【導(dǎo)讀】隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求越來(lái)越高。經(jīng)很難滿足實(shí)際工作的需要。集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使電子測(cè)量?jī)x器。更快、頻帶更寬、用途更廣、操作更簡(jiǎn)單、體積更小、可擴(kuò)充性更好。機(jī)的普及程度和性能不斷提高，使得基于PC平臺(tái)的虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。據(jù)傳輸、顯示和處理中的關(guān)鍵技術(shù)。使用USB數(shù)據(jù)采集卡，最終實(shí)現(xiàn)了基于PC平。臺(tái)的，具有頻率計(jì)和頻譜分析儀功能的數(shù)字存儲(chǔ)示波器系統(tǒng)。本文所選用的軟件。能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。它具有開(kāi)發(fā)周期短、運(yùn)行速度快、可重用性、使。用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。因此LabView對(duì)虛擬存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)是一種最理想的方

　　

【正文】 編程是實(shí)現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)化的重要手段。系統(tǒng)應(yīng)用程序分為四個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和波形處理模塊，誤差分析模塊是在應(yīng)用程序完成后進(jìn)行系統(tǒng)的誤差性能分析。在具體編程時(shí)按層次結(jié)構(gòu)將每一個(gè)細(xì)節(jié)任務(wù)編制成數(shù) 據(jù) 采 集 器 設(shè)備 驅(qū)動(dòng) 程序 計(jì) 算 機(jī) 虛擬儀器前面板 應(yīng)用程序 Labview 子程序 Labview 開(kāi)發(fā)平臺(tái) 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 40 頁(yè) 結(jié)構(gòu)完整、功能相對(duì)獨(dú)立的子程序塊。軟件部 分總體構(gòu)成如圖 所示。 軟件總體框圖 數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊完成測(cè)量信號(hào)參量的采集，即從實(shí)驗(yàn)電路獲得的電壓電流信號(hào)，然后通過(guò) LabVIEW 與 UA301A 采集器之間的驅(qū)動(dòng)程序完成數(shù)據(jù)采集過(guò)程。 數(shù)據(jù)處理模塊 :數(shù)據(jù)處理模塊是本系統(tǒng)軟件的核心部分 ,主要對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析單相和三相電壓電流信號(hào)的頻譜、諧波參數(shù)和功率等。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成將各模塊分析后的數(shù)據(jù)以 Excel 格式保存在文件中，并存放在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)一定 的目錄下以便操作人員查閱和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 波形處理模塊：波形處理模塊包括波形數(shù)據(jù)的存盤(pán)和波形的回放以及波形圖像的保存。其中波形圖像保存為 bmp 格式。 誤差分析模塊：誤差分析模塊是對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊中得到的各參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析以及分析誤差產(chǎn)生的原因。 數(shù)據(jù)采集器 Labview 開(kāi)發(fā)平臺(tái) 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 波形處理模塊 頻譜分析模塊 諧波分析模塊 功率測(cè)量模塊 誤差分析模塊 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 40 頁(yè) 數(shù)據(jù)采集過(guò)程 數(shù)據(jù)采集過(guò)程可分兩大步 ： 啟動(dòng)采集：設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率、采樣通道 和數(shù)據(jù)傳輸方式等采樣參數(shù)并啟動(dòng)實(shí)時(shí)采集，啟動(dòng)后，下層驅(qū)動(dòng)程序就獨(dú)立地控制硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將結(jié)果存放在驅(qū)動(dòng)程序的緩沖區(qū)中 ； 讀取結(jié)果：是將驅(qū)動(dòng)程序緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取到應(yīng)用 軟件的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中去，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 數(shù)據(jù)通過(guò)多路開(kāi)關(guān)輸送給數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)被暫時(shí)保存到數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 電路 (ADC 輸入的緩存 )中。數(shù)據(jù)采集軟件隨后將緩存中的數(shù)據(jù)通過(guò) USB 總線寫(xiě)入內(nèi)存，最后進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或高速存盤(pán)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 圖 數(shù)據(jù)采集過(guò)程框圖 數(shù)據(jù)采集過(guò)程也可描述為數(shù)據(jù)采集卡在驅(qū)動(dòng) 程序的控制下將采集到的外部信號(hào)先存放在采集卡上的緩沖區(qū)中，驅(qū)動(dòng)程序再 將采集卡緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)放到驅(qū)動(dòng)程序的緩沖區(qū)中；再經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)這個(gè)接口函數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈討?yīng)用軟件的數(shù)據(jù)內(nèi)存中。該數(shù)據(jù)采集過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸原理見(jiàn)圖 。 多 路信 號(hào) 多 路 開(kāi) 關(guān) 模 擬 轉(zhuǎn) 換 板 內(nèi) 緩 存 微 計(jì) 內(nèi) 存 顯示存盤(pán) 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 數(shù)據(jù)傳輸原理 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)運(yùn)行界面流程如圖 所示 圖 系統(tǒng)運(yùn)行界面流程 (1)系統(tǒng)主界面 進(jìn)入系統(tǒng)主界面 系統(tǒng)功能選擇界面，系統(tǒng)各功能模塊的選擇通過(guò) Case Structure 實(shí)現(xiàn) 。 該功能界面分為五部分 ：系統(tǒng)設(shè)置、頻譜測(cè)量、功率測(cè)量、諧波分析以及退出程序。 系統(tǒng)主界面 系統(tǒng)設(shè)置 退出 頻譜分析 諧波分析 功率測(cè)量 應(yīng)用軟件 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù) 驅(qū)動(dòng)程序緩存 A/D 結(jié)果緩存 信號(hào) 信號(hào)被硬件 采集后經(jīng)驅(qū) 動(dòng)程序向上 傳輸 應(yīng)用程序初 始化的數(shù)據(jù) 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 共 40 頁(yè) (2)系統(tǒng)設(shè)置 在系統(tǒng)設(shè)置中是設(shè)置電壓和電流變比。電壓變比、電流變比在程序中被定義為全局變量，以方便所有模塊都能對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)。電壓、電流變比的默認(rèn)值為 1， 對(duì)應(yīng)實(shí)際電壓、電流變比為 1:1。 在系統(tǒng)設(shè)置面板中，變比有兩種設(shè)置方式，一種是選擇己列出的變比值，如果實(shí)際電壓變比和互感器變比在選擇項(xiàng)中沒(méi)有找到，則使用第二種方式，即用戶手動(dòng)輸入方式。選擇自動(dòng)方式下，程序已將各選項(xiàng)添加在備選框中，當(dāng)用戶選擇其中一個(gè)選項(xiàng)時(shí)，程序會(huì)根據(jù)備選框中的值，利用 case 語(yǔ)句將對(duì) 應(yīng)的變比值賦值給相應(yīng)的電壓變比和電流變比全局變量。在用戶輸入方式下，用戶需要輸入變比兩端的值，這時(shí)程序?qū)⑤斎氲膬蓚€(gè)值相除，得到的結(jié)果即變比值，將這個(gè)變比值賦給對(duì)應(yīng)的全局變量就完成了變比的設(shè)置，在以后的測(cè)量中只要將電壓和電流乘以這個(gè)變比，計(jì)算出來(lái)的就是實(shí)際的電壓、電流值。 (3)頻譜測(cè)量模塊 在進(jìn)行頻譜測(cè)量時(shí)，首先用戶選擇是進(jìn)行單相測(cè)試還是多相測(cè)試，若進(jìn)行單相電壓電流測(cè)試則進(jìn)行單通道測(cè)試界面，若進(jìn)行三相電壓或電流信號(hào)測(cè)試則選擇多通道測(cè)試。對(duì)于進(jìn)入諧波分析和功率測(cè)量前也是如此。 選擇通道后則進(jìn)入采樣參數(shù)設(shè)置模塊 ，在進(jìn)入測(cè)量界面之前必須首先設(shè)置這些采樣參數(shù)，因?yàn)槿绻皇紫仍O(shè)置這些參數(shù)，直接進(jìn)入測(cè)量界面后再設(shè)置，則會(huì)造成系統(tǒng)崩潰而無(wú)法使用，分析原因是該采集器運(yùn)行時(shí)參數(shù)不能為空，若想進(jìn)入界面后設(shè)置參數(shù)這時(shí)采集器已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行，而參數(shù)還沒(méi)有開(kāi)始設(shè)置，所以使軟件系統(tǒng)導(dǎo)致崩潰。采樣時(shí)每通道采 1024點(diǎn)，每通道的采樣頻率設(shè)置為 ， 這樣相當(dāng)于初始采樣 4 個(gè)周期，每周期 256 點(diǎn)。單通道采樣時(shí)也可設(shè)置每周期采樣512 點(diǎn)、 1024點(diǎn)等，采樣頻率設(shè)置為 、 等，只要采樣頻率滿足小于 100KHz即 可。三通道采樣時(shí)由于總采樣頻率限制小于 ， 每通道采樣頻率最高采樣頻率設(shè)置 ， 下面進(jìn)行采樣時(shí)均是以每周期采樣 256 點(diǎn)，一次采樣 4 周期和采樣頻率為 。 根據(jù)電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差 GB/T15945 1995 規(guī)定系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率為 50Hz， 正常的允許偏差為 177。 ， 當(dāng)系統(tǒng)容量較小時(shí)，允許偏差為 ，國(guó)內(nèi)各大電力系統(tǒng)的實(shí)際偏差均 小于177。 的允許值，系統(tǒng)設(shè)置了如果基波頻 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 40 頁(yè) 率超 50177。 ， 則會(huì)出現(xiàn)頻率越限報(bào)警。 為了測(cè)試各次諧波分量 的頻率，使用 Harmonic 節(jié)點(diǎn)輸出各諧波頻率，但使用該節(jié)點(diǎn)時(shí)需要通過(guò)自能量譜 AutoPower ， 然后將自能量譜輸入該節(jié)點(diǎn)后輸出各諧波頻率。 單相測(cè)量 FFT算法子程序。利用第三章介紹的基于 FFT 的諧波分析理論，調(diào)用 LabVIEW 中的 FFT 模塊。在該子模塊中，根據(jù)所需要分析的諧波次數(shù)，索引出各次諧波的幅值以及所采樣通道的有效值。 (4)諧波分析模塊 諧波分析模塊主要可測(cè)量諧波含量、各次諧波含有率和總諧波畸變率。在測(cè)試前 面板上可顯示輸入信號(hào)波形和各次諧波含 有率柱狀圖以及總諧波畸變率變化趨勢(shì)圖 測(cè)量原理是根據(jù)第三章諧波分析理論，由 FFT 得出各次諧波的幅值，由諧波幅值根據(jù)公式可得到諧波含量、各次諧波含有率和總諧波畸變率。圖 信號(hào)測(cè)量框圖程序。 圖 測(cè)量諧波參數(shù)框圖程序 (5)功率測(cè)量模塊 功率測(cè)量模塊主要測(cè)量單相或三相及總的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)。 圖 ，三相測(cè)量的原理類似。根據(jù)有功功率是電路的電壓有效值、電流有效值與它們的相位差的余弦函數(shù)三者之積，無(wú)功功率是電路的電壓有效值、電流有效值與它們的相 位差的正弦函數(shù)三者之積的原理，分別由采集通道引入該相電壓與電流信號(hào)，由幅相頻分析節(jié)點(diǎn)分解出電壓與電流信號(hào)的幅值與相位，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算節(jié)點(diǎn)及正弦函數(shù)、余弦函數(shù)節(jié)點(diǎn)即可顯示單 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 共 40 頁(yè) 相電路的有功功率與無(wú)功功率的大小。由磁勢(shì)平衡式可知，經(jīng)過(guò)電流互感器后副邊電流是與原邊電流反相的，所以求電壓電流相差時(shí)，電流先反相后，電壓相差再減去電流相差。基于虛擬儀器的相位測(cè)量利用軟件確定算法，克服了溫漂、噪聲及干擾信號(hào)的影響，因而測(cè)試結(jié)果較精確。 圖 (6)數(shù)據(jù)及波形管理模塊 ① 波 形存盤(pán)及回放模塊 ， 波形存盤(pán)模塊是將在波形圖里顯示的波形數(shù)據(jù)保存到一個(gè) Excel 文檔里面，當(dāng)想重現(xiàn)歷史波形時(shí)， 打開(kāi)保存的數(shù)據(jù)即可顯示歷史波形，顯示的是一次采樣四個(gè)周期的波形，其框圖程序如圖 。 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 波形存盤(pán)及波形回放框圖程序 ② 查看數(shù)據(jù)及保存模塊 所有的測(cè)量結(jié)果如果需要保存 (如保存至 EXCEL)， 需要在 LabVIEW 中用到 ActiveX 控件，可以用以下的 LabVIEW 程序?qū)崿F(xiàn)把己經(jīng)在前面操作中放入表格中的測(cè)量結(jié)果寫(xiě)入 EXCEL的一個(gè)文件，通過(guò) EXCEL 實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的保存。 框圖如圖： 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 保存到 EXCEL 框圖程序 ③ 打開(kāi)數(shù)據(jù)模塊 對(duì)于已保存的 EXCEL 格式的數(shù)據(jù)，如果需要在線打開(kāi)查看，點(diǎn)擊打開(kāi)數(shù)據(jù)按鈕就打開(kāi)了 EXCEL軟件，則可選擇要打開(kāi)的 EXCEL 文檔 ，框圖程序如圖 ： 圖 打開(kāi) EXCEL 文檔框圖程序 ④ 圖像的保存 對(duì)于輸入信號(hào)波形、頻譜圖形、諧波信號(hào)和諧波含量柱狀圖等采集的數(shù)據(jù)在 WaveGraph 上顯示，有時(shí)為了保存顯示的圖形， LabVIEW 中特別提供了幾種常用圖像格式 (*.BMP, *.JPEG, *.PNG)的保存，本系統(tǒng)中保存格式為 *.BMP。 利用 Graph 的 Invoke Mode(調(diào)試模式 )的 Get Image 屬性獲得圖像 (包括圖像大小、顏色、背景色等參數(shù)的設(shè)置 )。 點(diǎn)擊圖像保存按鈕，會(huì)彈出選擇圖像保存對(duì)話框，以選擇要保存的圖形。以多路信號(hào)頻譜測(cè)量模塊中為例，圖像保存程序框圖如圖 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 共 40 頁(yè) 圖 圖像保存程序框圖 ⑤ 數(shù)據(jù)的暫停采集 數(shù)據(jù)的采集以及顯示的過(guò)程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)不斷刷新的過(guò)程，為了 便于觀察顯示過(guò)程，設(shè)計(jì)了一個(gè)暫停模塊，其模塊如下圖所示 ： 當(dāng)按下暫停時(shí)，其 Case 結(jié)構(gòu)為 True， 跳出對(duì)話框，要求選擇暫停或者取消暫停，如選擇為暫停，則控制程序停止的按鈕的局部變量為 false， 即停止運(yùn)行，否則繼續(xù)運(yùn)行。 框圖程序如圖 圖 暫停程序框圖 ⑥ 文件管理 文件管理方式有兩種，一種是將各個(gè)文件分散獨(dú)立地保存，另一種是將相關(guān)文件集中起來(lái)保存與一個(gè)庫(kù)中。庫(kù)文件保存有利與節(jié)省磁盤(pán)空間，并且有利于移植到其他平臺(tái)上去，安全性較高。在完成對(duì)虛擬諧波分析儀各個(gè)模塊的 設(shè)計(jì)后， 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 共 40 頁(yè) 將各個(gè)模塊的程序添加到一個(gè)庫(kù)文件中，同時(shí)這些文件保持著自己的獨(dú)立性。 首先是創(chuàng)建一個(gè)新的庫(kù)文件。在主程序前面板中的 File 菜單中選擇 Save as， 彈出一個(gè)文件對(duì)話框，然后按下 New VI Library 按鈕，出現(xiàn)一個(gè)新的提示對(duì)話框，輸入庫(kù)文件名稱 Harmonics Analyser， 再單擊 VI Library 按紐，然后將出現(xiàn)另一個(gè)對(duì)話框，按下 OK 按鈕就建立一個(gè)新的庫(kù)文件。其次，將各個(gè)模塊程序保存到庫(kù)文件。在各個(gè)模塊的 File 菜單中選擇 Save as 在保存文件對(duì)話框中選擇庫(kù)文件 ， 彈出一個(gè)文件對(duì)話框如下圖所示，將文件名輸入到 Name the VI 中，確認(rèn)后就完成將各個(gè)模塊保存到庫(kù)文件。 如圖 所示 圖 ⑦ 生成 .exe 可執(zhí)行程序 為了能脫離 LabVIEW 軟件環(huán)境而能在任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行該虛擬儀器軟件系統(tǒng)，在系統(tǒng)首頁(yè)界面工具欄上點(diǎn)擊 Tools 下 Build Application or Shard Library(DLL)， 按照步驟生成可執(zhí)行程序 。 基 于 LABVIEW 的信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè) 共 40 頁(yè) 5 仿真結(jié)果 和誤 差分析 仿真結(jié)果 仿真一 ：頻譜測(cè)量仿真 labview內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)具有 5次諧波的輸入信號(hào) : )t1 5 0 0 0s i n (110)t1 2