪器。提出了本课题的主要任务：研制一台具有虚拟仪器概念的，基 于d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统来解决生产试验实际 问题，即便携式电气数据采集分析仪。 - 6 - 东南大学工程硕士学位论文 第一章釜 第二章：对数据采集系统进行了概述，结合本课题的实际，对d a q c a r d - - 7 0 0 数 据采集卡的各项性能指标进行了讨论，并介绍了此卡的安装和设置。 第三章：探讨了电气数据采集仪的信号调理电路，制作了信号处理的前端箱，晟 后对信号抗干扰问题进行了探讨，并阐明了本论文信号的抗干扰策略。 第四章：在概述了众多虚拟仪器丌发软件之后，阐明了本课题选择了l a b w i n d o w s c v i 作为丌发程序的理由；对l a b w i n d o w s c v i 的特点、功能、程序结构、”发 环境进行了深入的学习和研究，并用l a b w i n d o w s c v i 编写了电气数掘采集分析软 件，最后详细介绍了电气数据采集分析软件的界面和使用方法。 第五章：本章对信号的采集、分析、处理中的些问题如信号的时域、频域分 析、信号滤波、离散傅罩叶参数的选择、栅栏效应、频谱泄漏等问题进行了讨论。 第六章：对本课题的研究工作进行了总结，讨论了仪器还存在的问题和改进方 向。 1 7 本章小结 本章回顾了测量仪器的演变和发展，重点介绍了本课题研究的主题虚拟仪 器。站在现代测控仪器领域的前沿，详细地介绍了虚拟仪器的基本概念、构成和主要 特点。最后说明了本论文的主要工作是研制一台具有虚拟仪器概念的，解决生产试验 实际问题的便携式电气数据采集分析仪。 东南大学工程硕士学位论文第二章l , t j l u i l t - 第二章数据采集卡 2 1 概述 今天，已有大量的科技和二 ：程人员对计算机进行总线扩展以便将其用于实验室研 究、工业控制、测试和测量。这些都要用到基于计算机的数据采集技术。一个数据采 集系统的基本任务就是测量和产生现实世界的物理信号。基于计算机的数据采集系统 结构图如图2 1 所示。 图2 1数据采集系统结构图 基于p c 机的数据采集系统( d a t aa c q u i s i o n ，d a q ) 大致有两种，一种是采用插入 p c 扩展槽中的插卡形式实现数据采集并将数据直接通过p c 总线传送到计算机内存 中，本沧文研制的便携式电气数据采集分析仪就是采用这一种数据采集系统：另一种 是采用远端数据采集硬件完成数据采集，然后通过串行或并行方式将数据传回计算 机，无论实现形式如何，数据采集系统都涉及图2 所示的几个部分。1 ( 1 ) 个人计算机 数据采集系统中的个人计算机在很大程度上决定了用户连续采集数据时能达到 的最快速度。目前的台式计算机大多采用了p e n t i u m 或p o w e rp c 处理器及高性能的 p c i 总线和u s b 总线，有些也保留了传统的 s a 总线：笔i 己本与p c m c i a 是实现便 携式数据采集时的必然选择；而r s 一2 3 2 或r s 4 8 5 则适用于远端数据采集，但是系 统数据吞吐量将受限于串行通信的速率。 从数据传输方式上讲，所有p c 机均支持可编程i o 和中断数据传输，大部分 计算机也都支持d m a 数据传输。在d m a 方式下，数据能够被直接传输到系统内存 中而不需要c p u 干预，大大提高了系统的数据吞吐量，但应该注意，所选用的d a q 板也应支持d m a 能力。 大容量数据采集的另一个影响因素是计算机的硬盘驱动器，硬盘驱动器的访问时 问和硬盘中的碎片都会降低数据存取的速度。因此，高频信号采集系统通常需要选用 高速硬盘驱动器，并保证硬盘上有足够大的连续存储空间。需要对高频信号进行实时 处理的系统还要配置有高速3 2 位协处理器或专用d s p 板。 计算机操作系统的选择涉及多方面的因素，包括开发者和最终用户的经验和要 8 东南大学工程硕士学位论文第= 章m r 据秉l 卡 求、成本、可用性等，目前常用的操作系统是w i n d o w s9 x ，支持图形用户界面和插 即用硬件配置，w i n d o w s n t 和w i n d o w s2 0 0 0 则在w i n d o w s9 x 的基础上改善了系统 的稳定性和可靠性，并提供了更加完善的功能。 ( 2 ) 传感器 传感器的作用是把对某种物理现象的感应转换为d a q 系统能够测量的电信号。 例如，热电偶、r t d 和热敏电阻能够将温度转换为模拟信号供a d c 测量。其他的例 子有应变计、流量传感器和压力传感器等，它们都能将各自监测的物理参数转换为电 信号。 ( 3 ) 信号调理 在数据采集系统中，由传感器产生的电信号一般不能直接送到d a q 板，而是必 须首先经过信号调理部分，将信号进行放大、隔离、滤波等处理，以保证测量的精度。 有些传感器的工作还需要有电压或电流激励源。 ( 4 ) 数掘采集卡 现在市场上的数据采集卡类型繁多，具备单一功能的数据采集卡有模拟量输入 卡、模拟量输出卡、数字量i o 卡、定时器计数器卡、信号发生器卡、矩阵开关 或复用器卡、逻辑分析卡、数字化仪示波卡、信号调理卡等类型，而多功能数据采 集卡般将模拟量输入、模拟量输出、数字量i 0 和定时器计数器功能集成在一 块卡上。各种卡采用的接口类型也多种多样，早期的数据采集卡一般采用i s a 、r s 2 3 2 或并行口的形式，最近的一些产品则多采用p c i 、u s b 、p c m c i a 、i e e e l 3 9 4 等形式。 本论文研制的便携式电气数据采集分析仪采用的是一种多功能数据采集卡。 2 2 数据采集卡的主要性能指标 数据采集板卡的性能和技术指标与众多因素有关，为了研制能满足我们生产需求 的便携式数据采集分析仪，选择一块好用够用的数据采集卡，对我们是至关重要。下 面我们对数据采集板卡一些通用的特性进行讨论： ( 1 ) 采集频率： 为了尽可能地再现被测量的真实值，必须有足够的采样频率。采样频率越高，就 能在一定的时问获得更多的原始信号信息。如果信号变化比采集板的采样频率快，就 会产生波形失真。根据奈奎斯特理论，采样频率至少是系统元件最高频率的两倍，刊 不至于产生波形失真。 ( 2 ) 采样方法： 要从几个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接n a d 转换器( 缩写 a d c ) 。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器$ i a d c 要经济得多，但这仅 适用于在采样点之间时间不是很重要的场合。如果采样点之间对时间要求严格，则必 须同时采集。对于低频信号，也可以用问隔扫描办法来产生同时采样的效果，而不必 增加采样保持电路。这种方法以一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲来计算各通道两 次被扫描的时问间隔。 ( 3 ) 分辨率： 9 东南大学工程硕士学位论文：i b = - - s 囊量秉j l 卡 a d c 的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小，例如，三位转换把模拟 电压范围分成2 3 ( 8 位) 段，每段用二进制代码在0 0 0 到1 1 1 来表示。因而，数字信号并不 能真实地反映原始信号，因为有一部分信息被漏掉了。如果增加到1 2 位( d a q c a r d 一7 0 0 卡即为1 2 位) ，则位数从8 增加到2 ”( 4 0 9 6 位) ，这样就可以较精确地反映原始 信号的数字信息。 ( 4 ) 电压范围： 电压范围指a d c 能扫描到的最高和最低电压。一般情况下，由于d a q 板的电压 范围可调，所以可将信号电压范围调到与微机相配以便利用其可靠的分辨率范围。范 围、增益、分辨率决定了可分辨的最小的电压变化，用i l s b 来表示。例如，某d a q 板的分辨率为1 2 位，范围取o 一1 0 v ，增益取1 0 0 ，则i l s b = 1 0 v ( 1 0 0 2 t 2 ) = 2 4 u v 。 这样，在数字化过程中，一位的分辨率为2 4 uv 。 考虑硬件的上述因素外，在对数据采集产品进行评估时，我们还必须考虑下面的 因素。 ( 5 ) 差分非线性度 理论上，当增加输人给d a q 板的电压时，数字代码也应该线性地增加，图像应 是一条直线。偏离该理想直线称为非线性。d n l ( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ) 就是度量最 坏的情况下的偏离情况。理想的d a q 板和d n l 应为0 。实际使用的d a q 板的d n l 在 0 5 l s b 内。d n l 可以用一个楼梯的例子来说明。对于一个有较好d n l 的板，每一步 的高度和宽度都应该是一样的，相反则每一步都是不规则的。 ( 6 ) 相对精确度 相对精确度是用来衡量最坏情况下偏离d a q 板转换功能直线的量。要计算一块 d a q 板的相对精确度时，可以从阴极到阳极加一电压并将其数字化。把数字化的直 线同用计算方法得出的数字量进行比较，两者偏差的最大值就是相对精确度。要得到 好的相对精确度与a d c 和模拟电路周围的环境都有关。 ( 7 ) 停滞时间 对于典型的数据采集，信号一般先经多路开关到放大器，再：至i a d c 。放大器必须 能够跟踪多路丌关的输出和停滞以使a d c 能准确工作，否则，a d c 就会把通道问的 数据混淆。这之间需要放大器停留的时间称为停滞时间。停滞时间不好的采集板是 个重要问题，因为它发生在模拟阶段。d a q 板不能把这个信息传送给计算机。当采 样频率高，增益大的时候，停滞是很困难的。n i 公司设计的n l p g i a 软件是专为d a q 板设计的，它较好的解决了在高增益、高采样频率下的停滞问题的。 ( 8 ) 噪声 数字信号的值与信号问的差异称之为噪声。出于计算枫是一个有噪声的数字环 境，要从插入式板上得到数据需要一个精细的多层d a q 板设计，而这些板是经过消 除模拟信号设计的。简单地把放大器、a d c 、总线接口电路安装在一块一层或多层板 上形成的d a q 板，其噪声是很严重的，设计者需要对板进行屏蔽以减少噪声。适当 的屏蔽不只应该加在d a q 板对模拟信号的敏感部分，而是应嵌在d a q 板的层内，而 且板是与地线相连的。 1 0 东南大学工程硕士学位论文第= 章魏鲁熏| l 卡 ( 9 ) 模拟输出 模拟输出电路通常是为d a q 板的系统提供激励。d a c 输出信号由停滞、转换率、 分辨率等因素构成。停滞时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。因而，停滞 时间少、转换率高的d a c 可以提供个高频信号，例如音频信号的产生。相比之下， 如果d a c 的输出信号去驱动一个加热器，就不需要连接速度很快的d a c ，因为加热 器本身就不能很快地跟踪电压变化。总之，是应用决定了d a c 的技术要求。 ( 1 0 ) 数字i o 计算机数掘采集系统中，数字化i o 用来控制过程、产生测试信号、与外设通信。 它的重要参数包括：数字口线数、接收( 发送) 率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、 灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。当然线数要能同控制项目 配合，而且需要的电流要小于板所能提供的驱动电流。加上合适的数字信号调理设备， 仍可以用低电流的t t l 电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。 数字i o 最常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之叫传送数 据，因为这些设备传送数据以字节的形式传送，所以数字口的线数8 位排成一组。另 外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”电路，总之，通道数、传送率、“握 手”能力都是重要的参数。 ( 1 i ) 定时i o 许多场合都要用到计数器( 定时器) ，如数字脉冲定时、产生方波等。定时器包括 三个重要信号：门限信号、计时信号、输出。门限信号实际上是触发信号使它工 作或不工作：计时信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出 线l 产生方波和脉冲，它们最重要的参数是分辨率和时钟频率。高分辨率意味着计数 器可以讨更多的数，时钟频率决定了产生数字信号输入的快慢，频率越高，计数增长 得快，因而输入端的信号频率高，就可产生高频的脉冲波和方波。 ( 1 2 ) 总线仲裁和高级系统的d m a 传送 构建数据采集系统十令重要的方面就是实现与同步数据处理相联系的高速数据 吞吐。为了实现系统任务，最重要的是数据传送不需要使用处理器。i s a 总线用专门 的电路来实现d m a 传送，因而不需要处理器的参与。p c i 总线数据传速率达到 1 3 2 m b i t s ，并且也有不需要处理器进行d m a 传送的能力。但p c i 总