1、鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 页基于 Lab VIEW 的电机实验检测系统摘 要虚拟仪器（Virtual Instrument）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。利用虚拟仪器开发电机参数检测系统是本文的主要任务。被检测的电机参数包括电压、电流、温度等，电机性能的好坏取决于参数是否符合标准。论文介绍了电机参数测量的原理和利用 LabVIEW 进行系统设计。本论文分析了当前虚拟仪器的发展现状后，研究了应用于电工实验教学的虚拟电机参数检测系统：选择 PC-DAQ方式构成虚拟仪器检测系统、图形化
2、编程语言 LabVIEW 作为软件开发平台，完成了虚拟仪器检测试系统的设计。在硬件电路设计中，信号调理电路和数据采集卡是整个检测系统的不可缺少的部分。软件部分是本文设计的重点，本文着重于模块化的设计思路详细介绍了数据存储、读取与参数计算等模块的设计。文章最后，提出了虚拟仪器设计有待进一步研究的主要问题。关键词：电机参数，LabVIEW，检测鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 I 页Experiment detection system of electric machine based on LabVIEWAbstractVirtual instrument (VI) is a great
3、 new production what is based on integrating computer hardware and software in addition bus technology with measuring and instrumentation technology. Exploiting the detection system of electromechanical parametric with virtual instrument is primary task of the paper. Electromechanical parameters whi
4、ch should be detected include voltage 、electrical current、temperature etc. The stand or fall of electromechanical character depended on that satisfy the standard or not. In this paper, the theory of electromechanical parameter measurement and the design way of the system with LabVIEW was introduced.
5、 After the VIs actuality was analysed, a virtual electric parameter measuring system applying to electrical experiment teaching was researched; The PC-DAQ mode was selected to constitute the VI measuring system. And the graphical programming language LabVIEW was used as software development platform
6、. A specimen of the virtual measuring system had completed. During the design of hardware circuit, the signal conditioning circuit and the DAQ card is important to whole systems indispensable department. The matters which need attention in doing printed circuit board were showed. About the software,
7、 the idea of modularized design was emphasized in this paper. Many program modules were introduced in details, including the data storage with reading, parametric counting and so on. The conclusion and recommendations was presented in the end of the paper.Keywords: Electrical Parameter，LabVIEW ，Dete
8、ction鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 II 页目录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪 论 .11.1 虚拟仪器及 LABVIEW 概念 .11.2 LABVIEW 的特点及发展前景 .31.3 课题意义及任务 .42 系统总体结构设计 .52.1 LABVIEW 测试系统及设计指标 .52.1.1 虚拟仪器的系统构成 .52.1.2 系统的设计指标 .62.2 系统测量原理 .62.2.1 交流电气参数的测量原理 .72.2.2 L、R 、C 参数测量原理 .103 虚拟仪器（LABVIEW）的系统平台设计 .123.1 虚拟仪器（LABVIEW）的硬件平台设计 .123.1
9、.1 信号调理及数据库采集卡 .123.1.2 GPIB(General Purpose Interface Bus)系统 .133.1.3 VXI（VME BUS Xtension for Instrumentation）总线 .143.1.4 串行总线 .143.2 虚拟仪器（LABVIEW）的软件平台设计 .143.2.1 程序模块设计 .143.2.2 数据存储与读取 .153.2.3 参量计算 .164 调试和运行 .184.1 调试 .18鞍山科技大学本科生毕业设计( 论文) 第 III 页4.2 运行 .19结 论 .20致 谢 .21参考文献 .22附录 A 英文文献 .23附
10、录 B 中文译文 .29鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 0 页1 绪 论测量仪器发展至今，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。20 世纪 80 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虚拟仪器（Virtual Instrument）的出现。1.1 虚拟仪器及 LabVIEW 概念虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上、功能由用户设计和定义、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。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
11、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 I/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。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232
12、和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率
13、。LabVIEW 的工作面板如图 1.1、图 1.2 所示。鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 1 页图1.1 LabVIEW VI(虚拟仪器)前面板图1.2 LabVIEW VI(虚拟仪器 ) 后面板鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 2 页1.2 LabVIEW 的特点及发展前景同传统仪器相比较，虚拟仪器具有以下特点：1、LabVIEW 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的函数库和开发工具库。2、LabVIEW 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器” ，即“VIs” 。在计算机显示屏幕上利用函数库和开发工具库产生一个前面板（Front Panel） ；在后台则是利用
14、图形化的编程语言编制用于控制前面板的框图程序。程序的前面板具有与传统仪器相类似的界面，可接受用户的鼠标和键盘指令。3、LabVIEW 是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于 GPIB 设备控制、VXI 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储的应用程序模块。4、LabVIEW 可方便地调用 Windows 动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；LabVIEW 还提供了 CIN (C Interface Node)节点使得用户可以使用由 C 或 C+语言，如 ANSI C 编译的程序模块，使得 LabVIEW 成为一个开放的开发平台。LabVIEW 还直接支
15、持动态数据交换（DDE ） 、结构化查询语言（SQL） 、TCP 和 UDP网络协议等。此外，LabVIEW 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便地设置断点，动态地执行程序，从而非常直观地观察数据的传输过程，以及方便地调试。表 1.1 虚拟仪器与传统仪器的对比虚拟仪器 传统仪器开发和维护费用低 开发和维护费用高技术更新周期短（0.51 年） 技术更新周期长（510 年）软件是关键 硬件是关键价格低 价格昂贵开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置 固定可用网络联络周边各仪器 只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输 功能单一，操作不便综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个
16、重要因素。计算机是动力，软件是核心，鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 3 页高质量的 A/D 采集卡及调理放大器与传感器是基础。 20 世纪 80 年代美国国家仪器公司(National Instruments Corporation 简称 NI)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。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。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
17、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。1.3 课题意义及任务近年来，随着计算机技术的飞速发展，电动机计算机辅助测试（CAT）系统在电机行业得到了普及。基于计算机的电机性能测试也逐步取代传统的手动操作式电机检测，并向着自动化智能化的方向发展。然而，基于传统开发平台的电动机自动检测系统，往往面临开发周期长、成本高、兼容性和扩展性弱的不足，从而也阻碍了电动机自动检测系统的广泛应用。 现在通过虚拟仪器应
18、用软件将计算机与标准化虚拟仪器硬件结合起来，实现传统仪器功能的软件化与模块化，以达到自动检测与分析的目的。利用虚拟仪器技术用户可以通过图形化的编程环境和操作界面，轻松完成对待测对象的信号调理、过程控制、数据采集、分析、显示和存储等功能，大大缩短了系统开发周期；同时由于采用了标准化的虚拟仪器软硬件，测试系统的兼容性和扩展性也得到了很大程度的增强；此外，虚拟仪器技术的灵活性强和可重用度高，且易于升级和维护，用户甚至可以使用现有硬件组成另一套测试系统，从而减少不必要的重复投资，降低系统的开发成本。本课题开发了电机参数实验检测系统的部分工作，实现了三相交流电压电流有效值、有功功率、无功功率，功率因数等
19、常见电气参数的测量，并实现了标准值、测量值之间的比较功能。总体任务如下：1、 电机参数实验检测系统的总体结构设计。2、信号调理电路的设计及实现。鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 4 页3、数据采集卡 I/O 驱动程序。4、基于 LabVIEW 的电机参数实验检测系统应用程序编程。2 系统总体结构设计2.1 LabVIEW 测试系统及设计指标2.1.1 虚拟仪器的系统构成系统由信号调理电路、数据采集卡、计算机及应用软件四部分组成。调理电路分为直流调理电路、交流调理电路、L、R、C 调理电路，分别用来测量直流电压、电流；三相交流电压、电流、功率、功率因数；电感、电阻、电容。虚拟仪器测试系统框
20、图如图 2.1 所示。图 2.1 虚拟仪器系统虚拟仪器系统的工作过程：先把由传感器获取的电信号输入系统的信号调理电路，经信号调理电路进行放大、滤波，再经数据采集卡存入内存，然后对采集到的数据进行数据分析和处理。1、传感器。传感器完成信号的获取后，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，也可以是电气参量。如电力输电线高电压电网，可通过电压互感器将高电压变为 100 V 电压、通过电流互感器将电网大电流变为 5 A 后，仍需采用电压、电流传感器或变送器再将 100 V 电压及 5 A 电流分别转换成 5 V 低电压，然后送入数据采集卡中的 A/D 转换器。2、信号调理。来
21、自传感器的输出信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。因此，后面配接的信号调理电路的基本作用有两个：一是放大，将信号放大到与数据采集卡中的 A/D 转换器相适配；二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，即 420 mA 电流信号，则称这种信号调理电路为变送器。此外，根据需要还可进行信号隔离与变换等。3、数据采集卡。主要功能有：（1）由衰减器和增益可控放大器进行量程自动改换；（2）由多路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样，时间连续信号 x(t) 经鞍山科技大学本科生毕业设计(论文) 第 5 页过采样后变为离散时间序列
22、 x(n)，n=0 ，1，2；（3）将信号的采样值由 A/D 转换器转换为幅值离散化的数字量，或由 V/F 转换器转换为脉冲频率以适应计算机工作。4、LabVIEW 软件平台。LabVIEW 软件平台是系统的神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软件导引下按规定的程序自动进行信号采集与存储，自动进行数据的运算分析与处理，以适当形式输出、显示或记录测量结果。2.1.2 系统的设计指标频率和电压是电能生产与消费部门进行电能质量检验的必备指标。交流电在一秒钟内正弦参量交变的次数称为频率(frequency )，其单位为赫兹( Hz )。频率是对单位时间内连续变量进行的计量，要求被测系
23、统是一个相对稳定的动态系统。交流电力系统的标称频率(specified frequency)有 50 Hz 和 60 Hz 两种，我国交流电网采用的是50Hz。（2.1）%10()sff式中： 为频率偏差， 为实际频率， 为为标准频率。ffs（2.2）10()NU式中： 为电压偏差， 为实际电压， 为标准电压。U国标 GB/T15945-1995电力系统频率允许偏差 规定，设备允许的频率偏差为1%。国标 GB 12325-90电能质量供电电压允许偏差规定，35 kV 及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的 10%，10 kV 及以下三相供电电压允许偏差7% . 220 V 单相供电电压允许偏差+7% 、10% 。 系统的设计指标为：(1) 电能计量0.5%；(2)电压测量范围 190420 V，测量误差 0.2%；(3)电流测量范围 0600 A，测量误差 0.2%；(4) 相位测量范围 0 ，测9量误差0.2%；(5)频率测量范围 4852 Hz，测量误差0.1%；(6) 功率因数测量范围01.0， 测量误差0.2%。
