虚拟相位差测量仪的设计(电气工程及其自动化优秀毕业设计)

毕业设计（论文）题目虚拟相位差测量仪的设计学院电气与电子工程学院专业电气工程及其自动化学生姓名指导教师摘要本题目属于应用设计类，设计内容包括相位差检测的方法（相关分析法、频谱分析法、过零检测法等）研究；多种方法在虚拟仪器设计平台上的仿真实现；采用各种方法的虚拟相位差测量仪的分析比较。论文采用三种方法中的前两种，比较两种方法设计成的仿真仪在测量波形相位差的精度和程序上的不同，通过相关资料了解它们在实际运用中各自的适用场所及其优缺点。充分了解虚拟仪器特别是LABVIEW的功能强大性。论文的第一部分是对虚拟仪器，主要是虚拟仪器的大体介绍和相位差测量仪的在工业上的应用；第二部分主要是对LABVIEW的简介和其运行的环境的概述；第三部分主要讲述本次课程设计中要用到LABVIEW中的功能函数以及相关法、频谱分析法等相位差测量方法原理；第四部分则列出本次课程设计要用到的LABVIEW的内容及各种方法在LABVIEW平台下的实现。最后是对本次设计的总结。关键词相关法、频谱分析法、过零检测法、相位计ABSTRACTTHETOPICISAPPLICATIONDESIGNCATEGORY,DESIGNELEMENTSINCLUDEPHASEDIFFERENCEDETECTIONMETHODCORRELATIONANALYSIS,SPECTRUMANALYSIS,ZEROCROSSINGDETECTION,ETCVARIOUSMETHODSINTHEDESIGNOFVIRTUALINSTRUMENTPLATFORMSIMULATIONUSINGVARIOUSMETHODSOFVIRTUALPHASEMETERANALYZEDPAPERSUSINGTHREEMETHODSOFTHEFORMERTWOCOMPARINGTHETWOMETHODSDESIGNEDINSTRUMENTINTHESIMULATIONWAVEFORMMEASUREMENTACCURACYANDTHEPHASEDIFFERENCEOFTHEDIFFERENTPROCEDURES,THROUGHTHERELEVANTINFORMATIONONTHEPRACTICALAPPLICATIONOFTHEIRRESPECTIVEPLACESOFAPPLICATIONANDTHEIRADVANTAGESANDDISADVANTAGESFULLYAWAREOFVIRTUALINSTRUMENTS,ESPECIALLYLABVIEWPOWERFULNATUREAMONGTHEFIRSTPARTOFTHEVIRTUALINSTRUMENT,ISTHEMAINDESIGNOFTHISPHASEDIFFERENCEMEASURINGINSTRUMENTOFINDUSTRIALAPPLICATIONSTHESECONDPARTWASTOBRIEFTHELABVIEWANDITSOPERATINGENVIRONMENTOVERVIEWTHETHIRDPARTMAINLYONTHECURRENTCURRICULUMDESIGN,THEUSEOFRELATEDLAWS,SUCHASSPECTRUMANALYSISPHASEDIFFERENCEMEASUREMENTPRINCIPLEPARTIVSETSOUTTHECOURSEOFTHEDESIGNLABVIEWUSEOFTHECONTENTANDMETHODSINLABVIEWPLATFORMACHIEVEDKEYWORDSCORRELATION,SPECTRUMANALYSIS,ZEROCROSSINGDETECTION,PHASEMETER目录第一章引言111高效的软件112模块化的I/O硬件213用于集成的软硬件平台2第二章相位差测量仪的概述521相位差的定义522相位差测量仪的应用5第三章编程软件LABVIEW的简介531LABVIEW的概述632LABVIEW的应用7321LABVIEW应用于测试与测量7322LABVIEW应用于过程控制和工业自动化7323LABVIEW应用于实验室研究与自动化733LABVIEW的编程环境8第四章相位差测量方法原理简介1041相关法测量相位差原理1042频谱分析法测量相位差原理1243零点检测法测量相位差原理13第五章测量相位差方法在LABVIEW中的应用1551设计中常用控件功能简介15511数据类型15512结构15513数学运算18514比较运算18515簇20516波形显示控件2152基于相关原理的虚拟相位差的设计23521基于相关法虚拟相位差计主程序流程图23522LABVIEW平台下软件的实现2353利用FFT函数的相位计简单设计2554基于频谱分析原理的虚拟相位差的设计27541虚拟频谱分析法测量相位差计的实现27542虚拟频谱分析法测量相位差存在的问题及解决方法3055各种测量方法的比较31结论32参考文献34致谢及声明35附图（频谱分析法的程序框图）第一章引言信号的相位差测量仪在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用。传统电子模拟式相位差测量采用乘法器法，二极管鉴相法等，有硬件电路完成。电路的温漂，噪声级干扰信号，都会导致测量结果产生误差，因此，传统的相位差检测方法正逐渐被软件测量方法所替代，通过软件算法来消除温漂，噪声及干扰信号的影响，使测量结果更加精确。1995年我们开始接触NI公司的产品，2000年建立了一个用于教学的虚拟仪器实验室。在该实验室中，使用自己开发的虚拟仪器开设了几个实验，并融入电路实验课程，然后又转向为全校的本科生和研究生开设虚拟仪器设计课程。虚拟仪器是以其技术与计算机技术深层次结合的产物，它强调“软件就是仪器”的概念，用户能够根据自己的需要定义仪器功能，更好的组建自己所需要的测试系统。它是按照“信号的调整与采集（ADC），数据的分析与处理（DSP），结果的输出（DAC）及显示”的结构模式来建立通用仪器硬件平台，在这个通用硬件仪器平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。虚拟仪器（VIRTUALINSTRUMENTION）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的结构反映了常见的虚拟仪器方案。被测对象信号处理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。虚拟仪器技术的三大组成部分11高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。NI公司提供的行业标准图形化编程软件LABVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，NI提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SIGNALEXPRESS、用于传统C语言的LABWINDOWS/CVI、针对微软VISUALSTUDIO的MEASUREMENTSTUDIO等等，均可满足客户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。12模块化的I/O硬件面对如今日益复杂的测试测量应用，NI提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI,PXI,PCMCIA,USB或者是1394总线，NI都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。NI高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。目前，NI已经达到了每2个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用户的选择面例如NI新近推出的新一代数据采集设备先期推出的20款M系列DAQ卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。13用于集成的软硬件平台NI首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由NI发起的PXI系统联盟现已吸引了68家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近千种。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。虚拟仪器技术的四大优势1性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。2扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。3开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。4无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。虚拟仪器的主要特点有尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。目前，美国的NI公司和HP公司在虚拟仪器的研究方面处于领先地位，购买其虚拟仪器产品必将有助于我们的科研和教学工作，但价格非常昂贵。因此，根据自己的需要自行研究和开发虚拟仪器显得尤为重要。利用计算机的强大功能采用LABVIEW82图形编程语言，设计了一种方便使用的相位差计。该仪器的主要特点如下采用了LABVIEW作为开发平台，软件编程方便、简洁、效率高；利用数据采集卡采集数据可测量两个同频信号的相位差；在现有的基础上，通过改变软件的设计，可以实现别的仪器的功能。如虚拟函数发生器、虚拟示波器等。相信随着计算机技术和测控技术的不断发展，虚拟仪器将成为未来教学科研的重要方法和手段，将取代传统一起成为测量仪器的主流。第二章相位差测量仪的概述21相位差的定义相位差两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流电动势，也可以是这三种量中的任何两个。例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如果电路是纯电阻，那么交流电压和电流电流的相位差等于零。也就是说交流电压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流也变到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的，也就是说一般是不同相的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压，这两者的相位差正好等于180。这种情况叫做反相位，或者叫做反相。22相位差测量仪的应用信号的相位差测量仪在电工技术，工业自动化，智能控制，通讯及电子技术等许多领域都有着广泛的应用。随着计算机和软，硬件的日益发展。在测试系统中越来越得到广泛的应用。比如在实际工作中，常常会遇到两列频率相同的信号之间存在相位差，那么就需要测量他们之间的相位差，电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时要精确测量两列工频信号之间的相位差。相位差测量在动态测试，如振动和噪声控制，传感器的校准，以及超声测距和成像等领域越来越重要。第三章编程软件LABVIEW的简介随着测试技术及大规模集成电路技术的发展，传统的电子测试仪器己从模拟技术向数字技术发展；从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展；从完全由硬件实现仪器功能向软硬结合方向发展；从功能组合向以个人计算机为核心构成通用测试平台、功能模块及软件包形式的自动测试系统发展。同时，随着计算机技术的不断提高，现代自动测试系统正向仪器的自动化、智能化、小型化、网络化和综合化方向发展。虚拟仪器的出现给现代测试技术带来了一场革命，虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科的最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形化软件编程于一身，实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化和网络化，体现出多功能、低成本、应用灵活、操作方便等优点，在很多领域大有取代传统仪器的趋势，成为当代仪器发展的一个重要方向，并受到各国企业界的高度重视。所谓虚拟仪器（VIRTUALINSTRUMENT，简称VI），就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用虚拟仪器软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集、分析、处理，测量结果（数据、波形）和仪器工作状态都可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。31LABVIEW的概述LABVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LABORATORYVIRTUALINSTRUMENTENGINEERINGWORKBENCH）的简称，是美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS,简称NI）的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究和工业自动化领域广泛存在的实际任务。在20世纪80年代初计算机出现之前，几乎所有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控制测试系统，这些功能单一、价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通讯端口来控制总线仪器。后来，随着PC机的出现，工程师和科学家找到一种通过性能价格比高的通用PC机控制台式仪器的方法，各种基于PC机接口的板卡产品便应运而生。32LABVIEW的应用LABVIEW在包括航天、通讯、生物医学、电子、地球物理、机械等各个领域内得到广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现应用LABVIEW的成果和开发产品。321LABVIEW应用于测试与测量LABVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，通过GPIB、VXI、PLC串行设备和插卡数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过INTERNET、ACTIVEX、DDE和SQL等交互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。322LABVIEW应用于过程控制和工业自动化LABVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程的控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。对于更为复杂、更专业的工业自动化领域，在LABVIEW基础上发展起来的BRIDGEVIEW是更好的选择。323LABVIEW应用于实验室研究与自动化LABVIEW为科学家和工程师提供功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算机和分析需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设备等高级或特殊分析场合，LABVIEW也为此提供专门的附加软件包。33LABVIEW的编程环境LABVIEW模板与一般的程序相比，LABVIEW提供了三个浮动的图形化工具模板，分别是工具模板、控制模板和功能模板。这三个模板功能强大，使用方便，表示直观，是用户编程的主要工具。（1）工具模板工具模板包括操作工具，定位工具，标注工具，连线工具，弹出菜单工具，滚动工具断点工具探针工具，颜色工具和颜色拷贝工具。通过这样的工具，就用于VI的创建、修改和调试。（2）控件模板控件模板按功能分类，每个工具图标双包含一系列子模板。控件模板功能强大，通过这些子模板可以找到创建程序所需的所有对象工具。使用控制模板可以给前面板增加输入控件和输出指示器。子模板包括数值子模板、布尔子模板、字符串子模板、列表和环子模板、数组和簇子模板、路径和参考名子模板、图形子模板、装饰子模板、用户控制子模板、控制子模板和AXTIVEX子模板。（3）功能模板使用功能模板可创建框图程序模板上每一个顶层图标都表示一个子模板。LABVIEW框图编程的所有函数按照功能分类都分布在功能模板的子模板里。每个子模板的内容及操作是LABVIEW编程最基本、最重要的内容。功能模板包括下列子模板结构子模板、数值运算子模板、布尔逻辑子模板、字符串子模板、数组子模板、簇子模板、比较子模板、时间和对话框子模板、文件输入/输出子模板、仪器输入/输出子模板、通信子模板、数据采集子模板、分析功能子模板、示教课程子模板、高级功能子模板、选择VI子程序子模板、用户库子模板、应用控制子模板和仪器驱动子模板。通过这些功能子模板，可实现所有LABVIEW的应用功能。第四章相位差测量方法原理简介41相关法相位差测量相位差原理1根据互相关函数特性求出两信号的初相位两信号的互相关函数不是偶函数，根据其定义可证RXY明，此式说明，互相关函数与两信号的相位差RXY和延迟量有关，当时，就只与两信号的相位差00有关基于此可求出设。式中SINSINXTATYBTA，B分别是被测信号的幅值，就是两信号之间的相Y,位差根据相关函数的定义，的估计值为R10SINI10SINI12ICOSSINCOSI0SI2TRXYXTYATBTDTTRXYXTYATBTDTTTTABTDTXYDT当时，有上式中第项的积分为零,所以有ARCOSAB,TRXY由此可求出两信号的相位差为2或式中，可由自相关函数求出。2由自相关函数求出的幅值根据户相关函数的性质，当延迟量时，自相关函数取0得最大值，且唯一与信号的幅值有关。根据自相关函数的定义，函数的自相关函数的估计值为XT222101SIN00AB0ARC,0,TRXXTDTTATTARXYTRXYOSXTY当时，有所以得同理求出函数的幅值为2当求出，后即可求出相位差为式中分别是在时的估计值其函2100100TRXXTDYYTTXXTD数表达式可写为3）互相关函数的离散表达式当用计算机进行处理时，必须对被测信号进行采样，连续信号变为离散时间序列。连续信号T,1,2XNK变为离散时间序列。计算相关函数的积YT,Y分表达式变为求和式，可表示为01KKNKRYXX式中为采样点数42频谱分析法测量相位差原理该方法是通过对被检测信号进行频谱分析，获得信号的相频特性，然后计算两信号在主频率处的差值即可测得两个信号的相位差。在有限区间内，绝对可积的任一周期函数可以展,TTXT开成傅里叶级数01011COSINISIN,2COSIN,ARCTNNNNXTATBTATTTABXTTDTTTB其中为傅里叶系数为次谐波的初相位其中基波的初相位为以上计算的意义在于一个周期信号可以用一个直流分量和一系列谐波的线性叠加来表示，只要求处傅里叶系数和即可求出任一谐波的初相位，而在相位差测量中只NABN要求出基波的初相位即可。在以计算机为核心的虚拟测试仪中，模拟信号在进入XT计算机前先经采样器将连续信号变为离散时间信号，而后再经过A/D转换器变为离散信号。设在周期函数的一个周期内有N个采样点，且每两个采样点间的时间相同，则有101122COSNKKKXBINARCT对于两个周期信号函数和，他们的基波傅里叶系1XT2T数分别为01122011212COSCOSNKKNKKKBINARTKXBINARCT则的基波分量与的基波分量的相位差为1XTT21ARTB43零点检测法测量相位差原理过零检测法的基本原理可以有式（1）来表示，其中T为被测信号的周期，为被测信号过零点的时间差，相应的TA相位差为A（1）T360T这种相位差测量的方法多基于传统的硬件电路实现。在虚拟仪器系统中，相位差测量的信号是A/D采样后的离散信号，不能用（1）式计算，通常是采用对A/D采样后的信号进行数字处理后计算得到（2），（3）。设为被测信号的F频率，为A/D的采样频率，则一个周期内的采样点数SF，而相邻两个采样点之间的相位差N（2）360SFT假设用两个数组来保存两列信号的信息，信号U1的首次过零点对应数组的第I个元素，数组U2的首次过零点对应数组的第J个元素，这样式（1）中的就对应为数组元TA素的序号差。则式（1）就变为式（3）所示3360SFJIJIAA第五章相位差测量方法在LABVIEW中的应用51设计中常用控件功能简介511数据类型LABVIEW的数据类型与传统编程语言中的数据类型基本相似，除了一般的数据类型之外，还有一些独特的数据类型。LABVIEW中的数据类型包括数字型NUMERIC、布尔型即逻辑型，BOOLEAN和字符串型STRING；构造数据类型包括数组和簇；其他数据类型包括枚举（REFNUM）、空类型等等。数字类型的前面板对象包含在控制模板NUMERIC子模板中，传统的数据类型分为变量和常量两种，在某种意义上，LABVIEW的数据也可以这么分，NUMERIC子模板中的前面板对象就相当于传统编程语言中的数字变量，。LABVIEW的子模板包括多种不同形式的控制和指示，它们的外观各不相同，人数字量、滚动条、水箱、温度计、旋钮、表头、刻度盘以及颜色框等，但本质是完全相同的，都是数字型，只是外观不同而已。在LABVIEW中布尔型数据即逻辑型数据，它的值为真TRUE或假FALSE，或者为1或0。布尔型前面板对象包含在控制模板BOOLEAN子模板中。模板中有不同有布尔前面板对象，如不同形状的按钮、指示灯和开关等，这都是从实际仪器的开关、按钮演化来的，十分形象。采用布尔按钮可以设计出逼真的虚拟仪器前面板。与数字类型相似，这些不同的布尔控制也是外观不同，内涵相同，都是布尔型，只有0和1两个值。512结构FOR循环是LABVIEW最基本的结构之一，它执行指定次数的循环，相当于语言中的FOR循环FORI0INILABVIEW中的FOR循环可从框图功能模板FUNCTIONSTRUCTURE子模板中创建。大多数情况下，用户使用FOR循环处理数组。这是因为LABVIEW已经知道了元素的个数，而且自动变址功能会为用户自动处理迭代用户所要做的所有事情是将数组装入循环，迭代次数会与数组中的元素的个数相等。移位寄存器（REGISTER）和框架通道（CHANNEL）两个独具特色的新概念。移位寄存器的功能是将第I1,I2,I3次循环的计算结果保存在FOR循环的缓冲区内，并在第I次循环时将这些数据从循环框架左侧的移位寄存器中送出，供循环框架内的节点使用。在循环框架上的右键弹出菜单中选择ADDSHITREGISTER创建。框架通道是FOR循环与循环外部数据交换的数据通道，其功能是在FOR循环开始运行前，将循环外其他节点产生的数据送至循环内，供循环框架内的节点使用。还可以在FOR循环运行结束时将循环框架内节点产生的数据送至循环外，供循环外的节点使用。用连线工具将数据连线从循环框架内直接拖至循环框架外，LABVIEW会自动生成一个框架通道。框架通道有两面三刀种属性有索引ENABLEINDEXING和无索引DISABLEINDEXINGFOR循环执行的是包含在循环框架内的程序节点。其重复端口相当于C语言FOR中的I，初始值为0，每次循环递增步长为1。而且，重复端口的初始和步长在LABVIEW中是固定不变的，若要用到不同的初始值或步长，可对重复端口产生的数据进行一定的数据运算，也可用到移位寄存器来实现。CASE选择结构，相当于C语言中的SWITCH语句SWITCH表达式CASE常量表达式1语句1；CASE常量表达式2语句2；CASE常量表达式N语句N；DEFAULT语句N1；在某种意义上还相当于C语言的IF语句IF条件判断表达式ELSE语句选择结构可从框图程序中的功能模板FUNCTIONSTRUCTURE中创建。最基本的选择结构是由选择框架（CASEFRAME）、选择端口（SELECTIONTERMINAL）、框架标识符DIAGRAMIDENTIFIER以及递增/递减按钮INCREMENT/DECREMENTBUTTON组成。在选择结构中，选择端口相当于上述C语言SWITCH语句中的“表达式”，框图表示符相当于“表达式N”。编程时，将外部控制条件连接至选择端口上，程序运行时，选择端口会判断送来的控制条件，引导选择结构执行相应框架中的内容。为与选择框架外交换数据，选择结构也有框架通道。选择结构的边框通道与FOR循环相类似，但有其自身特点。当外部数据连接到选择框架上供其内部节点使用时，选择结构的每一个子框架都能从该通道中获得输入的外部数据；当选择结构内部的数据需通过框架通道送至外部时，必需在每一个子框架中都连接一个同数据类型的数据到同一个框架通道上。这主要是因为选择结构执行时是根据外部控制条件从其所有的子框架中选择其一执行的，子框架选择非此即彼，所以每一个子框架都必需连接一个数据。对于一个框架通道，一个子框架中如果没有连接数据，那么在根据控制执行到这个子框架时，框架通道便没有向外输出数据来源程序就会出错。LABVIEW选择结构与其他语言的选择结构相比，简洁明了，结构简单，不但相当于SWITCH语句，还可以实现IFELSE语句功能。513数学运算LABVIEW的数学运算功能主要由功能模板NUMERIC子模板中的节点完成。NUMERIC模板由基本的数学运算节点，类型转换节点、三角函数节点、对数节点复数节点和附加常数节点组成。基本数学运算节点不仅实现加、减、乘、除等基本运算，还可以实现求整、开方、求幂、数组求和、求积和复合运算等功能。基本运算节点支持数值输入。但与一般编程语言提供的运算符相比，LABVIEW的数学运算节点功能更强，使用更灵活，它不仅支持单一的数值量输入，还可以支持处理同类型的复合型数值量，比如由数值量构成的数组、簇和簇数组等。数值类型包括浮点数、整数和复数。模板中的TRIGONOMETRIC子模板可实现各种三角函数运算，该模板中的节点均心为弧度为单位。节点的输入可以是数字标量、数字量的数组或簇、数字量的簇的数组。该模板包括了大部份常用三角函节点，如SINX、COSX、TANX、ARCSINX、ARCTANX等。基本运算模板还可以通过类型转换节点在各种不同的数据类型之间进行转换，通过对数节点和复数节点进行对数与复数的运算。514比较运算比较运算就是通常所说的关系运算，比较运算节点包含在COMPARISON子模板中。中LABVIEW中可以进行以下几种类型的比较数字值的比较、布尔值的比较字符串的比较以用簇的比较。比较节点在比较两个数字值时，会先将其转换为同要类型的数字。两个布尔值比较时，TURE比FALSE值大。字符串的比较是按照字符在ASCII表中的等价数字进行比较的。创建一个数组，可从控制模板中的ARRAYCLUSTER子模板中创建。但这时只不过是一个数组框架，不包含任何内容，再根据需要将相应数据类型的前面板对象放入数组框架中，更得所需的数组类型。当有一串数据需要处理时，它们很可能是一个数组，大多数的数组是一维数组，少数是二维数组，极少数为三维数组。在LABVIEW上可以创建数字类型、字符串类型、布尔类型以及其他任何数据类型的数组。数组常由LOOP循环来创建，其中，其中FOR循环是最佳的，因为在循环开始时它已经分配好了内存。数组是LABVIEW中常用的数据类型之一，与其他编程语言相比，LABVIEW中的数组更加灵活，独具特色。数组由三部份组成数据类型、数据索引和数据。另外，数组在创建之初都是一维数组，如果要用到二维以上的数组，用鼠标在索引显示的左下角向下拖动，或者在数组的右键弹出菜单中选择ADDDIMENSION即可添加数组维数。对于一个数组进行操作，无非是求数组的长度、对数、对数据排序、取出数组中的元素、替换数组中的元素或初始化数组等各种运算。传统语言编程主要依靠各种数组函数来实现这些运算，而在LABVIEW中，这些函数是以功能函数节点形式表现的。下面介绍一下常用的功能1ARRAYSIZE返回输入数组的长度。其输入为一个N维数组，输出为该数组各维包含元素的个数。2INDEXARRAY返回输入数组中由输入索引指定的元素。当输入数组为一维数组时，节点返回的是数组中与输入索引对应的元素。当输入数组是N维数组时，索引端口（INDEXTERMINALS）的个数必需与数组的维数相对应3RESHAPEARRAY改变数组的维数。输出数组的维数由节点图标左侧DEMISSIONSIZE端口的个数决定。如把一个一维数组转换成二维数组。4INITIALIZEARRAY初始化数组。节点的输入输出端口与数组的定义有关。数组的维数由节点左侧DIMENSIONSIZE端口的个数决定，数组中所有元素都相同，均等于输入的ELEMENT值。5BUILDARRAY建立一个新数组。节点将从左侧端口输入的元素功数组按从上到下的顺序组成一个新数组。6ARRAYMAXMIN返回输入数组中的最大值和最小值，以及它们在数组中所在的位置。数组可以是任意维的，当数组中有多个元素同为最大值或最小值时，节点只返回第一个最大值或最少值所在的位置。515簇（）创建簇控制和显示在前面板上放置一个簇壳（CLUSTERSHELL）就创建了一个簇。然后你可以将前面板上的任何对象放在簇中。例如数组，你也可以直接从CONTROL工具板上直接拖取对象堆放到簇中。一个簇中的对象必须全部是CONTROL，或全是INDICATOR，不能在同一个簇中组合CONTROL与INDICATOR，因为簇本身的属性必须是其中之一。一个簇将是CONTROL或INDICATOR，取决于其内的第一个对象的状态。如果需要可以使用工具重置簇的大小。右图所示是一个含个CONTROL的簇。也可以在流程图上用类似的方法创建簇常数。如果你要求簇严格地符合簇内对象的大小，可在簇的边界上弹出快速菜单选择自动定义大小（AUTOSIZING）簇的序（ORDER）簇的元素有一个序，它与簇内元素的位置无关。簇内第一个元素的序为0，第二个是1，等等。如果你删除了一个元素，序号将自动调整。如果你想将一个簇与另一个簇连接，这两个簇的序和类型必须同一。如果想改变簇内元素的序，可在快速菜单中选择REORDERCONTROLSINCLASTER，这时会出现一个窗口，在该窗口内可以修改序。（）使用簇与子VI传递数据一个VI的连接窗口最大有28个端子，如果你不希望使用全部28个端子传递数据，这既烦琐又易出错。通过把控制或显示对象捆绑成一个簇的方法，仅使用一个端子就可以实现该功能。捆绑（BUNDLE）数据BUNDLE功能将分散的元件集合为一个新的簇，或允许你重置一个已有的簇中的元素。可以用位置工具拖曳其图标的右下角以增加输入端子的个数。最终簇的序是取决于被捆绑的输入的顺序。右图中BUNDLE图标中部的CLASTER端子用于用新元素重置原簇中的元素。分解（UNBUNDLE）簇UNBUNDLE功能是BUNDLE的逆过程，它将一个簇分解为若干分离的元件。如果你要对一个簇分解，就必须知道它的元素的个数。LABVIEW还提供一种可以根据元素的名字来捆绑或分解簇的方法，稍后介绍。516波形显示控件LABVIEW是以模拟真实仪器操作面板提供了强在的交互式界面设计功能。传统的仪器仪表中，除了最简单的数码显示外，能够显示测量信号波形和仪器工作状态的CRT荧光屏正在广泛应用，包括数字示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等，这些高级的仪器都必需具备实时图形显示能力。一幅精心设计的画面为用户提供的信息量，远远超过完全由数字或文字组成的报告。因此能够将大量测量数据转换为意义明确的显示曲线或三维图形的控件是设计虚拟仪器所必需的。按照处理测量数据的方式和显示过程的不同，LABVIEW波形显示控件主要分为两大类，一类为事后记录呼（GRAPH）,另一类为实时趋势图（CHART），这两类控件都是用来对波形或图形进行显示的，它们的区别在于两面三刀者的数据组织方式及波形刷新方式不，同。结于事后记录图GRAPH方式来说，它的基本数据结构为数组，也就是就GRAPH显示是将构成数组的全部测量数据一次显示完成；而实时趋势图CHART方式是实时显示一个或几个测量数据，而且新接收数据点要接在原有波形的后面连续显示。它的基本数据结构是数据标量，也可以是数组。显示控件包括事后记录波形控件WAVEFORMGRAPH、实时趋势图控件WAVEFORMCHART、XY波形记录控件（XYGRAPH）、密度图形显示控件INTENSITYGRAPH、密度趋势控件INTENSITYCHART等XY波形记录控制器（XYGRAPH）是一次完成波形显示刷新，XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化，所以它的输入数据结构是由两个数组打包构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X、Y坐标。52基于相关原理的虚拟相位差的设计521基于相关法虚拟相位差计主程序流程图本程序的核心是实现对的计算，其中需调用计算的子程序，而在LABVIEW平台上，计算RX0,Y,X0的子程序均可以直接从函数库中调用原码模块，无需用户编写，主程序的流程图如图（5）所示。（图51）相关法计测量相位差的主流程图522LABVIEW平台下软件的实现虚拟相位差计有软件控制信号的采集，并进行处理和结果显示。软件的设计可分为3个模块进行，他们是数据采集模块、相关函数计算模块、波形和数据显示模块。由于数据采集子VI与具体的采集板（卡）有关，在此用LABVIEW自带的信号发生器模拟采集到的信号，信号发生器的节点位置在FUNCTIONSIGNALPROCESSIONSIGNALGENERATIONSINEPATTERNVI，这里也可以用任意信号波形发生器来代替。设计完毕的仪器前面板和框图程序见图52和（53），在仪器的前面板中可模拟真是仪器，用鼠标任意改变2个波形的幅值、初相位、周期和采样点数等，然后运行即可显示波形和相位差。（图52）虚拟相关分析法相位差的前面板注意LABVIEW中使用的自相关和互相关函数计算公式稍有不同，从数组序列取出RX0,RY0,RXY0时，不是对应K0处，例如当取样点数为101时，对应的RX0,RY0,RXY0的点应是RX100,RY100,RXY100，在框图中应作相应处理。以下是相关法测量相位差的程序框图，如图所示先放置两个任意波形发生器用来产生波形，在后面再安置两个自相关函数处理器用来计算它们的自相关函数，之后根据相关法原理经过一系列计算得到显示值在前面板输出。对于两个波形的互相关函数处理部分除了要将它们输入到互相关函数处理器进行处理外，还要根据相关法原理将他们进行公式处理，这里用到了公式结点，先定义变量，再将要输出的两信号差进而实现相应的运算，将相位差有弧度转化为角度表示。（图53）虚拟相关分析法相位差的程序框图53利用FFT函数的相位计简单设计首先使用两个FORMULAWAVEFORM（这里也可以使用基本信号发生器）函数产生两个波形，他们的参数频率和信号类型用一个控件控制，这样保证了两个信号波形的相应参数是一样的；相位则分别设定，幅值取默认值1。两个波形分别送到相同配置的FFTSPECTRUMMAGPHASE函数中，就得到了他们的幅频和相频特性。注意，通过对该函数的VIEW参数的设置，可保证输出的相位单位是度。输出的4个簇可以直接送给GRAPH显示，为了计算相位差，需要先从这些簇中提取出数组。设计出来的前面板和程序框图如下图所示，可以看到此种方法明显要比上面的相关法测量相位差结构简单的多。（图54）利用FFT函数求相位差的前面板（图55）利用FFT函数求相位差的程序框图由前面板可以看出，相频谱是比较乱的，有一些不应该出现的谱线混杂其中。该程序的算法是用在幅值数组中找到的索引号为索引，到相位数组中找对应的相位，对两个波形都这样处理，然后相减得到相位差。另外，需要说明的是，对于两个非正旋周期信号，这里所说的相位差是指其基波的相位差。54基于频谱分析原理的虚拟相位差的设计541虚拟频谱分析法测量相位差计的实现虚拟频谱分析法测量相位差计的程序流程答题为先对两个同频率的纤毫和采样得到时间系列（K0,1,2,N1XT2T1），再分别求出各自的基波分量。程序流程如图（57）所示。用LABVIEW编程语言来实现图（56）所示流程需要包括两部分的设计，即前面板和程序框图设计。（图56）虚拟频谱分析法测量相位差的前面板在面板中需要放置的控件有1个输出显示型数字控件，用来显示相位差测量结果，单位为度；3个输出波形显示器，用于观察两个信号的信号波形；3个数字控件，用于设置采样点数、采样频率、信号频率3个参量；4个数字控件，分别用于设置两个正旋波的幅值和相位。频谱分析法相位差测量仪设计的流程图如下（图57）频谱分析法测量相位差主程序流程图（完整图见附图）（图58）虚拟频谱分析法测量相位差的部分框图程序在程序框图的设计中调用的函数有4个ARRAY子模板上的INDEXARRAY图标，分别用来获取信号1系数A11、B11的数值和信号2系数A21、B2的数值，通过公式计算出相位差；4对移位寄存1122ARCTRCTNBB器，用于实现循环体内外数据的传递；为得到相位差，调入反正切函数，并进而实现相应的运算，将相位差有弧度转化为角度表示。设计完成的部分框图如图（58）所示。542虚拟频谱分析法测量相位差存在的问题及解决方法该虚拟相位差计虽然是求出两个同频率信号的相位差，但实际上是频谱分析，只是求基频分量而已。用计算机进行谱分析已有成熟的软件，问题在于如何选取采样间隔TS或采样频率、采样点数N和截取长度，以保证一定的精度。时域无限长信号被截断相当于原函数乘以矩阵窗函数，窗外时域信息全部损失，从而导致时域频谱丢失，即泄漏。不同长度的窗函数泄漏情况也不同。为防止泄漏引入的误差，应使窗长等于信号周期的倍数。在虚拟相位计的主程序中，确定一个周期内的N个采样值，这是减小测量误差的基本保证。55各种测量方法的比较我通过各种相位差的方法相关分析法、频谱分析法和过零检测法等方法的比较，查阅相关资料，设计了解到1）相关法精度较高，特别适用于电网信号受到较大干扰的情况下。编程方法简单易懂，设计出的相位计非常实用。2）频谱分析法准确度较高，解决了谐波对测量结果的影响，因此可消除温漂、噪声及干扰信号的影响。软件编程方便、简洁、效率高，研发周期短，成本低，并且具有友好的用户界面，操作简单、实用。3）过零检测法简单高效，更适用于不同的采样频率。采用均值滤波法和线性插值检测零点法以及多次双向过零检测求平均的算法，从而提高了系统的精度。过零检测法结合LABVIEW中强大的图形化显示界面和功能强大的程序语言C语言，在LABVIEW平台上实现过程明显要比以上两