（电路与系统专业论文）基于虚拟仪器技术的信号产生及数据分析处理系统.pdf

摘要 本文所述研究工作以研制开发一套基于虚拟仪器技术的信号产生及数据分析 处理系统为目的。首先概括地介绍了虚拟仪器的基本概念、结构以及特点。并对 虚拟仪器开发平台l a b v i e w 及其编程语言作了简要论述。接着对目标工程进行了 缜密的分析，包括系统功能需求分析、系统所应测量的参数、系统应达到的精度 及各个参数的测试方法。其次详细论述了系统硬件的构成及实现，介绍了所采用 的多功能数据采集模块d a q 2 0 1 0 的结构框架、原理及使用。最后，详细阐述了系 统软件的设计，包括软件框架、流程、底层驱动函数及各功能模块的实现过程， 并给出了本系统对某型飞机交流电源参数的实际测试结果。 。 关键词： 虚拟仪器 信号处理 数据采集测试系统 l a b v i e w a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , as i g n a lp r o d u c i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n ti s d e s i g n e d f i r s t l y ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e c o n c e p t ，s t r u c t u r e a n d c h a r a c t e r i s t i co fv ia n dv i s a p p l i c a t i o np l a t f o r m l a b v i e w d e s c r i b et h eg r a p h i c p r o g r a ml a n g u a g e s e c o n d l y ，ia n a l y z et h ep r o j e c ti n c l u d i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t ， t h ep a r a m e t e r st ob em e a s u r e d ，t h ep r e c i s i o nt oa c h i e v ea n dt h em e a n so f m e a s u r i n g t h e p a r a m e t e r s t h i r d l y , id e s c r i b et h es t r u c t u r ea n da c c o m p l i s h m e n to f t h eh a r d w a r e ，t h e p r i n c i p l ea n dt h eu s eo f t h es i m u l t a n e o u s l ys a m p l i n gm u l t i - f u n c t i o nc a r d - - d a q 2 0 1 0 w h i c hi su s e di nt h i sp r o j e c t a tl a s t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o f t 、眦d e s i g nw h i c h i n c l u d e st h es o t t w a r ef r a m ea n dp r o g r a mf l o w i nt h i s p a r t ，i d e s c r i b ee a c ho ft h e f u n c t i o nm o d u l ei n d i v i d u a l l yi nd e t a i la n df i n a l l yl a yo u tt h eo u t c o m eo fp r a c t i c a l m e a s u r e m e n tt oa n a i r p l a n ep o w e rs u p p l ys y s t e m k e yw o r d s ： v i r t u a li n s t r u m e n t d a t a p r o c e s s i n g d a t a a c q u i s i t i o n t e s ts y s t e m l a b v i e w 西北工业大学硕士学位论文 1 1 虚拟仪器概述 第一章绪论 1 1 1 虚拟仪器的概念 在过去的2 0 年中，p c 机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统 的革新，其中最显著的点就是虚拟仪器概念的出现与发展。虚拟仪器( v i r t u a l i n s t n u n e n t ，简称v 1 ) 是计算机技术、现代测控技术和电子仪器技术相互结合，渗透 的产物。它是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现使测量 仪器与计算机之间的界限消失，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革 命。 所谓虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具 有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用来完成传统仪 器的功能。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就 如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机的界 线模糊了。 虚拟仪器是利用p c 计算机显示器( c r t ) 的显示功能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p c 计算机强大的软件功能实现信号数据 的运算、分析、处理，由i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各 种测试功能的一种计算机仪器系统。“虚拟”二字主要包含两方面的含义： 第一、虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的 功能时相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”；被 测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置：测量结果的“数值显示”、“波形 显示”等。 传统仪器面板上的器件都是实物，而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟 仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”。“通”、“断”、“放大”等，对应着相 应的软件程序。这些软件已经设计好了，用户不必设计，只需选用代表该种软件 程序的图形控件即可，由计算机的鼠标来对其进行操作。因此，设计虚拟面板的 过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后编写相应的程序。大多数初学 者可以利用虚拟仪器的软件开发工具，l a b w i n d o w “c v i ，l a b v i e w 等编程语言， 在短时间内轻松完成美观而又实用的虚拟仪器前面板的设计。 第二、虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 西北工业大学碗士学位论文 在疆p e 诗算税为核，舀缝成韵硬 孚平台支持下，逶过载释编疆设诗来安现役器 的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组含来实现多种测试功能， 嚣魏有在襞箨平台磺定居“较彳季就跫纹器”翁说法。它俸瑷了溅试技本与毒子算梳 深层次的结合。 1 1 2 虚羧仪器的笈展 电子测爨仪器发展至今，丈钵经历了霸代发展历程。模羧仪器、数字化仪器、 智熊仪器和虚拟仪器。 第一代：模拟仪器，这类仪器是以电磁感应熬本定律为基础的模拟攒针试仪 表。如指针式万用袭、晶体管电隧表等。 第二代：数字式仪表，这类仪器目前棚当普及，如数字电压表、数字频率计 等。这类仪器将横拟信号的测量转化为数字信号测量，并醣数字穷式输出最终结 果，适用予快速响废和较岗准确度的测量。 第三代：智能彼器，这类便嚣内置微处理器，既能避彳亍自动测试又其有一定 的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，所以习惯上称为智能仪器。但熙它的功 靛涣全都都是馥疆捧( 或瀚仡豹软俘) 形残存在鹃，无论是在舜发还是藏嗣孛， 都缺乏灵活性。 第瑟戴；纛掇纹器，家是囊代计算毫蓬技术、遥信技零帮嚣羹技术疆绥会黪产 物，它对传统仪器观念进行了一次巨大变革，是将来仪器产业发展的重要发展方 商之一。 1 1 3 虚拟仪器的特点 独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，价格昂贵，且被厂家限定了功 能，只8 9 究成一l 牛或几传疑体的工作，因此用户遁常都不毖对其加以扩艘或自定 义其功能。仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功箍对这台仪器来说 都是独一无二的，另外开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的原部件， 从而使他们身价颇高且很不容易麓新，丽虚拟铰嚣测试系统的功稚可瞄囱用户粮 据需要自褥设计软l 牛来定义或扩展，丽不是只能由厂家事先定义熙固定不可变更。 这样，用户不必购买多种不同功毹的传统仪器，不必购买昂贵静集多种凌缝子一 身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。因为艘拟仪器可与计算机同步发展， 与阏络及藏它周边设备互连，用声只需改变较粹程序藏可不装赋予它或扩展增强 它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再怒厂家的专利。成拟仪器开创了 饺器使用糟可戳j 鼋乏为役器设诗者静时代，这将给仪器缓麓耆豢来燹尽熬收盏，藉 且使用虚拟仪器解决方案可以大副降低资众成本、系统开发成本和系统维护成本， 2 蕊北工业大学硕士学位论文 同时还为用户加快产品上市时间并提高产品质墩。虚拟仪器的特点可归纳为： ( 1 ) 在逶焉璇俘平鸯确定磊，由软释敬代传统仪器静硬薛来完成仪器懿功戆。 ( 2 ) 仪器的功能是根据需要断软件来定义的，而不是实现由厂家定义好的。 f 3 ) 仪器经麓靛改逡鞠珐麓扩震哭甓避露耱关较箨熬凌讳嚣麓，嚣不嚣要购买 瓶的仪器。 f 4 ) 耩割周鬟较簧绫纹器大麓缩短。 ( 5 ) 虚拟仪器开放、炭活、可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。 决定攫攘纹器具有上述转绞仪器不磁毙具备熬特点戆擐本缀困在予：“虚拟仪 器的关键是软件”。 1 i 4 盘 彗l 佼器豹梅藏及分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成。 1 1 4 1 通用仪器硬件平静 援残虚拟仪器斡硬转平台套涎部分； ( 1 ) 计算机。一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 。( 2 ) ( 9 接麟设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据 实际情况采用不同的t o 接口硬件设备，如数据采集卡，板( d a q ) 、g p i b 总线仪 器、v x i 总线仪器、串口仪器等。虚拟仪器的构成主要露五种类挺，如图l + 1 所乐e 圈1 1 寝援仪器鞠籀藏方式 1 p c d a q 插卡式v i 这秘方式矮鼗据采集专嚣敬诗算瓿乎台窝攥数搜器较转，蠖霹构成各耱数据 采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利， 其关键褒予姻转挟技本。这糖方式受p e 捉执簇、慧线艰裁，存在魄源功攀不 足，机箱内噪声电平较高、无屏蔽，捅槽数目不多、尺寸较小等缺点n 随着基于 p e 戆王业控裁诗翼执技术豹发展，p c d a q 方式露在豹缺赢已经髋正在被嵬 服。 西北工业大学硕士学位论文 因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特 别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 2 并行口式的v i 最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里 或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种v i 功能。它的最大好处是可以与笔 记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 相连，实现台式和便携式两用， 非常方便。 3 g p i b 总线方式的v i g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的v i 早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独 立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台p c 机， 一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下， 一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达2 0 m 。 g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方 式，很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。g p i b 测试系统的结 构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但 对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的传输场合应用。 4 v x i 总线方式的v i v x i 总线是高速计算机总线v m e 在v i 领域的扩展，具有稳定的电源、强有 力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数 据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点， 得到了广泛的应用。 经过多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟 的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合， 但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。 5 p x i 总线方式的v i p x i 这种新型模块化仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规 范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通 讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。 由上可知，无论哪种v i 系统都是将硬件设备搭载到台式p c 、工作站或笔记本 电脑等各种计算机平台上，加上应用软件而构成的，实现了用计算机的全数字化 的采集测试分析。因此v i 的发展完全跟计算机的发展步伐同步，显示出v i 的灵活 性和强大的生命力。 1 1 4 2 软件结构 虚拟仪器软件由两大部分构成。 4 西北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 应用程序。它包含两个方面的程序： 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。虚拟仪器在工作时利用 前面板去控制系统。与传统仪器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特点就是软 面板由用户自己定义。因此，不同用户可以根据自己的需要组成灵活多样的虚拟 仪器控制面板。 定义测试功能的流程图软件程序。 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极大提高 了虚拟仪器的数据分析处理能力。如h p v e e 可提供2 0 0 种以上的数学运算和分 析功能，从基本的数学运算到微积分、数字信号处理和回归分析。l a b v i e w 的内 置分析能力能对采集到的信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。 ( 2 ) i ，o 接口仪器驱动程序。 这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 1 2 虚拟仪器开发平台 1 2 1n i l a b v i e w 简介 l a b v i e w 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化 编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。主要用于开发数据检测、数据测量采集系统、 工业自动控制系统和数据分析系统等领域。l a b v l e w 与c ，p a s c a l ，b a s i c 等传统 编程语言相似，但他们最大的区别是：传统的编程语言用文本语言编程，而 l a b v i e w 使用图形化编程语言g 编写程序，产生的程序是框图的形式，界面非常 直观形象。 l a b v i e w 中的程序称为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，每个v i 有三个主要部分：前 面板、框图程序、及图标，连接端口。前面板用于模拟真实仪器的前面板；框图程 序利用图形编程语言对前面板上的控件对象进行控制；图标连接端口用于把 l a b v i e w 程序定义成一个子程序，从而实现模块化编程。l a b v i e w 特点可归结为 以下几个方面： ( 1 ) 图形化的编程方式，使用直观形象的数据流程图式的语言书写程序源代 码。 ( 2 ) 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 ( 3 ) 提供程序调试功能，如设置断点或探针，单步执行，语法检查等。 f 4 ) 3 2 b i t 的编译器编译生成3 2 b i t 的编译程序，保证用户数据采集、测试和测 量方案的高速执行。 西北工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 提供了大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如d l l s ( 动态连接库) 、 d d e ( 共享库) 、c i n 、a c t i v e x 等。 ( 6 ) 囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 一2 3 2 4 8 5 在内的各种仪器通信总线标 准的所有功能函数，使得设计者能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。 ( 7 ) 强大的i n t e r n e t 功能，支持常用网络协议、方便网络、远程测控仪器的开 发。 1 2 2l a b w i n d o w s c v i 对于有c 语言编程经验的用户可采用n i 的另一种虚拟仪器开发平台一 l a b w i n d o w s c v i 来简化程序开发，提高编程速度。l a b w i n d o w s c v i 是基于a n s i c 交互式c 语言的集成开发平台。l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司标志性的虚拟仪器 软件产品之一。它是用来开发数据采集和仪器控制及自动测试系统的软件开发平 台。由于继承了c 语言的可移植性较强的特点，它可以运行于 w i n 9 8 ，w i n n t m a c 凡n i x 等系统中，具有鲜明的技术特色： ( 1 ) 有很强的数据处理和数据分析能力。 ( 2 ) 具有丰富的图形元素控件，并支持回调( c a l l b b t c k ) 功能。 ( 3 ) 提供多种总线通信控制函数( r s 2 3 2 ，g p i b ，v x i 等) ，并提供了网络传输控 制协议( t c p ) 接口库，保证了软件良好的开放性。 ( 4 ) 针对n i 公司的数据采集( d a q ) 卡系列，该软件提供了整套数据采集卡 驱动程序。 ( 5 ) 内含的虚拟仪器软件体系结构( v i s a ) 库及智能虚拟仪器( i v i ) 库为用 户开发仪器驱动程序提供了捷径。 ( 6 ) 包含了大部分基于w i n 9 8 w i n n t 风格的软件技术，如：d d e ，o l e ，c o m 。 1 2 3 其它 对于喜欢用v i s u a lb a s i c 编程的用户，可以选用n i 公司的另一种软件工具 c o m p o n e n tw o r k s 。它可以直接加载在v b 环境中，配合v b 成为强大的虚拟仪器 开发平台。 对于拥有w i n d o w s 编程基础而且熟悉v b 、v c + + 的用户，也可以采用传统编程 方式编写自己的虚拟仪器应用程序。现在越来越多的人采用v b 、v c + + 混合编程： 用v b 快速开发出美观的界面( 软面板) 以及外围的处理程序，再用v c 编写底层的 各种操作，如数据采集及处理、仪器驱动程序、内存操作、i o 端1 2 1 操作等。还可 以在v c + + 中嵌入汇编语言以进行更底层的操作，以提高程序执行速度，满足高速、 实时性的要求。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统需求分析及技术指标 2 1 课题的提出及功能需求分析 飞机供电系统在现代飞机系统中占有十分重要的地位，是机载设备的重要保 障。机载用电设备要求较高的供电质量，对电压调制精度、频率调制精度、交流 电压波形、电压浪涌等参数均有一定的技术标准。以往对这些参数都是用各种专 用的测量设备进行测试，但是由于飞机供电参数众多，需要较多价格昂贵的专用 设备，这就给飞机供电系统的测试带来高昂的成本：另一方面，由于各种专用设 备大多采用模拟方式进行测量，在测试精度上也会难免有所欠缺。且传统设备自 动化程度低，手工记录测试结果，没有分析处理功能，记录结果难于进行统计分 析。为了解决这些矛盾，需要研制一种新型的基于虚拟仪器的通用测试设备，它 能够将高精度的数据采集设备、计算机和强大的软件结合起来，不仅能够对被测 信号进行分析处理，还能对测试的数据进行保存，最后的测试结果进行存盘打印、 波形的显示以及各个测试模块之间的管理调度，具体分为以下几个功能： ( 1 ) 信号记录：采集交直流电压信号，并将其记录下来保存到硬盘上，供后 期分析处理。 ( 2 ) 信号波形显示：显示出交直流电压信号的时域波形以及频域分析波形，还 包含各种电气参数瞬态变化的过程。 ( 3 ) 信号实时分析：回放已经采集的信号，并且分析信号的参数，给出处理结 果。 ( 4 ) 打印输出：打印内容包括处理分析结果和波形显示。 ( 5 ) 系统管理：管理用户信息，记录文件和检测结果，并且在多个测试任务间 进行切换。 这样就能够使用户抛开多种传统的测试设备和繁杂的测试手段，只要具备统 一的参数标准、统一的计算方法、高精度的数据采集卡和通用p c 机，就可以构成 一套价格低廉的适用于各种不同型号产品的高精度通用测试设备。 本项目的被测产品是应用于某型飞机上的1 5 k v a 变速恒频主交流电源系统。 2 2 待测参数及其技术指标 根据国军标g j b l 8 1 8 6 飞机供电特性及对用电设备的要求中的规定，对飞 机电源系统待测供电参数及合格指标如下。 西北工业大学硕士学位论文 2 2 1 交流稳态特性 a ) 三相交流稳态电压：1 1 5 v 合格指标：0 1 0 0 负载时，1 1 5 1 5 v ： 1 0 0 1 5 0 负载时，“5 2 v ： 1 5 0 2 0 0 负载时，1 1 5 4 - 2 5 v 。 m 稳态电压波形及谐波分析 合格指标：波峰系数1 4 14 - 0 1 5 ； 总谐波含量 5 ： 单次谐波含量 4 ； 电压调制量3 5 v ； 电压调制频率特性应在g j b l 8 l - - 8 6 ) ) 中图4 曲线范围之内； 直流分量丰0 1 v 。 c ) 三相电压不平衡 合格指标：1 6 不平衡负载时，1 5 ； 1 3 不平衡负载时，3 。 d ) 电压相位移 合格指标：1 6 不平衡负载时，1 2 0 4 - 1 5 0 ： 1 3 不平衡负载时，1 2 0 4 - 3 0 。 e ) 稳态频率 合格指标：4 0 0 4 - 1 h z 。 f ) 频率调制幅度 合格指标：由频率调制引起的最大或最小频率与平均频率之差在4 - 4 h z 范 围内。 g ) 三相稳态电流 合格指标：4 3 5 a 。 h ) 输出功率 合格指标：1 5 k v a 。 i 1 功率因数 合格指标：0 ，7 5 - 0 9 5 。 2 2 2 交流瞬态特性 a )过压浪涌电压值及持续时间 合格指标：有效值小于1 8 0 v ，持续时间l o o m s 。 8 西北工业大学硕士学位论文 b )欠压浪涌电压值及持续时间 合格指标：有效值大于7 0 v ，持续时间5 0 m s 。 2 3 待测参数测试方法与数据处理分析 2 , 3 i 稳态特性参数 1 交流电压 采集稳态时的三相电压瞬时值，采样时间根据有关参数需要确定。按照式( 2 1 ) 分别计算出各相电压每一半波的方均根值，即可得出各相的交流电压 u = 式中：u i 每一半波电压方均根值，v ； m 每一半波采样点数( j = 1 叫n ，m 9 0 ) ； u j 采样点的电压瞬时值，v ； 2 稳态交流电压( 电流) 按1 中方式采样，采样时间取最接近l s 时间内整数个电压周波所对应的时间。 将由式( 2 1 ) 所得结果代入式( 2 2 ) ，分别计算出各相的稳态交流电压( 电流) 。 p u ， u = 型f 式中：u 稳态交流电压，v ； u 每一半波电压方均根值，v ； n 一采样半波数( i _ 1 n ，在最接近l s 的时间内取电压波形的整数个 周波m ，n = 2 m ) ； t i 与每一半波电压u i 相对应的时间，s ； 3 电压不平衡 将稳态交流电压测试中，由式( 2 2 ) 所计算出的三相交流稳态电压u a 、u b 、u c 代入式( 2 3 ) 中，计算三相电压不平衡a 9 西北工业大学硕士学位论文 u n c = m a x i u a u bl ，i u b - u d ，l u c u a m ( 2 1 3 ) 式中：u 。b 。三项电压不平衡，v 。 4 电压调制 a 电压调制幅值 按照交流电压测试中的方法采样，采样时间取最接近l s 期间整数个电压周波 所对应的时间，在正、负序列中，分别计算出最大峰值电压和最小峰值电压，然 后分别按下式，计算出电压调制幅。 电压调制幅值2 p ，i 。一p ，i 。( 2 。4 ) 式中：iu j p i m a x 所有周波中同向峰值电压的最大值，v ； i u j p m i n 所有周波中同向峰值电压的最小值，v 。 b 电压调制频率特性 进行电压调制频率分析时，是对电压调制包络线进行分析，所以首先要从采集 到的信号中分离出调制包络线的波形。首先对电压的正波峰序列和负波峰序列按 式( 2 。5 ) 计算其平均值： 1n u 。= 寺u 扩( 2 5 ) 式中u 。n 个周波中同向峰值电压的平均值，v 。 然后将各个峰值电压减去平均电压值，得到电压调制包络线序列。将计算得 到的调制包络线正、负序列分别进行快速傅立叶变换，求出电压调制包络线的频 率特性。 5 ，电压相位差 两相电压同时采样，用线性拟合法求出两相电压基波的正向过零点，测量相 邻正向过零点之间的时间间隔，按照式( 2 6 ) 计算两相电压基波之间的电角度之差： 0 ：鱼3 6 0 。( 2 6 ) l 口 式中：0 电压相位差( 两相电压基波之间的电角度之差) ，( 。) ( 电角度) ； t o 两相电压基波相邻过零点之间的时间间隔，s ： 乃基准相电压基波波形相邻正向过零点之间的时间间隔( 周期) ，s ： l n 西北工业大学硕士学位论文 以此方式分别测出三相电压中每两对相电压的电压相位差。 6 功率因数及功率 同相电压与电流同时采样，用线性拟合法求出电压与电流基波的正向过零点， 测量相邻正向过零点之间的时间间隔，按照式( 2 7 ) 计算功率因数： c o s 中= c 0 8 ：t o _ 3 6 0 。( 2 7 ) 乙 、 式中：中电压与电流之间的电角度之差，( o ) ( 电角度) t o 电压与电流相邻正向过零点之间的时间间隔，s ； 基准相电压基波波形相邻正向过零点之间的时间间隔( 周期) ，s ； 以此方式分别测出c o s 巾( a a ) 、c o s 巾( b b ) 、c o s 巾( c - c ) 三个功率因数。 将这三个功率因数分别与前面测得的稳态电压、稳态电流相乘，即得三相功 率： p a = u a i a c o s m ( a a ) ； p b _ i j b 1 8 c o s 巾( b - b ) ； p a = u c i c c o s 由( c c 1 。 7 谐波含量 借助离散傅立叶级数分解法求出每周波内各次谐波含量，按公式( 2 1 ) 计算每周 波电压有效值u i 。 a 总谐波含量 总谐波含量的百分数= g 生_ ! ；案笋盟二。g 固 式中：u i ( 1 ) 波形中的基波含量 b 单次谐波含量 单次谐波含量的百分数= 籍l 。( 2 - 9 ) 式中：u i ( k ) 单次谐波含量，v ： 西北工业大学硕士学位论文 k 谐波次数( k = 2 5 0 ) 。 8 稳态交流电压频谱 将所采集的交流稳态电压波形数据用离散傅立叶变换计算出每一频率分量的 幅度即为稳态交流电压频谱。 9 波峰系数 在大于1 s 并最接近1 s 的时间间隔内取整数个电压周波，测量每个半波电压波 形的峰值与方均根值之比的绝对值的极值。 先按照式( 2 1 ) 算出每个半波电压的方均根值u i ，再在同一半波内按抛物线插 值法求出其峰值电压u i ，按照式( 2 1 0 ) 计算其波峰系数。 。佗1 0 ) 式中，f i 设峰系数，无量纲； u i 。每半波的峰值电压，v ； u i 对应半波电压的方均根值，v 。 从所得的一系列f i 中求出极值即为波峰系数。 1 0 交流电压直流分量 采集稳态时相电压的瞬时值，采样时间取最接近1 s 期间整数个电压周波所对 应的时间。按照式( 2 1 1 ) 分别计算三相交流电压直流分量。 m u = 上l 一( 2 1 1 ) 1 式中，u 交流电压直流分量，v ； u 采样点的电压瞬时值，v ； n 最接近l s 期间整数个电压周波的采样点数。 1 1 稳态频率 采集最接近1 s 期间内的整数个( n 个) 电压周波数，计算出所对应的总时间 1 2 西北工业大学硕士学位论文 t n ，按照式( 2 1 2 ) 计算出稳态频率。 f = = n 一( 2 1 2 ) h 、 式中，f 稳态频率，h z ： n 最接近ls 期间整数个电压周波数； t n 对应n 个电压周波的总时间，s 。 1 2 频率调制幅度 连续采集1 分钟，将所采集交流电压的每个周波的周期( s ) 取倒数得出频率 ( h z ) ，作出1 分钟内的频率时间曲线f ( t ) ，求出频率曲线f ( t ) 上的最大值f m 。、最 小值f m i 。，按照式( 2 13 ) 计算频率调制幅度。 弁= f m 。一f m 。( 2 1 3 ) 式中，f t 频率调制幅度，h z 。 2 3 2 瞬态特性参数 、 瞬态特性参数主要是指当发生过压浪涌或欠压浪涌时的浪涌电压极值u 。和 等值阶跃电压持续时间t 。这两个参数表征了供电系统在负载突变情况下的瞬态 变化特性，反映了供电系统输出抗负载突变的能力。 1 过压浪涌参数 当供电系统突然被卸载时，其输出电压将发生过压浪涌现象，此现象经过一 段微小时间后恢复正常值。如果只画出电压包络线，则过压浪涌电压包络线波形 如图2 1 所示。 测试时采集并求出瞬态过程每周波的电压峰值u j ，和发生的时刻t i ，将峰值 电压除以j 即可得到各时刻的瞬态浪涌电压u i 。画出u i 的波形即是包络线波 形。 求出过压浪涌包络线最高峰的连续最大三点，按抛物线拟合法求出峰值，得 到过压浪涌极值u 。，算出达到极值电压的时间t 。和恢复至稳态电压上限值ut 的时间t 。( 见图2 1 ) 。 西北工业大学硕士学位论文 图2 1过压浪涌包络线波形 首先根据t g 用积分法求出从发生极值电压到进入稳态电压上限值的包络线 面积a p ，然后按照式( 2 1 4 ) 计算出等值阶跃电压持续时间t s 。 舻+ 去c z 式中，t 。一浪涌电压到达极限的时间，s ； a r 从发生极值电压到进入稳态电压上限值的包络线面积； u 。浪涌电压极值，v ； u 。稳态电压上限值，v 。 2 欠压浪涌参数 当供电系统突然被加载时，其输出电压将发生欠压浪涌现象，此现象经过一 段微小时间后恢复正常值。如果只画出电压包络线，则欠压浪涌电压包络线波形 如图2 2 所示。 测试时采集并求出瞬态过程每周波的电压峰值u j p 和发生的时刻t i ，将峰 值电压除以互即可得到各时刻的瞬态浪涌电压u 。画出u i 的波形即是包络线波 形。 求出欠压浪涌包络线波谷的连续最小三点，按抛物线拟合法求出最小值，得 到欠压浪涌极值u 。，算出达到极值电压的时间t m 和恢复至稳态电压下限值u r 的 时间t 。( 见图2 2 ) 。 1 4 西北j ：业大学硕士学位论文 图2 2欠压浪涌包络线波形 首先根据t g 用积分法求出从发生极值电压到进入稳态电压下限值的包络线面 积a p ，然后按照式( 2 1 5 ) 计算出等值阶跃电压持续时间t s 。 t s 2 争r 去c z 朋， 式中，t 。浪涌电压到达极限的时间，s ； a 广从发生极值电压到进入稳态电压下限值的包络线面积； u ，n _ 一浪涌电压极值，v ； uf 稳态电压下限值，v 。 2 4 对数字式测试设备的要求 所有数字式测试设备应符合本标准中单项测试方法的规定；应能适应 g j b l 8 1 a 2 0 0 x 所规定的极限制；除另有规定外应具备下面各条款所规定的基本要 求；并应经正式鉴定合格及按有关规定进行计量和校验。 2 4 1 测试准确度 交流稳态电压 交流稳态电流 直流稳态电压 直流稳态电流 在交流稳态电压为额定值时，测量的相对误差应小于0 5 ； 在交流稳态电流为额定值时，测量的相对误差应小于1 o ； 在直流稳态电压为额定值时，测量的相对误差应小于0 5 ； 在直流稳态电流为额定值时，测量的相对误差应小于1 0 ； 西北工业大学硕士学位论文 稳态频率 在稳态频率为4 0 0 h z 时，测量的相对误差应小于0 1 ： 电压相位差在电压相位差为11 6 1 2 4 范围内测量的绝对误差应小于 0 ，l ： 畸变频谱幅值准确度2 d b( f 5 0 k h z ) 2 4 2 模数变换器位数 般应不低于1 2 b it ，已达到测试分辨率的要求； 2 4 3 采样频率 测试设备阿采样频率应按被测参数的特点与测试准确度的要求确定；但以下各 项必须达到以下各款所规定的最低要求。 1 稳态交、直流电流 测试稳态交、直流电流的采样频率应不低于2 0 k h z 。 2 稳态时的交流电压、稳态交流电压、稳态直流电压 测试稳态时的交流电压、稳态交流电压、稳态直流电压的采样频率应不低于 7 2 k h z 。 2 交、直流瞬态电压参数与直流电压脉动幅值 测试交、直流瞬态电压参数与直流电压脉动幅值的采样频率应不低于2 0 0 k h z 。 3 交、宜流电压的畸变频谱 测试交直流电压畸变频谱的采样频率应不低于1 m h z 。 2 4 4 同时采样要求 为了满足对某些参数同时进行测试的要求，如在测试电压相位移、功率因数测 试时，设备应有实现同时对这些参数进行采样的措施。 为了保证对三项交流电压、三项交流电流的同时采样，测试设备的通道数一般 应不少于6 路。 2 5 系统扩展功能及其主要性能指标 为了使整个系统的功能更加强大，应用面更广，而不是紧紧只限于飞机机载电 源性能参数的测试，本论文在完成上述基本功能的基础上又研发了以下四个模块： 虚拟数字示波器、动态信号分析仪、任意波形发生器、滤波器设计。从而构成了 一套功能更加强大，应用面更加广泛的基于虚拟仪器技术的信号产生及数据分析 处理系统。用户只要在自己的计算机中插入一块多功能数据采集卡，通过运行这 6 西北工业大学硕士学位论文 套软件中的不同模块，即可完成五个仪器的功能，从而使计算机可以象“电视机 换频道”一样实现“一机多用”。下面分别介绍各个功能模块的主要性能指标。 2 5 1 四通道数字示波器 采样率可变，采样率最高2 m s s ： 电压量程范围1 0 m y 格1 0 v 格； 同时支持w i n d o w s9 5 9 8 和w i n d o w sn t 的超强图形用户介面： 具有单次捕捉功能，能捕捉瞬态信号； 具备多种触发方式； 可将波形数据存储到文件中或从文件中读出数据； 可打印显示波形； 能进行自动设置： 内置功率谱分析； 可测量任一通道的交流有效值、直流偏移、信号频率及周期等：并具有光 标定位测量功能： 可显示局部波形： 具有缩放显示窗口功能： 2 5 2 动态信号分析仪 支持w i n d o w s9 5 9 8 和w i n d o w sn t 的超强图形用户介面； 可以角度弧度两种方式显示相位； 可进行幅度谱、功率谱、互功率谱、频率响应、脉冲响应等处理； 可存储、读取或打印显示波形； 8 种窗函数可选： 可以线性或对数方式显示波形或谱图； 可用光标测量任意一点的值和任意两点间的差。 动态信号分析仪有两个显示窗口，上面的窗口显示第l ( 2 ) 通道的时域波形， 下面的窗口可作为第1 ( 2 ) 通道的时域波形、幅度谱、功率谱、谐波分析显 示，可显示第1 、2 通道之间的互功率谱。 2 5 3 任意波形发生器( y a w g ) 最高更新率1 m ； 可产生正弦、方波、三角波和锯齿波等： 可产生任意波形( 用户自定义) ： 1 7 西北工业大学硕士学位论文 可编辑、存、取波形库中的波形； 可单次或连续产生波形； 同时支持w i n d o w s9 5 9 8 和w i n d o w sn t 的超强图形用户介面。 2 5 4 滤波器设计 可设计满足给定参数要求的f i r 和ii r 型滤波器； 可设计带通、带阻、高通、高阻四种类型滤波器； 可以图形显示所设计滤波器的幅度响应和相位响应； 8 种窗函数可选； 可以线性或对数方式显示波形： 同时支持w i n d o w s9 5 9 8 和w i n d o w sn t 的超强图形用户介面。 西北工业大学硕士学位论文 第三章硬件系统的实现 3 1 系统总体方案的设计 由第一章中所述可知，虚拟仪器的硬件平台由计算机和其i 0 接口设备两部 分组成。根据i 0 接口设备总线类型的不同，虚拟仪器的构成方式主要有五种： p c - - d a o p c i 插卡式虚拟仪器系统、v x l 总线虚拟仪器系统、串口总线虚拟仪器系 统和p x i 总线虚拟仪器测试系统。p c d a q p c i 插卡式虚拟仪器系统是虚拟仪器最 基本最廉价的构成形式。它充分利用了p c 计算机的机箱、总线、电源及软件资源， 并且因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途广泛，特 别适合于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。 在本系统种决定采用p c d a q p c i 插卡式虚拟仪器系统。系统硬件构成如图3 1 所示。 簋主l _ 能l 一 鎏芟l 一_计算机 传感! 模块c j7登i 处理 单元r 1模块i 7 系统 图3 1 硬件系统构成图 从图中可以看出硬件系统包括以下四部分： a ) 信号传感单元：将外界输入的非电压信号转换成电压信号，送给信号调理 模块处理。 协信号调理模块：将输入的电压信号放大滤波后转换成适合数据采集模块采 集的信号，并送入数据采集模块。还能对数据采集模块输出的模拟信号进 行放大和滤波后输出。 c ) 数据采集模块：对输入的经调理过的信号进行a d 转换，并送入计算机进 行处理。还可对计算机输出的信号产生数据进行d a 转换，产生模拟信号 并输出给信号调理模块。 d ) 计算机处理系统：管理应用程序与用户的交互，对输入数据进行分析计算， 显示并打印所得结果，还可产生用来进行d a 转换的数字信号。 系统的实物连接图如图3 2 所示 1 9 西北工业大学硕士学位论文 图3 2 系统实物连接图 3 2 系统各个构成部分具体实现 3 2 1 传感器模块 传感器完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用输出信号。被测参量 可以是各种非电气参量，如压力、温度、加速度等，也可以是电气量，如电力输 电线路电网电压及电量等。高压电网通过高压互感器将电网高电压变为i o o v 电 压，通过电流互感器将电网大电流变为5 a 电流后再采用电压、电流传感器或变送 器将1 0 0 v 、5 a 分别转换成5 v 低电压送到虚拟仪器。 3 2 2 信号调理模块 现有八路信号等待采集。其中六路用于实现本系统的基本功能模块的数据采 集需要，另两路用于实现扩展功能的数据采集。用于基本功能的三路大电压信号 需分压，另外三路小电流信号经过电阻后转换成小电压信号。由于基本功能模块 测试的对象是飞机的三项交流稳压电源，电压信号的范围已知。因此，为了使此 电压信号经调理后的范围与数据采集卡的输入要求范围接近使得电压信号采集后 的误差最小，于是这几路信号的放大电路采用固定增益的放大器。扩展功能模块 由于希望它的适用面能很广，所以用于扩展功能模块的两路信号的输入电压范围 应很广而且可调。因此，此两路信号的放大电路选择了增益可调的集成仪用放大 器a d 5 2 4 。用四选一模拟开关m a x 4 6 1 8 分别使a d 5 2 4 的r g l 、g 1 0 、g 1 0 0 、g 1 0 0 0 与r g 2 连通，由a d 5 2 4 内部结构可知，此时放大器的增益分别为l 、1 0 、1 0 0 和 1 0 0 0 。八路信号分别处理后通过双通道多路模拟开关将八路信号两两输出，分别 进行滤波后传输给后端的数据采集模块。由数据采集模块选择一路信号进行采集 或同时对两路信号进行同步采样。整个信号调理模块的电路原理方框图如图3 3 所 示。 其中六路信号固定增益放大器采用了美国国家半导体公司的高速放大器 l m l l 8 。l m l l 8 是一款应用于要求宽带和高摆率条件下的高速放大器。工作电源 1 5 v ：小信号带宽可达1 5 m h z ，完全可满足被测信号的带宽要求：摆率可达 2 n 西北工业大学硕士学位论文 5 0 v i x s ；具有内置频率增益补偿：输入输出具有过载保护。这些特点都可以满足 本项目的应用要求。 a 相电压 b 相电压 c 相电压 a 相电流 b 相电流 c 相电漉 j 嚣1 ： lj l 1 低通1 分压i， 一j 滤渡r i 一 六路l- 信号f 放大l 。 双通 。k j 嚣f： 道 r 淀教r 多路 i j 转换i模拟 开关 一路电压 1 两踌 1 增益 一路电压 -可变 信号 增益控制岛 放大 图