1、 硕士专业学位论文论文题目 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现王帆研究生姓名指导教师姓名专业名称研究方向论文提交日期姜小峰（副教授）计算机技术嵌入式应用2014年 4月基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 中文摘要基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现中文摘要过欠压保护器可以保护电器设备在一定的电网电压范围内正常工作，使电器设备不会在电压波动时性能受到影响甚至被永久性损坏，在工业上有着广泛的应用。针对某用户的具体需求，论文设计和实现了基于虚拟仪器技术的过欠压保护器功能测试系统。该系统在 LabWindows/CVI 软件平台的基础上，采用高精度模
2、 拟量数据采集板卡对所需测试信号进行实时采集，然后通过在线分析计算得到精确的过欠压保护器脱扣动作时间，以测试其功能是否符合规定。本文阐述了该系统的整体结构，从硬件和软件两方面介绍了系统的详细设计方案。论文完成工作和取得成果概括如下：（1）确定了系统需求，制定出满足系统需求的总体设计方案。（2）设计了系统硬件结构框图及相关电路图，完成数据采集卡、数字 I/O卡和测试电压源等硬件选型。（3）将系统软件结构划分为脱扣时间测量功能模块、系统初始化模块、设备底层控制模块、自动测试模块、用户登录管理模块、手动维护模块和数据库模块等七个部分，并进行了具体实现。（4）在上述工作基础上，构建系统测试平台，以用户
3、现场实际测试得到的数据验证了系统的正确性和有效性。该系统实际运行结果表明系统完全满足了用户各项技术要求，并已经投入到实际的生产应用中。系统的成功开发，为用户提高生产效率、保证产品质量提供了基础，同时也能为类似测试系统的研发提供较强的参考价值。关键词：虚拟仪器，过欠压保护器，数据采集与处理，模拟量，多线程作 者：王帆指导老师：姜小峰IAbstract Design and Implementation of Over/Under Voltage Protector Function Test System Based on Virtual InstrumentsDesign and Implem
4、entation of Over/Under VoltageProtector Function Test System Based on VirtualInstrumentsAbstractOver/under voltage protector can protect the electric equipment to work well in thepower grid within a certain range. The electrical equipment will not be affected evenpermanent damage when the voltage is
5、 fluctuated. So the protector is widely used in manyfields of industry. According to the specific demands of a user, this paper designs anover/under voltage protector function test system based on virtual instruments technology.The system uses high accuracy analog acquisition card to collect the tes
6、t signal onreal-time and get the accurate protectors tripping time by on-line analysis and calculate. Sothe tested protector can be confirmed whether it is in conformity with the relevantprovisions. The system is based on LabWindows/CVI software platform. This paperdescribes the overall structure of
7、 the system, gives detailed design scheme of the systemfrom two aspects of hardware and software. The completed works and achieved results inthis paper summarize as follows:（1）Determining the system demand and making the systems overall design plan bythe demand.（2）Designing the system hardware struc
8、ture diagram and the circuit diagram.Selecting the hardware of data acquisition card, I/O card and the testing of digital voltagesource.（3）Dividing the system software structure into seven modules: trip time acquisitionfunction module, system initialization module, underlying device control module ,
9、automatic test module, user management module, manual maintenance module anddatabase module. The system realizes the seven modules above.（4）On the basis of the above work, setting up the system test platform andverifying the correctness and validity about the system by the users actual test data.IID
10、esign and Implementation of Over/Under Voltage Protector Function Test System Based on Virtual Instruments AbstractThe actual operation result of the system shows that the system meets therequirements of customers and has been put into actual production application. Thesuccessful development of the
11、system improves the production efficiency for the user andprovides a basis to ensure product quality.Key Words: Virtual Instruments, Over/Under Voltage Protector, Data Acquisition andProcessing, Analog, MultithreadingWritten by Wang FanSupervised by Jiang XiaofengIII目录第一章1.1绪 论 .1论文背景及研究意义1过/欠压保护器功能
12、测试系统相关概念 1相关测试系统的国内外现状3论文研究内容和目的4论文体系结构5虚拟仪器及数据采集处理技术概述 .6虚拟仪器简介6基于虚拟仪器技术的软件平台 LabWindows/CVI.8数据采集处理技术概述9本章小结10系统总体设计 .11系统组成结构及其工作原理11系统硬件总体设计14系统软件总体设计153.3.1软件设计原则.153.3.2软件总体框架.163.3.3软件功能设计.18本章小结19系统硬件设计与实现 .20系统机械设计20系统电气设计224.2.1工控机.224.2.2交流测试电压源.224.2.3数字量输入输出板卡.251.21.31.41.5第二章2.12.22.3
13、2.4第三章3.13.23.33.4第四章4.14.24.2.4模拟量数据采集板卡.274.2.5安全保护电路.29本章小结30系统软件设计与实现 .31脱扣时间的测量315.1.1脱扣时间测量的流程及方法.315.1.2多线程方法的应用.335.1.3电压信号量分析与处理.35系统初始化模块设计36设备底层控制模块设计385.3.1 PCI-7432模块385.3.2 Chroma 61501模块385.3.3 NI PCI-6220模块.39自动测试模块设计41手动维护模块设计455.5.1用户登录管理模块设计.455.5.2手动维护模块设计.46数据库模块设计485.6.1系统数据库设计
14、.495.6.2数据库操作流程.51应用实例52本章小结55总结与展望 .56总结56进一步工作的展望564.3第五章5.15.25.35.45.55.65.75.8第六章6.16.2参考文献 .58致 谢 .61基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 第一章绪论第一章绪 论1.1论文背景及研究意义随着工业的发展，现在的设备大都用交流市电电网供电。但交流市电电网的电压时常波动，过欠压保护器可以保护电器设备在一定的电网电压范围内正常工作，使电器设备不会在电压波动时性能受到影响甚至被永久性损坏，在工业上有着广泛的应用1。过欠压保护器功能测试系统就是为了测试过欠压保护器的相关功能是否符
15、合工业标准，在涉及到过欠压保护器研发和生产的很多领域中有着重要的作用。目前国内外对此类测试产品的测试研究大部分都是基于虚拟仪器的。自 1986年正式发布以来，很多科学家和工程师们已将虚拟仪器技术应用于相关产品设计周期的各个环节2。虚拟仪器技术使产品质量得以改善、产品投放市场的时间得以缩短，并提高了产品开发和生产效率。虚拟仪器这一概念的提出是对传统仪器和实验设备的理念的巨大突破3。国内外测试测量仪器先后经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器四个发展阶段。而虚拟仪器比起其他传统仪器具有高性能、扩展性强、开发时间少和无缝集成等四大技术优势。虚拟仪器具有模块化的硬件、用户自定义测量功能、自定义用
16、户界面、开发维护费用低和技术更新时间短等显著特点4。可以预计，在我国虚拟仪器技术将会成为未来工业测试测量技术发展的重要方向。本课题提出了采用虚拟仪器技术设计数据采集与分析系统的解决方案，基于虚拟仪器技术开发一套便于操作、符合各项工业标准的过欠压保护器功能测试系统，从而实现了过欠压保护器主要功能的半自动精确测试测量，满足用户所提出的各项技术需求。1.2过/欠压保护器功能测试系统相关概念本文所涉及到的关于过欠压保护器功能测试系统的概念主要有过压保护、欠压保护、过欠压保护器和脱扣时间。在工业上，当被保护线路的电源电压高于一定数值时保护器切断该线路，当电源1第一章绪论 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能
17、测试系统的设计与实现电压恢复到正常范围时保护器自动接通，这个过程被称为过压保护。当线路电压降低到临界电压（引起电动机疲倒的电压称为临界电压）时切断电路而保护电器的过程，则称为欠电压保护。为了能够实现过欠压保护，在工业上主要使用一种叫做过欠压保护器的电路元件。如图 1-1所示，过欠压保护器由两部分组成。右边所示即为断路器，它起到断开电路的作用；左边所示为过欠压保护器，它本身并没有直接切断电路的功能，是在过欠压条件发生时会提供给断路器一个动作，以通过断路器而达到断开电路从而实现电路保护的作用。图 1-1过/欠压保护器由于所有的电器在使用时最忌电网电压过低或过高，无论工业设备还是家用电器都有一个额定
18、电压，电压范围通常规定为 170V-240V。如果电网电压超出这个规定范围就超出了电器的绝缘强度和耐压值，电器就会因此发热、击穿、烧坏甚至起火。目前，由于零线被盗、人为故障、设备老化、自然灾害、技术故障和停电再来电等原因引起的电压不稳和电压过低过高导致的大量电路电器被烧坏和烧毁的情况在不断发生5，导致用户损失惨重、劳民伤财的异常供电事故接踵而至，所以应当在电路设计中增加过欠压保护器，以防止发生上述异常事故，保护生命财产安全。而过欠压保护器最重要的功能参数即为电路出现过欠压时保护器断开电路的反应时间，我们称之为保护器的脱扣时间。在不同的电压下，保护器的脱扣时间不同。2基于虚拟仪器的过/欠压保护器
19、功能测试系统的设计与实现 第一章绪论一般情况下，过压条件发生时，电压越高脱扣时间应该越短；欠压发生时，脱扣时间也有相应的规范要求。过欠压保护器的脱扣时间在国际和各国家的标准体系中都有严格的定义，各生产厂家也据此提供了相应的厂家质量标准，表 1-1所示为本系统的用户方面所提供的标准。表 1-1被测产品具体测试参数(V AC) 60V 76V3s144V1s160V,255V 295V0.5s400V0.2s最大脱扣时间最小脱扣时间3秒不动作1秒不动作0.1s 0.1s 0.03s 0.03s以表 1-1 中所示的最大脱扣时间为例，当电压超过额定最高值时，电压为 295V时最大脱扣时间为 0.5s
20、，电压为 400V时最大脱扣时间为 0.2s。本文所设计和实现的系统可对待测产品施加不同的电压，并测得不同测试电压下待测产品的脱扣时间，通过比对相应的测试参数以判定其是否符合质量要求。1.3相关测试系统的国内外现状目前国内外对此类测试系统的研发大部分都是基于虚拟仪器的。自上世纪八十年代末问世以来，很多科学家和工程师们已将虚拟仪器技术应用于相关产品设计周期的各个环节，虚拟仪器技术使产品质量得以改善、产品投放市场的时间得以缩短，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器技术与现实世界的信号相连，分析数据以达到获取实用信息、共享信息成果的目的，有助于在比较大的范围内提高生产效率。虚拟仪器所提供
21、的各种工具能满足任何项目需要，目前国际上对于虚拟仪器的开发和研究呈百花齐放、百家争鸣之势6。良好的竞争带来的是技术的飞速进步，虚拟仪器正向着高精度、便携式和网络化的方向积极大踏步迈进。大规模可编程逻辑器件和数字信号处理器技术的飞速发展以及芯片成本的快速降低，大大提高了信号处理和采集的速度，并且在虚拟仪器系统的开发时间和扩展性两个环节上有长足的进步。例如，美国 XiLinx公司的可编程逻辑器件(FPGA)是将可编程器件的快速、灵活的功能特点同 VLSI的逻辑集成相结合，使工程师和科学家 们能够在项目中结合自身需求自定义相关的功能，实现其高度集成、高可靠性的特点。随着系统的发展，高性能数3第一章绪
22、论 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现字信号处理芯片在虚拟仪器系统中的作用与地位也将会变得愈发重要。此外，专门为测试任务设计的 PXI硬件平台也已经成为当今测试、测量的标准平台，其 PC技术的成本优势、灵活的开发环境和开放式的架构为测量和自动化行业带来了突破性的进展。PXI结合了 CompactPCI坚固性、模块化以及其自身的 电气总线特性，同时融合了 Eurocard的机械封装特性，从而发展成适合于试验、测量和数据采集场合应用的电气、机械和软件规范7。PXI规范制订的目的是将台式机的高性价比和 PCI面向仪器领域的扩展完美地结合起来，这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成
23、本运载平台。国内测试测量仪器经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器和虚拟仪器四个发展阶段。目前在国内市场上，国外厂家的虚拟仪器设备占据着主导地位。根据相关统计，国内各大高校包括 211名校在内，大多数院校使用的是国外企业生产设计的产品。由于国外企业在这项技术上的垄断性，我们引进相关的软、硬件需要花费大量的资金，这对于我国相关行业的发展是十分不利的。为了改善这种不利的现象，国内高校、企业以及研究机构积极开展在虚拟仪器领域的探索与实践活动，目前国内对虚拟仪器的研究正不断升温。1.4论文研究内容和目的本文主要研究内容为：（1）过欠压保护器功能测试系统机械设计包含铝型材测试台框架、测试夹具、显示与操作部分
24、以及电气元件安装等部分。其中测试夹具是设备机械部分的核心，由机械工装、FESTO气动元件和各种传感器等部分组成。（2）过欠压保护器功能测试系统电气设计包含模拟量数据采集板卡、数字量输入输出板卡、交流测试电压源和安全保护电路等内容。（3）过欠压保护器功能测试系统软件设计基于 LabWindows/CVI平台 进行用户界面和程序设计 。程序设计包含脱扣时间测量功能模块设计、系统初始化模块设计、设备底层控制模块设计、自动测试模块设计、4基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 第一章绪论用户登录管理模块设计、手动维护模块设计和数据库模块设计等主要内容。本文对虚拟仪器技术加以研究与分析，设
25、计和实现了一种基于虚拟仪器的过欠压保护器功能测试系统。该系统未使用传统的系统时间相关函数来计算过欠压保护器的脱扣时间指标，而是基于虚拟仪器和模拟量采集板卡来采集测试过程电压信号，然后依托 LabWindows/CVI软件平台，将采集得到的模拟量形式的电压信号实时计算和分析后转化为脱扣时间。本系统经过测试的现场实际运行，安全可靠，能够满足用户所提出的各项技术需求，取得了良好的效果。1.5论文体系结构第一章，绪论。论述了本文的研究背景及研究意义，了解了国内外对相关测试系统所选用技术的研究现状，阐述了该系统在工业应用上的市场前景，表明了本文所设计的系统是可行的。第二章，虚拟仪器及数据采集处理技术概述
26、。对虚拟仪器技术进行了总体的介绍，阐述了基于虚拟仪器的数据采集和处理的概念、方法和技术。第三章，系统总体设计。对整个过欠压保护器功能测试系统进行总体的描述，并通过硬件和软件两部分进一步阐述系统结构组成及工作原理。第四章，系统硬件设计与实现。基于系统机械图及电路图，详细描述系统的硬件选型，各功能结构描述以及相对应的电路设计。第五章，系统软件设计与实现。详细描述系统的软件设计方案，给出了系统的自动及手动模式设计流程、数据库相关设计及应用实例等。第六章，总结与展望。总结全文，并提出本文工作所存在的不足。5第二章 虚拟仪器及数据采集处理技术概述 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现第二
27、章虚拟仪器及数据采集处理技术概述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 9。本章通过对虚拟仪器技术及其主要应用软件平台LabWindows/CVI的详细描述， 阐述了虚拟仪器技 术在数据采集处理上的优点。2.1虚拟仪器简介随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的变化，美国国家仪器公司（National Instruments，简称 NI）于 1986年首先提出了基于计算机技术的虚拟仪器（Virtual Instruments，简称 VI ）技术的概念，将虚拟测试技术带入了新的发展时期，随后研制和推出了
28、基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器是依托计算机为核心的硬件平台，由用户自由设计定义的、具有虚拟仪器操作面板的、测试功能由相关软件实现的一种计算机仪器系统。 “软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表述。虚拟仪器可以说是对传统仪器的重大突破，是计算机系统与仪器系统相结合的优秀产物，代表着以传统硬件为主的测量系统到以软件为主的测量系统的根本性转变10 。它彻底打破了传统仪器由厂家设计，用户无法改变的模式，使用户（而不是厂家）可以根据自己的应用需求，设计自己的仪器系统。如表 2-1 所示，虚拟仪器比起传统仪器具有开放性、比较灵活和可与计算机技术保持同步发展等特点。虚拟仪器的系统升级十分方
29、便并且价格低廉，仪器间资源可重复利用率高；用户使用虚拟仪器可自定义仪器功能；虚拟仪器可以与网络和周边设备方便的进行连接；虚拟仪器的开发与维护费用较低，技术更新周期短12 。6基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 第二章 虚拟仪器及数据采集处理技术概述表 2-1虚拟仪器与传统仪器的比 较虚拟仪器 传统仪器开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展 封闭性，仪器间相互配合较差系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可升级成本较高，且升级必须上门服务价格昂贵，仪器间一般无法相互利用价格低廉，仪器间资源可重复利用率高用户可定义仪器功能 只有厂家能定义仪器功能功能单一，只能连接有限的独立设
30、备可以与网络及周边设备方便连接开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高技术更新周期短（12年） 技术更新周期长（510年）同其他技术相比，虚拟仪器技术有其四大优势：（1）性能高在 PC 技术的基础上，虚拟仪 器技术得到长足发展，所以虚 拟仪器技术完全“继承”了以现成即用的 PC技术为主要导向的最新商业技术的优点，包括卓越的处理器性能和文件 I/O功能，使其在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析13。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）扩展性强其软硬件工具使得我们可以不再受限于当前的技术。我们只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投
31、资和极少的、甚至根本不需要软件上的升级即可对整个系统进行改进。我们也可以利用最新科技把它们集成到现有的测试测量设备上，最终以较少的成本加速其产品上市的时间。（3）节约时间在应用和驱动两个层面上，其软件构架能和计算机最新的技术结合在一起14 。这一软件构架最初的想法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，使我们轻松地配置、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。7第二章 虚拟仪器及数据采集处理技术概述 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现（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
32、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。虚拟仪器软件平台为所有的 I/O设备提供了标准的接口15 ，帮助我们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。2.2基于虚拟仪器技术的软件平台 LabWindows/CVILabWindows/CVI是 NI公司推出的交互式 C语言开发平台。LabWindows/CVI将功能强大、使用灵活的 C语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业工具有机地结合起来16 ，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强 C语言的功能，为熟悉 C语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境
33、、数据采集系统和过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。LabWindows/CVI的强大功能在于它提供了丰富的函数库。在 LabWindows/CVI开发环境中可以利用其提供的库函数来实现程序设计、编辑、编译、链接和标准 C语言程序调试等功能。在该开发环境中可以使用 LabWindows/CVI丰富的函数库进行程序编写，此外库中的每个函数都会有一个叫做函数面板（Function Panel）的交互式操作界面，在这个函数面板中可以执行相关函数并生成调用相关函数的代码，也可以通过右击面板获得有关参数、函数、函数类和函数库定义及应用的帮助 17 。在LabWindows/CVI的交互式
34、 环境中进行程序编写必 须要符合标准 C语言的规范。另外，可以使用编译好的 C语言目标模块、动态链接库(DLL)、C静态库和仪器驱动程序进行应用程序的编写18 。利用库函数除了可以实现常规的程序设计外，还可以实现更加复杂的数据采集处理和仪器控制系统的开发。仪器库可以看做是 LabWindows/CVI的特殊资源。它包含 GPIB、VXI和 RS-232等仪器的 驱动程序，如多用表、示波器和函数发生器等，每个驱动程序都能够提供可编辑的源代码进行使用19。LabWindows/CVI开发工具提供的库函数同样可以创建自己的仪器驱动程序，如单个仪器、多个仪器或实际上并不存在的虚拟仪器的驱动程序，而且在
35、创建仪器的驱动程序过程中可以使用LabWindows/CVI的其它相关 库函数。LabWindows/CVI的用户界面编辑器可以方便的创建并编辑图形用户界面(GUI)20 ，使用 LabWindows/CVI的用户界面库函数可以8基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 第二章 虚拟仪器及数据采集处理技术概述在程序中对 GUI进行创建和控制。此外，LabWindows/CVI为 GUI面板的设计准备了许多专业的控件，如：带状图控件、曲线图控件、表头、旋钮和指示灯等，以此满足测控系统软件开发的相关需求21界面22。利用这些控件，可以方便设计出专业的测控程序LabWindows/CVI
36、在本系统 中有以下几个优点：（1）交互式的程序开发。（2）具有功能强大的函数库，用来创建数据采集和仪器控制的应用程序。（3）充分利用完备的软件工具进行数据采集、分析和显示。基于 LabWindows/CVI软 件设计的虚拟仪器软件基本 组成框图如图 2-1所示：*.prj工程文件*.h头文件文件 *.c源代 码 文件 *.uir界面文件 *.fp函数面板文件图 2-1 LabWindows/CVI软件基本组成框图LabWindowsCVI应用程序是建立在开放式软件体系之上的，以工程文件(.prj)为主体文件，把头文件(.h)、C和 C+源文件(.c) 、用 户界面文件(.uir)、目标文件(.
37、obj)、库文件(.1ib )、仪器驱动程序(.fp)和动态链接库(.d11)等多种文件的功能相结合在一起。2.3数据采集处理技术概述数据采集指采集温度、压力和流量等模拟量，将其转换成数字量，由计算机进行存储、处理和打印的过程。本系统主要采集的模拟量是电压信号。数据采集系统性能优劣的评判标准一般为系统的采样精度和采样速度23。即保证系统具备采样精度的条件下，要尽可能提高系统的采样速度，以满足实时处理、控制的要求。一般数据采集系统的软件设计原则为模块化原则（自顶向下、逐层细分），一般9第二章 虚拟仪器及数据采集处理技术概述 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现可以分为24 :（1
38、）模拟信号采集与处理程序。（2）数字信号采集与处理程序。（3）脉冲信号处理程序。（4）开关信号处理程序。（5）运行参数设计程序。（6）系统管理（主控）程序。（7）通信程序。数据处理按处理方式可划分为实时（在线）处理和事后（脱机）处理25 。本系统采用的是基于 LabWindows/CVI 软件平台多线程技 术的实时处理方式。数据处理的任务一般有以下三个方面内容：（1）对采集到的电信号进行物理量解释。将没有明确物理意义的电压信号，转换和解析为原来对应的物理量。（2）消除数据中的干扰信号。消除在数据的采集、传送和转换过程中，由于系统内部和外部干扰而在数据中所混入的干扰信号，以保证采样精度。（3）分
39、析计算数据的内在特征。对采集到的数据进行变换计算，已得到能表达采样数据内在特征的二次数据26 。2.4本章小结本章分以下几个方面对虚拟仪器技术和数据采集处理相关概念进行了相应介绍。（1）阐述了虚拟仪器的相关概念，分析了虚拟仪器相对其他仪器的优点，说明了本文使用虚拟仪器技术的原因。（2）简单介绍了 LabWindows/CVI 软件平台及其主要特点。（3）从概念、方法和技术层面介绍了数据采集与处理技术。10基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 第三章系统总体设计第三章系统总体设计过欠压保护器是一种保护电器设备在一定的电网电压范围内正常工作，使电器设备不会在电压异常波动时性能受到影
40、响甚至永久性损坏的电路保护元件。本文设计了一个基于虚拟仪器的过欠压保护器功能测试系统，相对于应用传统仪器设计的系统而言本系统具有高性能、扩展性强、开发时间少和无缝集成等四个优势。3.1系统组成结构及其工作原理本文所设计的系统中最主要的功能就是测量待测产品的重要功能参数 -脱扣时间，实际测试时检测在设定电压下的产品脱扣动作时间并判断其是否在规定的范围内。在本文设计的系统中，此脱扣时间是指通过位置传感器检测得到的手柄刚刚离开合闸位置（产品脱扣）的时刻（结束时刻）减去测试电压刚刚施加到待测产品时的时刻（开始时刻）。由于操作系统本身的时钟精度不高，很难达到测量所要求的规定，所以本文通过模拟量采集板卡
41、NI的 PCI-6220结合相关程序来采集和计算得到待测产品的脱扣时间。本文先根据客户所要求的精度设置 NI PCI-6220数据采集卡的采样速率（即每秒可采集的数据点数），然后开始采集待测产品的测试信号。NI PCI-6220 将采集两个通道的电压信号。其中一路为测试电源输出并施加在被测产品上的电压信号，对此信号的采集数据进行分析可以得到电压施加到待测产品上的时刻，并以此时刻作为起始点。另一路为待测产品手柄位置检测传感器的输出信号，通过对此信号采集数据的分析可以得到手柄开始离开合闸位置（产品脱扣）的时刻，并以此时刻作为结束点。结束点减去起始点后再除以设定好的板卡采样速率即得到待测产品的脱扣时
42、间，具体计算方法如公式3.1所示：脱扣时间（）=（结束点编号起始点编号）板卡采样速率 （3.1）上述对脱扣时间的采集和计算方法中充分利用了数据采集板卡本身的时钟电路所提供的等时间间隔、实时采集的特性，实现了脱扣动作时间的实时采集和计算，避11第三章系统总体设计 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现免了利用操作系统软件计时不精确的弊端。结合以上核心思想设计了系统的组成结构，如图 3-1所示，过欠压保护器功能测试系统主要由工控机、待测产品装夹平台、测试电压源、安全回路、数字量输入输出控制单元、模拟量采集单元和软件单元等组成。其中软件单元以 LabWindows/CVI 软件作为平台
43、，其 设计出的程序具有人机交互的友好操作界面。此程序安装在工控机上，工控机作为整个系统的核心，主要控制数字量的输入输出以及模拟量的采集27 。数字量的输入输出以数字量输入输出板卡为核心，主要控制待测产品的装夹平台、传感器检测、测试电压源和安全回路等。模拟量的采集以模拟量数据采集卡为核心，采集电压模拟量供后续处理、分析和保存等。测试电压源对待测产品提供测试所需用电，此测试电压源是可编程电源，可以提供不同电压以满足系统需求。待测产品被安装在装夹平台上，其上的传感器可以检测待测产品是否就绪、机械夹具是否夹紧以及待测产品是否脱扣等。安全回路和其它元件 测试电压源待测产品装夹平台传感器数字量输入输出控制
44、单元模拟量采集单元工控机软件单元图 3-1系统组成结构12基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 第三章系统总体设计系统供电开机启动程序系统初始化放入待测产品自动模式运行 手动模式运行可编程电源供电采集两路电压模拟量退出产品 换不同电压实时分析得出脱扣时间相关信息写入数据库图 3-2系统工作流程图如图 3-2 所示，当系统上电和工控机开机后，系统程序开始运行，整个测试系统各硬件部分及电路回路将进行初始化。待系统初始化后放入待测产品，系统在检测各13第三章系统总体设计 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现硬件及电路元件所返回的开关量信号满足条件后，即可选择手动模式或
45、自动模式运行程序。以自动模式为例，可编程电源将根据数据库产品信息数据从低到高提供各档测试电压。每个测试电压输出后将分别采集上述两路电压模拟量信号以供系统计算得到精确的脱扣时间。在待测产品脱扣后，程序会根据两路电压模拟量信号采集数据结果计算得出待测产品的脱扣时间，并依托 LabWindows/CVI的多线程处理方法，边采集边分析，从而提高了整个系统的效率。待测试完毕后，测试结果信息将保存入数据库，以便在今后供操作人员查询和分析。所有档位的测试电压都测试完毕后，即可结束测试周期和退出产品，准备进行下次测试或者关闭系统。3.2系统硬件总体设计在上述系统总体架构分析的基础上，本文对系统硬件进行了总体设
46、计，图 3-3所示为整个系统的硬件结构框图。整个系统主要由工控机、交流测试电压源、数字量输入输出板卡、模拟量采集板卡和手柄检测传感器装置等硬件组成。其中数字量输入输出板卡和模拟量采集板卡以 PCI接口的方式与工控机相连接28，而交流测试电压源以 RS232 接口的方式与工控机相 连接。本系统的核心控制单元为工控机（IPC），IPC 主要 负责测试电源的控制、气缸和指示灯等的 DO输出控制、按钮和各种传感器的 DI输入采集的控制等操作。LCD为设备的显示单元。设备的电气部分由交流测试电压源、断路器、接触器、各种位置检测传感器、按钮和指示灯等组成。设备的机械部分由操作台、测试夹具和气缸等组成，其功
47、能是在 IPC 和电气部分的控制和配合下，完成被测产品的定位、运动和各种测试动作。14基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现 第三章系统总体设计被测产品手柄 主触点机械夹具传感器 传感器 气缸 电源AI DI DO RS232工控机DO DI指示灯 按钮 LCD 键盘鼠标图 3-3系统硬件结构框图3.3系统软件总体设计本文所设计的系统，是一个以计算机为控制核心的自动化测试设备，在硬件平台的基础上该系统充分发挥了软件的控制作用，完成被测产品的主要功能的检测，并保存相应的测试结果以供操作人员参考。因此，软件在本文的测试系统中起着灵魂的作用，它的好坏直接关系到了整个测试系统性能的发挥。
48、本文中的测试软件设计基于软件工程的设计思想，利用虚拟仪器技术，采用自顶向下、分层设计的软件设计方法，结合模块化、层次化思想编写而成。本系统设计的测试软件具有界面友好、操作简单方便、人机互动强和自动化程度高等特点。3.3.1软件设计原则该自动测试系统软件设计的指导方针是在满足系统性能指标要求的前提下，突出系统软件的实用性、可靠性、标准化和低成本29 。因此，本文遵循以下原则设计系统15第三章系统总体设计 基于虚拟仪器的过/欠压保护器功能测试系统的设计与实现软件总体方案：（1）可靠性原则。因为测试系统组成复杂、测试项目多且测试时间较长，因此系统软件应具有高可靠性，能够长时间的连续使用，并且在测试运
49、行过程中要避免可能发生的故障，一旦发生故障，系统要具有解脱和排除故障的能力。（2）模块化原则。根据产品性能测试的要求，采用模块化的设计方法能够实现软件的通用接口功能，便于系统开发、调试与维护。一旦设计好了各个模块的通用接口，当系统增加新的测试任务时，只需要在原来的基础上编写新的测试流程代码嵌入原先的程序即可完成新的测试功能。（3）通用性原则。差的测试软件使得系统软件接口专一，当进行新型号产品的测试时，需要重写测试代码，增加了劳动量，延长了系统开发的总周期。而优秀的测试软件可以随着新型号、新测试任务的增加不断进行升级，而无需重新大量编写代码，从而缩短了系统开发的周期。一个具有通用性的测试设备软件接口是功能比较全的一个接口，当外围硬件发生变化时，软件结构是不需要更改的，只需要在原来的基础上增加一些测试流程即可完成系统的升级。（4）可扩展性原则。测试软件应具有灵活的配置能力，可以根据测试需求修改模型，增加新的功能以及重组系统的结构。3.3.2软件总体框架本文系统的测试软件部分采用模块化、层次化的体系结构，各模块在规定的接口标准下相互独立，可单独开发，可
