（电力电子与电力传动专业论文）基于labview的虚拟谐波测试仪的设计.pdf

a b s t r a c t v i r t u a l m a c h i n e s ( ) i s ac o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c e q u i p m e n ta r i s i n gf r o mt h ec o m b i n a t i o no fan e we q u i p m e n t i t se s s e n c ei sa k i n do fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mb a s e do nh a r d w a r ep l a t f o r mo fc o m m o n c o m p u t e r , d e f i n e db yt h eu s e r so fi t st e s tf u n c t i o n s ，t e s t e db ys o f t w a r et o a c h i e v ei t sf u n c t i o n i ti saf u n d a m e n t a lc o n c e p to f u p d a t e dm a c h i n e s a n dh a s t h eu n m a t c h e da d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a l e q u i p m e n t i tr e p r e s e n t st h e e m e r g e n c eo ft h el a t e s td e v e l o p m e n t so ft h ea p p a r a t u so ft h et r e n da n d d i r e c t i o n 。 a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yk i n g so f t e s t i n ge q u i p m e r i ti nt h em a r k e t b u t m o s to ft h ee q u i p m e n te x i s ta s i n g l ef u n c t i o n ，l i m i t e dt e s ta c c u r a c y , h i g hc o s t o ft h ed e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c ea n d l o n gp r o d u c t i o nc y c l e ，c u m b e r s o m e o fp r o d u c t i o nt e s t i n ga n dm a i n t e n a n c ea n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sn e s s a r yt o d e v e l o pah a r m o n i ct e s te q u i p m e n to fah i g h - p r e c i s i o n ，m u l t i f u n c t i o n a la n d s c a l a b i l i t y d e v e l o p m e n to fa v i r t u a lh a r m o n i ct e s t e r , c a n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ee l e c t r i c a lt e s t i n ga p p a r a t u s i th a s s i g n i f i c a n ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s 。 t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e ri sav i r t u a lh a r m o n i cd e s i g na n d d e v e l o p m e n tt e s t i n g f i r s t l y , p a p e rs e t so u tt h es t u d yo ft h es t a t u sq u oa t h o m ea n da b r o a d , a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r m o n i cd e t e c t i o n t e c h n o l o g y t h i st e s t st h en e s s a r yo fs t u d y i n gt h eh a r m o n i cd e t e c t i o nd e v i c e s s e c o n g l y , t h ep a p e rg i v e sas i n g l ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n t s ， a n dd o e sab r i e fi n t r o d u c t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m s i no r d e rt og e tb e t t e ra p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt o c o m p l e t et h ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i ct e s t e r , t h ep r o c e s so fd a t ac o l l e c t i o n a n dh a r m o n i ca n a l y s i sa l g o r i t h mi ss u m m a r i z e di nt h i sa r t i c l e 。t h ev i r t u a l h a r m o n i ct e s t e ri ss u c c e s s f u l yr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db yu s i n gc o n l l t l o n c o m p u t e r , l a b v 王e wa n da d v a n t e c hb o a r d t h ev i r t u a lh a r m o n i ct e s t e rc a nb e c o m p l e t e d i nr e a l t i m ed a t a a c q u i s i t i o n ，d i s p l a y , s t o r a g e a n df u r t h e r p r o c e s s i n g t h et e s t e ra l s oc a nb er e a l i z e dt h ed e t e r m i n a t i o no fs y s t e m i l l p a r 锄e t e r s ，m er e s u l t so fa n a l y s i s ，d a t a r e t e n t i o na n do t h e rf u n c t l o n s i nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e ，t h ep r i n c i p l e o fz e r o _ c r o s s l n g d e t e c t i o nt 0a c h i e v ef r e q u e n c yt r a c k i n gi sa d o p t e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t s 幽o w 曲硝豳e 脚e 曲o dc a nb ea p p l i e dt ot h ef r e q u e n c yo f s u b - t e s t s ，a n dc a n a c c u r a t e l yd e t e c tt h ef r e q u e n c yo ft h ec u r r e n ts i g n a l i nt h i sp a p e r , w ea d o p t t h es e c o n ds a m p l i n gm e t h o d sa n ds o f t w a r ef i l t e r i n gt e c h n o l o g y , i no r d e r t o r e l u c en l en o n ，s y n c h r o n o u ss a m p l i n ge r r o r sa n dn o i s e t h i s n o to n l ym a k e s f u l lu s eo ft h ec o m p u t e rd a t a p r o c e s s i n gf u n c t i o na n de f f e c t i v es u p p r e s s l o n o f t h es p e c t r u ml e a k a g e , b u ta l s oe n s u r et h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n ds l m p l l t y l t h eh a r d w a r e k 州。r d s ：m mi i l s t m m e n t ；d a t aa c q u i s i t i o n ；h 锄。n i c a n a l y s i s ；f f t ； i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 翮躲圈 日期：珥篁! 兰! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、 交通及家庭中的应用日益广泛，各种电力电子装置的应用日益广泛，谐波造成的危 害也日趋严重。公用电网中的谐波电压和谐波电流是电网环境最严重的一种污染， 谐波已成为影响电能质量的公害【1 1 。近些年来公用电网的谐波污染日益严重，谐波危 害的严重性才引起人们的关注。 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，对谐波的检测就显得尤为 重要。虽然目前市场上的谐波测试仪器种类繁多，但是都存在以下几方面不足【2 】： 1 功能单一性问题 当前谐波参数的测试设备大多功能单一，因此每次试验均需携带大量的测试设 备。同时，在现场试验过程中需要记录大量的数据，为设备的运行情况分析也带来 了诸多不便，工作效率较低。 2 测试精度保证问题 谐波参数测试设备为满足测试精度的要求，需定期送检。传统的仪器仪表由于 元器件老化，会出现精度漂移现象。常规单功能测试仪器在出现这种现象时，检定 或使用人员一般无法对仪器进行校准，必须通过厂家才能解决。 3 开发周期与开发费用问题 开发周期与开发费用问题常规仪器在开发过程必须经历硬件设计和调试这两 个过程，仪器一旦调试好，不同仪器间的资源一般无法相互利用，造成开发周期长、 成本高。同时对己研制成功的设备，一般无法满足用户的需求变化，一旦用户要求 变更对现有功能进行改进，开发人员可能需要重新对其进行开发。 4 服务问题 测试设备在用户使用过程中出现损坏情况，一般需厂家协助处理解决，但是由 于现有的单一功能设备，许多功能或测试精度的保证是通过硬件实现的，因此一般 很难在现场解决问题。同时一旦厂家出现更新产品，一般也无法对用户设备进行升 级，要么重新购买，要么进行更换，造成不必要的资源浪费。 5 生产调试问题 常规的谐波参数测试仪器，不同功能的设备在硬件、结构等方面差异很大，因 此生产调试的工作量很大，而且对调试人员的专业理论知识要求也高，需要调试人 基于l a b v i e w 的虚拟谐波测试仪的设计 员掌握专门的理论知识，以及仪器原理，不同器件的特性等。 鉴于以上原因，进行虚拟谐波测试仪的研制，为用户制造一种统一的综合多功 能测试设备，以解决传统的单功能谐波测试仪在上述方面存在的不足。 所以，进行基于虚拟仪器的谐波分析仪乃至多功能谐波测试设备的研制和开发 是非常必要的。进行虚拟谐波测试的的开发具有以下诸多社会经济意义【3 】： 1 测试成本的降低 由于虚拟仪器采用软件代替硬件，实现仪器的信号处理、结果表达和仪器控制， 构建测试系统的硬件大大简化，测试成本大幅度降低。 2 测试效率的提高 虚拟仪器常采用总线仪器模块构建，计算机可方便地直接通过总线控制仪器模 块，这将为实现自动测试提供很大的方便。所有的虚拟仪器系统都是自动测试系统， 所有测试工作都是在计算机控制下自动完成的，这样大大提高了测试工作的效率。 由于虚拟仪器系统采用通用的软件操作系统，例如：w i n d o w s 9 8 ，w i n d o w s 2 0 0 0 ， w i n d o w s n t ，w i n d o w s x p 等，可利用大量的现有软件资源，为测试数据的进一步处 理、存贮和传输提供了方便。 3 测试系统更加紧凑 由于虚拟仪器大多采用总线式结构，一个机箱能插入多块仪器卡，例如：p x i 总线机箱能同时插入8 块卡，即：一个机箱能集成最多8 个仪器。这样，为了完成 某一项测试任务而组建的测试系统，体积大大缩小了，结构更加紧凑。据某项论证 研究，某型导弹技术保障车辆的计量现需要约5 0 台传统仪器，而采用虚拟仪器技术， 仅需一套p x i 总线仪器系统即可完成，这套系统可便携。这样，传统的实验室计量 模式也就转变为伴随计量或靠前计量模式。 4 远程测试 虚拟仪器充分利用了计算机技术，也包括计算机网络技术，因此，虚拟仪器能 够方便地利用互联网实现远程测试。军事装备越来越复杂，对测试工作的要求也越 来越高，为了保证作战装备的正常工作，有时，需要远程战场支援，当然也包括远 程测试，虚拟仪器与传统仪器相比，能够更方便有效地支持远程测试或网络测试。 5 仪器可以定制或自制 虚拟仪器的测试功能是用软件实现的，因此，可根据用户的不同实际需要，从 2 第一章绪论 系统集成商处订制仪器，也可自制仪器。这样，面对临时性的测试任务，就能很快 地组建测试系统。 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求 测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面，虚拟仪器正可以实现这些要求，与 传统仪器相比，它更具优势。 1 2 谐波问题的提出 近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空前加 剧。为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮。电力系统也是一种“环境”， 也面临着污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的一种污 染。 谐波对公用电网和其它系统的危害大致可以归纳如下m l ： 1 使电网中的元器件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热增 加，过载能力、使用寿命和效率降低，产生脉动矩阵。另外降低了发电、输电及用 电设备的效率，大量的3 次谐波电流流过中性线会导致中线过热甚至发生火灾。 2 谐波电流在输电线路上的压降会使用户端的电压波形产生严重的畸变，影响 电气设备的正常工作。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化，寿命缩短，一 直损坏。 3 容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐 振，造成过压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。据统计，由于谐 波问题引起的电容故障占电容总故障的7 1 一8 3 。 4 导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准，影响计量精 度。 5 谐波一般通过电容耦合、电磁感应及电气传导三种对临近的通信系统产生干 扰，载频低的信号受影响更大。轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失， 使通信系统无法正常工作，甚至会发生危及设备和人身安全的事故。 因此，谐波研究对于减轻直至消除这些危害，对于供电和用电设备的节能，乃 至于对整个社会能源利用率的提高，都具有极其重要的意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 谐波研究现状 电力系统的谐波，最早是2 0 世纪二三十年代期间，在德国，由于使用汞弧静止 3 基于l a b v i e w 的虚拟谐波测试仪的设计 变流器造成波形畸变，才开始引起人们的注意。此后，关于汞弧静止变流器产生谐 波的经典论文是j cr e a d 于1 9 4 5 年发表的文章，其结论至今仍为工程界所广泛使用。 到了五六十年代，由于高压直流输电技术的发展，推动了变流器谐波研究的进 一步深入。在e w k i m b a r k 所著的书中对这些论文进行了详细的总结和论述。 七八十年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、各工业部门以及家庭和民用事业中的应用日益广泛，其产生的谐波以及造成的 危害日益严重，使世界各国对谐波问题都给予了十分关心和重视。 1 9 8 2 年，英国的c l a r k e 和s t o c k t o n 通过对同步采样功率测量方法进行了深入的 研究，给出了当测信号含有谐波时，谐波对测量误差的影响。 我国对谐波问题的研究起步较晚。不过近年来许多专家学者参与和致力于谐波 问题的研究，已经发表了许多有影响的著作，并在谐波研究的理论和实践与理论的结 合两方面均取得了较大的成就，这对于我国谐波研究工作的进一步深入和发展有重 大的意义和帮助。 从八十代起，我国也开始了对交流数字采样技术的研究。1 9 8 4 年戴先中博士提 出了准同步采样法，其方法在理论上可使功率测量的准确度达到和理想同步采样近 似的程度。九十年代初潘文提出了一种加窗函数法，采用这种方法可以从很大程度 上提高测量准确度。 从1 9 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议( i c h p s ) ，为这个领 域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作的深入开展1 7 1 。 1 3 2 谐波检测仪器的发展 谐波检测仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组 成，发展至今可大体分为：模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器。 1 模拟仪器 模拟仪器主要是以模拟技术来检测信号。这一阶段仪器的基本结构是电磁机械 式的，主要功能是借助指针来显示测量结果。如指针式万用表、晶体管电压表等都 属于模拟仪器。模拟化检测系统特点是功能单一，仪器的结构复杂，测量精度低， 自动化程度低。 2 数字仪器 数字仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果。 这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。数字化检测特点是：响应 时间短、测量精度高、读取数据简单快捷、容易与计算机技术结合。但是它和模拟 4 第一章绪论 化检测存在者相同的缺陷。 3 以计算机为核心的智能仪器 仪器仪器内置微处理器，既能进行自动检测又具有一定的数据处理能力，可以 取代部分的脑力劳动习惯上称之为智能仪器。其功能块以硬件或固化软件的形式 存在。近年来，智能化测量控制仪器的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种 多样智能化测量仪器，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进 行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字p i d 和各种复杂控制规律的智能式 调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。但相对虚拟仅 器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 4 以软件为核心的虚拟仪器 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及 图形用户界面的软件组成的检测系统，是一种通过软件来实现仪器的部分或全部功 能虚拟仪器是传统测量观念的一次巨大变革，也是谐波参数监测发展的一个重要方 向。在虚拟仪嚣系统中，数据分析和显示完全用p c 机的软件来完成。因此使用同 一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可 见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”。 楼撤仪器智能仪器 要参一画 1 引_鬯 ， 。 ， 虞拟仪器 囤1 l 杈器的发展形态 f i g ll m o r p h o l o g i c a ld e v e l o p m e m o f i n s t r u m e n t s 虚拟仪器与智能仪器的区别：传统的智能仪器主要是在仪器技术中用了某种计 算机技术，而虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段( 图1 1 仪器的发展形态) ，它则强 调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、 通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统 的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。 目前在国内外，对谐波进行检测与分析时，绝大部分采用第三代测试仪器一智 能仪器，这种仪器的设计需要花费大量的时间和精力在程序代码的编写上。其设各 基于l a b v i e w 的虚拟谐波测试仪的设计 主要利用数字技术和硬件来实现。其功能固定，在检测不同指标时，需要更换相应 硬件，大大增加了体积和成本，而且给仪器的升级带来不便，与其它设备的连接也 受限，而且价格昂贵，技术更新慢，开发和维护费用高。 虚拟仪器的出现，改变了这一现状。虚拟仪器是2 0 世纪9 0 年代以来随着计算机 技术、测量仪器技术和软件技术的进步而逐渐发展起来的新的仪器概念。它是一种 具有图形化的逼真面板和必要的仪器硬件以及通信功能的测量系统 虚拟仪器通过计算机完成对仪器的控制、数据采集、数据分析及显示等，它具 有结构简单、一机多用、高智能化及精度高等特点。它利用计算机系统的强大功能， 结合相应的硬件，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使 用户可以方便地对其进行维护、扩展和升级，利用强大的计算机软件来实现原来需 要大量硬件才能实现的测试功能，既节省了成本又便于以后升级。因此，采用虚拟 仪器技术开发研制谐波测试仪，是今后谐波测试仪的发展趋势。 1 4 5 本文研究意义与内容 1 4 1 本文研究意义 虽然谐波问题己经逐渐引起关注，但国内外对谐波测量和分析装置的研制与所 要求达到的水平还有一定的差距。因此，研制一种高精度、多测量参数、数据存储 量大的集在线测试和分析于一体的可扩展的谐波装置势在必行，而这也正是本论文 所完成的基于虚拟仪器的谐波分析仪所要达到的目标。 虚拟仪器是一种具有虚拟仪器面板的新一代所谓“智能化测量控制仪表 。它 由通用p c 机、模块化功能硬件和控制软件构成。操作人员可通过其友好的图形化用 户界面以及图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测信号的数 据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据存储、数据回放以及 控制输出等功能。对于实时性高、测试要求多样的电力系统测试来说，将虚拟仪器 “软件即仪器 的设计思想应用于谐波测试仪的开发与研制将具有重要意义，它使 得测试仪可以充分利用标准的硬件和软件资源，使用户通过一种测试仪器完成大型 电力设备的多种项目试验，并且减少了由于硬件电路工艺结构差异带来的误差，可 显著提高电力测试仪器的技术水平和测试质量与效率，同时又能提高产品质量和电 力测试服务质量，具有显著的社会效益和经济效益【8 j 。 本论文的工作围绕基于虚拟仪器技术的谐波分析仪的设计这一课题展开。针对 国内谐波测试仪存在许多问题的现状，提出了基于虚拟仪器技术的谐波分析仪的设 6 第一章绪论 计方案。利用u s b 接口数据采集器对所测信号进行数据采集，谐波分析采用基于傅 立叶变换的谐波测量方法，构成了虚拟谐波分析仪。 因此，对电网中的谐波含量进行实时测量，确切掌握电网中谐波的实际状况， 对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。研究谐波分析仪的价值在 于可采用它对各种负荷产生的谐波进行测量、分析，使运行人员及时掌握谐波产生 的时间、地点、原因及规律，并在生产运行中采取适当的措施【9 】。 1 4 2 本文研究内容 论文章节安排和主要内容如下： 第一章绪论 介绍了课题提出的背景，国内外谐波研究的现状以及谐波检测仪器的发展现状。 第二章虚拟仪器概述 介绍了虚拟谐波分析仪所依据的虚拟仪器的概念及虚拟仪器的软硬件系统构成 还介绍了谐波检测仪器的发展现状。其中对数据采集卡的结构和性能指标做了重点 介绍，介绍了本仪器所采用的采集卡p c i 1 7 1 2 的功能特点。 第三章数据采集和谐波分析理论 详细阐述本课题主要依据的理论：包括数据采集的理论基础和谐波分析等相关 理论。其中，重点介绍了对谐波测量程中非同步采样、频谱混叠引起的误差处理办 法。 第四章谐波测试仪的软件设计 详细的介绍本仪器的软件设计过程。其中对系统的总体设计方案、本仪器应用 的多线程技术以及各模块的前面板和框图设计程序做了重点介绍。 第五章实验和误差分析 主要进行了仿真实验和在实验室进行实验系统参数的测量，以验证程序的可行 性，并对测量结果进行误差分析。 第六章结论与展望 在本章中，我对本论文完成的工作做了客观的总结和评价。 7 基于l a b v i e w 的虚拟谐波测试仪的设计 第二章虚拟仪器概述 2 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器概念最先由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，简称 n i ) 在2 0 世纪8 0 年代年提出。所谓虚拟仪器，就是以计算机为硬件平台，由用户定 义设计其功能，由测试软件来实现其测试功能，用计算机显示器的显示功能来模拟 传统仪器的控制面板的一种计算机系统【1 0 1 。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就 如同使用一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。 虚拟仪器实质是把计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合来实现仪器的功能 运作。在其主导产品l a b v i e w 中将图形化语言加以实现，较完善地结合了图形的美 观易用和文本语言的强大灵活。虚拟仪器技术已被越来越多的科学工作者所认同， 它在许多方面已经突破传统仪器的概念，仪器的功能和作用已经发生了质的变化。 虚拟仪器与传统仪器的比较见表2 1 【1 1 1 。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b 2 1v i r t u a lm a c h i n e sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件，系统升级成本高，而且要关键是软件，系统升级方便，可通过 上门进行升级服务，开发周期长网络下载升级程序，开发周期短 开发与维护的费用高开发与维护的费用低 技术更新周期长( 周期一般为5 1 0 年)技术更新周期短( 周期一般为l - 2 年) 价格低，并且可重用性和可配置性强， 价格高、体积较大体积较小，便于携带和野外工作 厂商定义仪器功能用户定义仪器功能 系统封闭固定系统开放灵活与计算机的进步同步 不易与其它设备连接极易与其它设备连接 2 2 虚拟仪器组成 虚拟仪器由软件和硬件两部分组成，突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式。 用具有测试软件的计算机实现传统电子仪器的功能。 虚拟仪器的核心思想即“软件即是仪器 。即使本来由硬件实现的功能由软件 8 第二章虚拟仪器概述 来实现，以便最大限度地降低系统成本。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层包括三 部分：v i s a 库、驱动程序、应用软件。图2 1 虚拟仪器软件结构框架 1 2 - 1 3 】。以下对软 件结构的主要组成部分做简要说明。 1 v i s a ( v i m a i n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u e r ) 是英文虚拟仪器软件体系结构 的简称，它是一个位于低级v o 驱动程序和应用程序之间的软件层，它驻留于计算机 系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现 对仪器的程控。它的应用将会实现从应用程序开始按所有方式向下到低级仪器驱动 程序的编程调用。使用v i s a 时，即使仪器不是v x i 总线仪器，应用程序也可向任一 仪器发送命令；对于同一仪器，可消除整个工业界对许多特定语言低级驱动程序的大 量复制工作。 图2 。1 虚拟仪器软件结构框架 f 埝2 1v i r m a li m t n m l e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r ef r a m e w o r k 2 驱动程序即添加到操作系统中的一小块代码，其中包含有关硬件设备的信息。 有了此信息，计算机就可以与设备进行通信。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程 序，驱动程序是硬件厂商根据操作系统编写的配置文件，供应商以源码的形式提供给 用户。 3 应用软件：应用软件建立在驱动程序之上，是用户可以直接使用的各种程序 设计语言，以及用各种程序设计语言编制的应用程序的集合。操作用户在它提供的友 好的操作界面、丰富的数据处理功能下完成自动测试任务。 虚拟仪器的硬件是计算机和为其配置的各种传感器( 互感器) 、信号调理器、 数据采集器等。计算机及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件 平台的基础。 9 基于l a b v i e w 的虚拟 自波测试仪的设计 在基于计算机的测量系统测量到物理信号之前，需要通过传感器( 或转换器) 将物 理信号转换为电信号( 例如电压或电流) 。通常，不能像使用其他些独立仪器那样， 直接将信号接入计算机上的插入式d a q 卡中。在许多情况下，来自传感器的输出信 号是含有噪声的微弱信号或者是非电信号，如电流、电荷、电参量( 电阻、电容、电 感) 信号，这时，需要信号调节设备在插入式d a q 卡将所测量的信号转换为数字格式 前对其进行凋节。调理电路的基本作用有三个： 放大：将微弱电压信号放大。 转换：将非电压输出信号转换为电压信号。 滤波：滤除高频干扰，限制信号的最高频率f m a x 避免产生混淆和混叠。如果信 号调理电路输出的是规范化的标准信号，即4 2 0 m a 流信号( 经2 5 0 5 0 0 f 2 标准电阻 转换为1 - 5 w 2 1 0 v 标准电压信号) ，则称这种调理电路为变送器。 p c 机大家很熟悉，所以在这里主要介绍数据采集设备。本检测系统所用的采集 设备包括研华p c i 1 7 1 2 型数据采集卡、p c l 一1 0 1 6 8 屏蔽线、a d a m ，3 9 6 8 接线端子， 如下图22 所示。 2 2 2 2 2 2 1 i i 面：五面 垦雹垦垦窭垦墼窭窭匦雹 图22 采集设备连接图示 f i 9 2 2 l e o nc o l l e c t i o n d e v i c e s p c l 1 0 1 6 8 屏蔽电缆是专) 自p c i 一1 7 1 2 1 7 3 2 卡设计的6 8 - p i ns c s i i i 电缆，它有1 m 转换速度的1 2 位a d 转换器，以提高较高的抗噪声能力。为了达到更好的信号质量 单股的线被饶成双绞线，减少来自其他信号源的串扰和噪音。此外，它的模拟和数字 1 0 譬选 第二章虚拟仪器概述 线路分别护套屏蔽和消除电磁干扰电磁兼容等问题。 a d a m 3 9 6 8 接线端子为d i n 导轨安装的6 8 脚s c s i i i 接线端子。d 矾导轨安装的 低成本通用螺丝端子模块，用于带有5 0 脚接口的p c l a b c a r d s 板卡螺丝夹终端板允 许简单可靠的连接。 数据采集卡主要包括多路开关、放大器、采样保持器、a d 转换器四个部分， 它们都处在p c 的前向通道，是组成数据采集卡的主要部分，与其他相关电路，如定 时计数器、总线接口电路等，集成在一块印刷电路板上，完成对信号数据的采集、 放大及模数转换任务。很多数据采集卡电路板上，还装有数模转换器( d a ) ，它处 在p c 的后向输出通道，用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功 能。使用者在选择数据采集卡构成系统时，必须对数据采集卡的性能指标有所了解。 本文所用的研华p c i 1 7 1 2 是一款功能强大的低成本多功能p c i 总线数据采集卡。 它有1 m 转换速度的1 2 位a d 转换器，卡上带有f i f o 缓冲器( 可存储1 k a d 采样值和 3 2 k d a 转换数据) 。p c i 1 7 1 2 提供1 6 路单端或8 路差分的模拟量输入( 也可以单端差分 混合使用，2 路1 2 位d a 模拟量输出通道，6 路数字量输出通道，以及3 个1 0 m h z 时钟 的1 6 位多功能计数器通道【1 4 1 。 研华p c i 1 7 1 2 数据采集主要特点如下： 1 p c i 总线数据传输； 2 1 m s ，1 2 位高速多功能数据采集卡； 3 1 6 路单端或8 路差分模拟量输入，或组合输入方式； 4 1 2 位a d 转换器，采样速率可达1 m h z ； 5 模拟量输入通道的数据采集触发模式可使用预触发、后触发、匹配触发和延 时触发； 6 每个模拟量输入通道的增益可编程； 7 自动通道增益s d 木b u 峙j 描； 8 卡上带有用于a d 采样的1 kf i f o 和用于d a 输出的3 2 kf i f o ； 9 2 路1 2 位模拟量输出通道，可连续输出波形； 1 0 模拟量输入通道和输出通道自动校准； 1 1 1 6 路数字量输入通道和1 6 路数字量输出通道； 1 2 3 路1 6 位可编程多功能1 0 m h z 计数器定时器 基于l a b v i e w 的虚拟谐波测试仪的设计 2 3 虚拟仪器发展及动向 2 3 1 技术开发方面 虚拟仪器走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过1 0 多年的发展， 正沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模块化、硬件模块的即插即用化、编程 平台的图形化、可配置能力由软件至硬件的扩展化、虚拟仪器网络化等方向发展。 对于总线技术，目前国际研究的测试仪器总线包括【1 5 - 1 7 1 ：r s 2 3 2 串行总线、u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 总线、g p i b 总线、v x i 总线( 艮 i i e e e1 1 5 5 总线1 ) 、p x i 总线、 现场总线、工业以太网、l x i 总线技术。其中国外虚拟仪器所用i e e e1 3 9 4 总线的传 送速度已经达到l o o m b s 。p x i 总线的传输速率已经达到1 3 2 m b p s ( 最高为5 0 0 m b p s ) ， 是目前已经发布的最高传输速率。u s b 口和1 3 9 4 口由于传输速度快、可以热插拔、 联机使用方便的特点，很有发展前途，将成为未来虚拟仪器有巨大发展前景和广泛 市场的主流平台。2 0 0 5 年9 月l x i 联盟发布l x i ( l a n 的仪器扩展) 标准1 o 版本，标志着 测量仪器的新一代开放总线标准的到来【1 8 1 。新的商用硬件和软件技术不断提高了虚 拟仪器技术的性能以及它们所解决的应用挑战，尤其是p c 总线处理器的不断提高。 对于开发环境，也主要采用图形化编程语言，亦称g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) ， 包括【1 9 乏o 】：l a b v i e w 、h p v e e 、a g i l e n tv e e 、d a s y l a b 等。近几年，虚拟仪器在国 内也成为仪器仪表研究方面的热点，在总线技术和编程环境的研究上正向国际接轨， 其中v m i d s 系统，是目前重庆大学发明出一种零编程开发系统，是图形化编程语言 的一种。用户不需要任何编程知识和技能，便可获得自己需要的虚拟式仪器【2 l 】。而 且，美国国家仪器有限公司( n i ) 日前宣布推出l a b v i e w 图形化开发平台的一个升级 版本l a b v i e w8 6 ，提高了设计、控制和测试领域工程师的效率。该版本的发布 也包括对l a b v i e w 实时模块、l a b v i e wf p g a 模块、l a b v i e wp d a 模块，以及 l a b v i e w 数据记录和监控模块的升级。它将图形化编程方式扩展至测试和控制系 统，从机架式测试解决方案扩展到自动化设备网络。该版本提供了一个简化的、可 扩展的界面，用于在远程智能设备和系统( 例如实时处理器和f p g a ) 间进行通信和同 步。 如今，虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，在许多应用中它已成为传 统仪器的主要替代方式。随着p c 、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器 技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控 制方面得到强大的功能和灵活性。 1 2 第二章虚拟仪器概述 首先，可重复配置的计算通过软件定义了硬件性能，f p g a 的广泛使用使这种功 能成为主流的商用技术，将可重复配置的硬件应用到一个虚拟仪器系统，可以使用 软件来开发算法并将它们应用到一个嵌入式芯片中，从而把虚拟仪器软件的可配置 能力扩展至硬件，虚拟仪器技术进一步渗透到了设计领域【2 2 1 。这意味着更多的测试 和控制工程师们将有新的机会开发更加完善的实时的嵌入式系统。如n il a b v i e w r t ( 实时控制) 的软件即可以进行p c 上的开发，又可以实现实时控制的嵌入式应用 系统的开发。 其次，网际网络的潮流将资料共享带入了一个新的阶段，加速了虚拟仪器的网 络技术及远程监控技术的发展，而这些技术是传统独立仪器不可能实现的。虚拟仪 器技术可利用网际网络的功能，将来自测量或控制设备中的资料直接传送到w 曲网 页上，或是用掌上型的数字工具读取资料，甚至还可以将数据传输到手机上。使用 虚拟仪器技术，您可以使用网际网络的强大功能远距离控制仪器设备，或是与远在 其它办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目。网络技术应用到虚拟仪器领 域中也是虚拟仪器发展的大趋势。 由此来看，虚拟仪器的发展方向主要有一下几个方面： 1 功能强大灵活与开发简易直观的统一； 2 真实仪器外观和功能的仿真； 3 拟仪器可配置能力由软件至硬件的扩展； 4 网络化技术在虚拟仪器中的应用； 5 g 语言架构的完善，包括面向对象编程思想的应用。 总之，随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术的飞速发展，融合了计 算机技术的v i 技术，其内容会更丰富。 2 3 2 实际应用方面 虚拟仪器从概念诞生到现在，不过2 0 年的历史。国际上从1 9 8 8 年开始陆续有 虚拟产品面市，当时有五家制造商推出3 0 种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加， 到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂已达9 5 家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品，销售额 达2 9 3 亿美元，占整个仪器销售额7 6 亿美元的4 。据预测，2 l 世纪前1 0 年，虚 拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场潜力巨大。同时，我们能够 看到欧美，特别是美国企业在虚拟仪器开发平台上处于垄断地位，在市场上的状况 也同样如此。 目前，国外企业在中国虚拟仪器市场占据着绝大部分的市场份额。据统计，我 1 3 基于l a b v i e w 的虚拟谐波测试仪的设计 国进入“2 1 1 工程”的1 0 0 所高等院校有7 0 多所选用了国外公司的产品。限于美国在 虚拟测试测量及自动化领域的垄断地位，国内引进一套相关开发软件需要5 0 0 0 美元， 引进一套虚拟仪器硬件设备需要1 0 多万元人民币，采用其软硬件系统建设虚拟仪器 研究实验室更是价格不菲。 实际上，我国虚拟仪器的发展并不晚，几乎和国外领先企业处于同一时期。但 由于众所周知的原因，整个仪器行业，包括虚拟仪器发展在过去的2 0 年中，大部分 时间处于停滞阶段。好在以r i g o l 为代表的国内测试测量厂商已经意识到了这个问 题。在我国仪器仪表行业整体回暖的大环境下，虚拟仪器也得到发展，特别是以计 算机加数模转换及软件应用来实现传统仪器中的示波器、频谱分析仪等，有力打破 了国外企业垄断的市场局面，促进了国内仪器行业的全面繁荣。 虚拟仪器以其创新的概念，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现在测试系 统综合化、网络化、智能化发展趋势。因此，从工业自动化，到仪器产业改造，再 到实验室应用，国内近几年的应用需求急剧高涨，应用市场非常广泛【2 3 1 。 2 4 虚拟仪器开发语言l a b v i e w 简介 2 4 1 虚拟仪器开发环境简介 虚拟仪器软件开发环境大致可以分为两类【2 4 】： 一类是基于通用编程软件的开发环境，常用的有v i s u a lb a s i c 、v c 、v i s u a l s t u d i o n e t 、j a v a 、m a t l a b 、c + + b u i l d e r 等。用这类平台开发的虚拟仪器，用户需 要利用虚拟仪器中间开发平台经过二次开发，通过驱动程序将硬件设备连接到计算 机上，根据用户需求开发相应仪器控制功能