電機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)..

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目 電機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì) 院系 電氣信息學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 導(dǎo)師姓名 完成日期 2021年6月22日 誠(chéng) 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是在教師指導(dǎo)下進(jìn)展的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文中不包含其他人已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表過(guò)的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過(guò)的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。 作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)論文任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)論文題目： 電機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì) 姓名 院系 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)

2、號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱 教研室主任 一、根本任務(wù)及要求：設(shè)計(jì)一個(gè)基于虛擬儀器的電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用霍爾傳感器以及光電傳感器采集到轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳至主機(jī)。通過(guò)LabVIEW圖形化編程對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)展相應(yīng)處理及波形顯示，通過(guò)測(cè)量計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是： = 1 * GB3 查閱相關(guān)資料確定總體設(shè)計(jì)方案； = 2 * GB3 根據(jù)課題要求確定硬件方案、硬件設(shè)計(jì)； = 3 * GB3 軟件設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)LabVIEW圖形化編程軟件，對(duì)軟件的具體模塊編程并對(duì)信號(hào)進(jìn)展處理；完成文獻(xiàn)綜述、開(kāi)題報(bào)告及畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的撰寫(xiě)工作。 二、進(jìn)度安排及完成時(shí)間：1、第1周至第3周：查閱相

3、關(guān)資料，搜集課題所需資料，了解課題現(xiàn)狀、課題研究的目的和意義，做好選題報(bào)告和文獻(xiàn)綜述。 2、第4周：參考相關(guān)資料，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，自學(xué)相關(guān)知識(shí)，了解系統(tǒng)整個(gè)工作原理和設(shè)計(jì)方案，寫(xiě)好開(kāi)題報(bào)告。 3、第5周至第6周：確定總體設(shè)計(jì)方案及個(gè)人研究重點(diǎn)，分配課題研究任務(wù)。學(xué)習(xí)LabVIEW軟件。4、第7周至第8周：根據(jù)自己的研究方向和總體設(shè)計(jì)方案，初步構(gòu)列出系統(tǒng)的硬件模塊和軟件模塊。完成硬件設(shè)計(jì)。 5、第9周至第10周：完成系統(tǒng)各軟件模塊的編寫(xiě)及調(diào)試。 6、第11周至第13周：完成系統(tǒng)的軟件仿真和軟硬件聯(lián)調(diào)。 7、第14周至第15周：整理設(shè)計(jì)資料，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 8、第16周至第17周：打印、裝訂論文

4、，進(jìn)展畢業(yè)辯論。 目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc1326 摘要 PAGEREF _Toc1326 I HYPERLINK l _Toc21865 Abstract. PAGEREF _Toc21865 II HYPERLINK l _Toc6886 第1章 緒論 PAGEREF _Toc6886 1 HYPERLINK l _Toc9816 PAGEREF _Toc9816 1 HYPERLINK l _Toc13558 1.1.1 直流電機(jī) PAGEREF _Toc13558 1 HYPERLINK l _Toc26672 1.1.2 交流電機(jī) PAGER

5、EF _Toc26672 2 HYPERLINK l _Toc7028 1.2 虛擬儀器 PAGEREF _Toc7028 3 HYPERLINK l _Toc7236 1.2.1 虛擬儀器技術(shù) PAGEREF _Toc7236 3 HYPERLINK l _Toc1458 1.2.2 虛擬儀器開(kāi)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc1458 6 HYPERLINK l _Toc4795 1.2.3 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成 PAGEREF _Toc4795 8 HYPERLINK l _Toc10449 1.2.4 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) PAGEREF _Toc10449 9 HYPERLINK l

6、 _Toc9065 1.3 數(shù)據(jù)采集 PAGEREF _Toc9065 9 HYPERLINK l _Toc24519 第2章 總體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24519 12 HYPERLINK l _Toc15919 2.1 總體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc15919 12 HYPERLINK l _Toc24742 第3章 硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc24742 13 HYPERLINK l _Toc6051 3.1 硬件總體概述 PAGEREF _Toc6051 13 HYPERLINK l _Toc20786 3.2 硬件組成局部 PAGEREF _Toc20786

7、 13 HYPERLINK l _Toc7133 3.2.1 傳感器 PAGEREF _Toc7133 13 HYPERLINK l _Toc23812 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡 PAGEREF _Toc23812 14 HYPERLINK l _Toc24712 3.3 信號(hào)采樣和A/D轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc24712 15 HYPERLINK l _Toc16834 3.3.1 信號(hào)采樣 PAGEREF _Toc16834 15 HYPERLINK l _Toc22705 3.3.2 采樣頻率選擇 PAGEREF _Toc22705 17 HYPERLINK l _Toc10816

8、3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) PAGEREF _Toc10816 18 HYPERLINK l _Toc24558 3.4 硬件接線圖 PAGEREF _Toc24558 18 HYPERLINK l _Toc14212 第4章 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc14212 20 HYPERLINK l _Toc8141 4.1 前面板設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc8141 20 HYPERLINK l _Toc20225 4.2 程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc20225 20 HYPERLINK l _Toc10670 4.2.1 功能模塊 PAGEREF _Toc10670 20 HYP

9、ERLINK l _Toc16255 4.2.2 電機(jī)測(cè)速及輸入電壓程序 PAGEREF _Toc16255 25 HYPERLINK l _Toc12401 4.3 序調(diào)試與數(shù)據(jù)處理 PAGEREF _Toc12401 26 HYPERLINK l _Toc6807 總結(jié) PAGEREF _Toc6807 27 HYPERLINK l _Toc26791 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc26791 28 HYPERLINK l _Toc20210 致謝 PAGEREF _Toc20210 29 HYPERLINK l _Toc2846 附 錄 PAGEREF _Toc2846 30電機(jī)數(shù)據(jù)

10、采集分析系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)計(jì) 摘要：虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器的圖形化語(yǔ)言圖形化數(shù)據(jù)流語(yǔ)言和程序框圖能自然地顯示您的數(shù)據(jù)流，同時(shí)地圖化的用戶界面直觀地顯示數(shù)據(jù)，使我們能夠輕松地查看、修改數(shù)據(jù)或控制輸入。本設(shè)計(jì)要采集電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速及輸入電壓作為測(cè)量對(duì)象。本設(shè)計(jì)采用NI PCI-6281數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)二通道的數(shù)據(jù)采集。一通道直接采集輸入電壓，另一通道采集通過(guò)霍爾傳感器表達(dá)轉(zhuǎn)速的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。利用Labview的軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的顯示輸入電壓并計(jì)算得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)是虛擬儀器在測(cè)控領(lǐng)

11、域的一次簡(jiǎn)單應(yīng)用。實(shí)踐明虛擬儀器是一種優(yōu)秀的解決方案，能夠高效的實(shí)現(xiàn)各種測(cè)控任務(wù)。關(guān)鍵字：虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集;傳感器Motor data acquisition and analysis system development and design Abstract: The virtual instrument technology is the use of high-performance modular hardware, combined with efficient and flexible software to accomplish a variety of test, meas

12、urement and automation applications. Virtual Instruments graphical language graphical dataflow language and block diagram can naturally display your data flow, and map-based user interface to visually display data, allowing us to easily view, modify data or control inputs. The design of the motor to

13、 collect relevant data, select the motor speed and input voltage as the measurement object. The design uses a NI PCI-6281 data acquisition card for two-channel data acquisition. A passage directly collect the input voltage, and the other Hall sensor embodied by channel acquisition speed analog volta

14、ge signal, after analog-digital conversion, converted into digital signals. Use Labview software programming to realize the input voltage waveform display and calculated motor speed.This design is a virtual instrument in the field of a simple monitoring and control applications. Practice Ming virtua

15、l instrument is an excellent solution that can efficiently implement various monitoring tasks.Keywords: virtual instrument; data collection; sensor第1章 緒論電機(jī)從研制、投產(chǎn)，到運(yùn)行和維修，其間的各個(gè)階段都要進(jìn)展一系列試驗(yàn)，以獲取電機(jī)的各種物理參數(shù)和性能指標(biāo)。近年來(lái)，一些新型電機(jī)(如雙繞組電機(jī)等)的應(yīng)用日益廣泛。這些電機(jī)的試驗(yàn)特點(diǎn)是測(cè)試工程多、各個(gè)工程測(cè)試的參量多，而且往往要求對(duì)多個(gè)參數(shù)同時(shí)測(cè)量，測(cè)試要求精度高。使用傳統(tǒng)的測(cè)試儀表進(jìn)展測(cè)試，由于自動(dòng)

16、化程度低，操作十分復(fù)雜，工作量大，而且精度也難以到達(dá)要求。因此，建立一種高精度的自動(dòng)化程度高的測(cè)試手段變得十分重要。虛擬儀器是全新概念的新一代的測(cè)量?jī)x器。自1987年誕生以來(lái)，這一技術(shù)與前幾代測(cè)試儀器相比，以前所未有的速度迅猛開(kāi)展。本文介紹了虛擬儀器的概念和LabVIEW的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及已開(kāi)發(fā)成功的基于LabVIEW的電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成和軟件開(kāi)發(fā)，并重點(diǎn)介紹了在LabVIEW下一些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法。電機(jī)電機(jī)是指依據(jù)HYPERLINK 電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種HYPERLINK 電磁裝置。HYPERLINK 電動(dòng)機(jī)也稱俗稱HYPERLINK 馬達(dá)，在電路

17、中用字母“M舊標(biāo)準(zhǔn)用“D表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。發(fā)電機(jī)在電路中用字母“G表示。它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，目前最常用的是，利用HYPERLINK 熱能、水能等推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)發(fā)電，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)電也慢慢走進(jìn)我們的生活。 電機(jī)按工作電源種類劃分：分為HYPERLINK 直流電機(jī)和HYPERLINK 交流電機(jī)。按構(gòu)造和工作原理劃分：分為直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。按起動(dòng)與運(yùn)行方式劃分：分為電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)和分相式單相異步電動(dòng)機(jī)。按用途劃分：分為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用

18、電動(dòng)機(jī)。按轉(zhuǎn)子的構(gòu)造劃分：分為籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電動(dòng)機(jī)。按運(yùn)轉(zhuǎn)速度劃分：分為高速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)、恒速電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)。低速電動(dòng)機(jī)又分為齒輪HYPERLINK 減速電動(dòng)機(jī)、電磁減速電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)和爪極同步電動(dòng)機(jī)等。1.1.1 直流電機(jī) 定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)HYPERLINK 電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和HYPERLINK 機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作HYPERLINK 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是HYPERLINK 直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作HYPERLINK 發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是HYPERLINK 直流發(fā)電機(jī)，將

19、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)的構(gòu)造應(yīng)由HYPERLINK 定子和轉(zhuǎn)子兩大局部組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的局部稱為HYPERLINK 定子，定子的主要作用是產(chǎn)生HYPERLINK 磁場(chǎng)，由機(jī)座、主HYPERLINK 磁極、換向極、端蓋、軸承和HYPERLINK 電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的局部稱為HYPERLINK 轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生HYPERLINK 電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)展能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為HYPERLINK 電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、HYPERLINK 電樞繞組、HYPERLINK 換向器和風(fēng)扇等組成。一臺(tái)直流電機(jī)原那么上既可以作為HYPERLINK 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，

20、也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這種原理在電機(jī)理論中稱為可逆原理。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載或HYPERLINK 電網(wǎng)，對(duì)外供電，此時(shí)電機(jī)作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流HYPERLINK 電流引向電樞繞組，那么此電流與主磁極N、S產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生HYPERLINK 轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與連接于其上的機(jī)械負(fù)載工作，此時(shí)電機(jī)作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。直流電機(jī)的工作原理： 直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。感應(yīng)電動(dòng)

21、勢(shì)的方向按HYPERLINK 右手定那么確定磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理導(dǎo)體受力的方向用左手定那么確定。這一對(duì)HYPERLINK 電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克制電樞上的阻轉(zhuǎn)矩例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。1.1.2 交流電機(jī)交流電機(jī)是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大開(kāi)展，交流電機(jī)已成為最常用的電機(jī)。交流電機(jī)與HYPERLINK 直流電機(jī)相比，由于

22、沒(méi)有HYPERLINK 換向器見(jiàn)直流電機(jī)的換向，因此構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造方便，比擬結(jié)實(shí)，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)。交流電機(jī)HYPERLINK 功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬(wàn)千瓦、甚至上百萬(wàn)千瓦。20世紀(jì)80年代初，最大的汽輪發(fā)電機(jī)已達(dá)150萬(wàn)千瓦。交流電機(jī)的分類：按電機(jī)功用分類：交流電機(jī)主要分為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。發(fā)電機(jī)主要分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)是兩極高速同步電機(jī)，是依靠燃燒煤、核能等能源進(jìn)展發(fā)電的。是火力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠的主要設(shè)備之一，由汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電。水輪發(fā)電機(jī)是多極低速同步電機(jī)，是依靠水力的位能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能作為能源來(lái)進(jìn)展發(fā)電的，由水輪機(jī)

23、驅(qū)動(dòng)發(fā)電。柴油發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電，兩者組成柴油發(fā)電機(jī)組。通常用作土礦企業(yè)、醫(yī)院、樓房的應(yīng)急備用電源；軍事與民用通信、伐地和野外作業(yè)，車輛船舶等特殊用途的獨(dú)立電源，以及電網(wǎng)輸送不到、又不適于建立火力發(fā)電廠地區(qū)的生活和生產(chǎn)所需的電源和多種移動(dòng)電站等。交流電動(dòng)機(jī)又分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電機(jī)的三相對(duì)稱繞組，接通三相交流電后，在空氣隙中產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速為v=60f/p的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行速度n始終保持與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一樣速度(n=v)的電動(dòng)機(jī)稱為同步電動(dòng)機(jī)。主要用于軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等。優(yōu)點(diǎn)是能向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。缺點(diǎn)是需要直流勵(lì)磁，構(gòu)造比擬復(fù)雜，電機(jī)造價(jià)較貴。電機(jī)

24、的運(yùn)行速度n始終低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度(nv)的交流電機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)。異步電機(jī)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用在石油、化土、電站、礦山、冶金等土業(yè)部門，用于驅(qū)動(dòng)泵、風(fēng)機(jī)、粉碎機(jī)等機(jī)械設(shè)備，在各種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，有90%左右的設(shè)備采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。異步電機(jī)的缺點(diǎn)是：1.從電網(wǎng)中吸取無(wú)功勵(lì)磁功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞；2.調(diào)速性能差，不能用于軋鋼、造紙等轉(zhuǎn)速要求嚴(yán)格恒定的設(shè)備中，也不能用于在運(yùn)行中轉(zhuǎn)速要求有所變化的設(shè)備中。1.2 虛擬儀器1.2.1 虛擬儀器技術(shù) HYPERLINK t _blank 虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件

25、來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的開(kāi)展而出現(xiàn)的新技術(shù)。虛擬儀器是通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)資源微處理器、存儲(chǔ)器、顯示器和儀器硬件A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理器的測(cè)量功能結(jié)合起來(lái)，形成的測(cè)量裝置或測(cè)試系統(tǒng)。用戶通過(guò)友好的圖形界面稱為虛擬面板操作計(jì)算機(jī)，就像操作傳統(tǒng)儀器一樣，通過(guò)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)儀器模塊間的通信、定時(shí)、觸發(fā)，以及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)，并形成圖形化接口。虛擬儀器由計(jì)算機(jī)、儀器軟件和儀器硬件組成。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)根本要素。其中，硬件的功能是獲取被測(cè)試的物理信號(hào)，提供信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?。虛擬儀器的硬件技術(shù)以GPIB、PX

26、I等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)接口總線的開(kāi)展為開(kāi)展標(biāo)志。GPIB、PXI接口是早期比擬流行的接口，隨著虛擬儀器技術(shù)的開(kāi)展，現(xiàn)在使用比擬廣泛的接口是DAQ、PXI和LXI。DAQData Acquisition儀器，即數(shù)據(jù)采集儀器是一種典型的虛擬儀器，以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件如某類總線和計(jì)算機(jī)軟件虛擬儀器應(yīng)用軟件結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)特定儀器測(cè)量和分析的功能。由儀器卡組成DAQ儀器的方式主要有三種：內(nèi)插式，即將儀器卡插入微機(jī)內(nèi)部總線上來(lái)構(gòu)成DAQ儀器；外掛式，即將微機(jī)總線引到擴(kuò)展箱中，在擴(kuò)展箱里插入儀器卡來(lái)構(gòu)成DAQ儀器；直接外掛式，即在并行口、USB口等微機(jī)外總線接口上接入儀器卡來(lái)構(gòu)成DAQ儀器。GPIBG

27、eneral Purpose Interface Bus總線技術(shù)，即IEEE-488總線，是一種數(shù)字式并行總線，它將可編程儀器和計(jì)算機(jī)嚴(yán)密結(jié)合起來(lái)。典型的GPIB儀器系統(tǒng)由一臺(tái)PC、一塊GPIB接口板卡和假設(shè)干臺(tái)GPIB儀器通過(guò)GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線連接而成。目前，這種應(yīng)用已經(jīng)較少。VXIVMEbus Extensions For Instrumentation，意為“VMEbus在儀器領(lǐng)域內(nèi)的擴(kuò)展是繼GPIB第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)之后，為適應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)從別離臺(tái)式構(gòu)造向高密度、高效率、多功能、高性能的模塊構(gòu)造開(kāi)展的需要，吸收智能儀器和PC儀器之設(shè)計(jì)思想，集GPIB系統(tǒng)和高級(jí)微機(jī)內(nèi)總線VMEbus之精華設(shè)計(jì)

28、而成的儀器。它克制了GPIB儀器的數(shù)據(jù)傳輸率和資源利用率低的缺點(diǎn)。PXIPCI Extensions For Instrumentation總線儀器是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，主要特點(diǎn)是模塊化。PXI總線儀器以CompactPCI為根底，改良了PCI總線技術(shù)，增加了PCI插槽，使之適合試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用，是一種有別于GPIB等總線構(gòu)造的新型虛擬儀器體系構(gòu)造。GPIBVXIPXI總線方式適合大型高精度集成系統(tǒng)GPIB于1978年問(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。PC插卡并口式串口USB方式適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用開(kāi)展前景PC插卡式于80年代初問(wèn)世，并行口方

29、式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。綜上所述，虛擬儀器的開(kāi)展取決于三個(gè)重要因素。計(jì)算機(jī)是載體，軟件是核心，高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。相信隨著科技的不斷創(chuàng)新開(kāi)展，隨著人們對(duì)其更需人性化的需求，虛擬儀器的開(kāi)展也將會(huì)不斷地更上一個(gè)臺(tái)階，讓其發(fā)揮出應(yīng)有而更廣泛的的成效，讓人們的生活更加美好。虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：1.盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。2.可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。3.用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。4.虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的根底理論主

30、要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的LabVIEW。5.虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)拈_(kāi)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW 2.0以前的版本。對(duì)虛擬儀器和LabVIEW長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開(kāi)發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW的最新版本為L(zhǎng)abVIEW 2021，LabVIEW 2021為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版

31、本中被初次引入。使用LabVIEW軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境,該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time工具對(duì)嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)展并行編程的首選。6.普通的PC有一些不可防止的弱點(diǎn)。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要開(kāi)展方向是制定了VXI標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒(méi)有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的VXI機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。VXI儀

32、器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為廉價(jià)的PXI標(biāo)準(zhǔn)儀器。本次課題是基于虛擬儀器的電機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中LabVIEW是整個(gè)系統(tǒng)的核心，只有把LabVIEW這個(gè)模塊運(yùn)用得當(dāng)，才可能使系統(tǒng)完整，才可能使本次課題得以成功實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器NI公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的

33、函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序子VI的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。美國(guó)國(guó)家儀器公司NINational Instruments提出的虛擬測(cè)量?jī)x器VI概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器的先河。“軟件即是儀器這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和I/O部件來(lái)構(gòu)建虛擬儀器。I/O部件可以是獨(dú)立儀器、模塊化儀器、數(shù)據(jù)采集板DAQ或傳感器。N

34、I所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品如LabVIEW、GPIB產(chǎn)品、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、信號(hào)處理產(chǎn)品、圖像采集產(chǎn)品、DSP產(chǎn)品和VXI控制產(chǎn)品等。1.2.2 虛擬儀器開(kāi)展現(xiàn)狀本設(shè)計(jì)利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW和傳感器及數(shù)據(jù)采集卡等硬件實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集和分析處理以及波形顯示。作為一種圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)的LabVIEW有了越來(lái)越多的開(kāi)展空間，基于LabVIEW的電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試儀表具有精度高、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波分析儀、示波器、電壓表、電流表、轉(zhuǎn)速表等多種儀器的功能。本設(shè)計(jì)還可用于長(zhǎng)時(shí)間高速連續(xù)采集,不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)喪失和串道的問(wèn)題。不似其他語(yǔ)言，LabVIEW是與

35、硬件關(guān)聯(lián)很嚴(yán)密的尤其是NI的板卡產(chǎn)品，同時(shí)是一個(gè)具有革命性的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的復(fù)雜性，為您提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還保證了系統(tǒng)靈活性。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在了同一個(gè)環(huán)境中，讓您可以在自己的平臺(tái)上無(wú)縫地集成一套完整的應(yīng)用方案。近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。美國(guó)HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺(tái)軟件，美國(guó)Tektronis公司的Ez-Te

36、st和Tek-TNS軟件，以及美國(guó)HEM Data公司的Snap-Marter平臺(tái)軟件，是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的RS-232串行總線、GP-IB通用接口總線、VXI總線，以及已經(jīng)被PC機(jī)廣泛采用的USB通用串行總線和IEEE-1394總線即Firewire，也叫做火線。世界各國(guó)的公司，特別是美國(guó)NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開(kāi)發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件插件，可以靈活地組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器開(kāi)發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種通用計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器效勞，而且也注意建立各種

37、儀器專用的總線系統(tǒng)。美國(guó)NI公司在1997年9月1日推出模塊化儀器的主流平臺(tái)PXI，這是與Copact PCI完全兼容的系統(tǒng)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái)PXI/Compace，PCI的傳輸速度已經(jīng)到達(dá)100Mb/s，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及其變換方面也做了許多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢隊(duì)波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等，使虛擬儀器開(kāi)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)測(cè)試

38、系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì)：虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的根底上開(kāi)展起來(lái)的，所以完全“繼承了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)展復(fù)雜的分析。此外，不斷開(kāi)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改良整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的本錢加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。在驅(qū)

39、動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)立、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低本錢的測(cè)量和控制解決方案。虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要消耗大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。使得測(cè)試水準(zhǔn)更加完善。 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成虛擬儀器由硬

40、件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為根底的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)展通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的

41、軟件資源，是虛擬儀器的硬件根底。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的開(kāi)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速開(kāi)展。按照測(cè)控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)造，它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。測(cè)試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實(shí)用成果時(shí)，就用軟件就是儀器來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開(kāi)場(chǎng)就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。在虛擬儀

42、器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四局部。(1)儀器面板控制軟件儀器面板控制軟件即測(cè)試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。(2)數(shù)據(jù)分析處理軟件利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。(3)儀器驅(qū)動(dòng)軟件虛擬儀器驅(qū)動(dòng)

43、程序是處理與特定儀器進(jìn)展控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動(dòng)器與通信接口及使用開(kāi)發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級(jí)的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開(kāi)發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動(dòng)器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的核心是驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)VI集，函數(shù)VI是指組成驅(qū)動(dòng)的模塊化子程序。驅(qū)動(dòng)程序一般分為兩層，底層是儀器的根本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)VI層，它根據(jù)具體測(cè)量要求調(diào)用底層的函數(shù)VI。(4)通用I/O接口軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件構(gòu)造中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越重要。VXI總線即插

44、即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)，即這種軟件構(gòu)造是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫(xiě)的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS-232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)周期，而且徹底改變了測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)的方式和手段。 虛擬儀器系統(tǒng)軟面板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器軟面板是用戶用來(lái)操作儀器，與儀器進(jìn)展通信，輸入?yún)?shù)設(shè)置，輸出結(jié)果顯示的用戶接口。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)那么是：1.按照VPP標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性、可移植性。2.根據(jù)測(cè)試要求確定儀器功能。根據(jù)測(cè)試任務(wù)確定儀器

45、軟面板具體測(cè)試、測(cè)量功能，開(kāi)關(guān)、控制等設(shè)置要求。3.用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)軟面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，一個(gè)虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個(gè)虛擬儀器組成，每個(gè)虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。1.3 數(shù)據(jù)采集組建一個(gè)基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)，傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊是最根本的硬件。其中，傳感器是將被測(cè)試的物理量轉(zhuǎn)換為電量的根本環(huán)節(jié)；數(shù)據(jù)采集那么將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)供計(jì)算機(jī)進(jìn)展分析處理。本節(jié)將介紹虛擬儀器中數(shù)據(jù)采集的根本知識(shí)。數(shù)據(jù)采集就是將被測(cè)對(duì)象的各種參量物理量、化學(xué)量、生物量等通過(guò)各種傳感器件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進(jìn)展數(shù)據(jù)處理或記錄

46、的過(guò)程?？刂破饕话阌杏?jì)算機(jī)承當(dāng)。計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)展控制，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展加工處理。在智能儀器、信號(hào)檢測(cè)與處理、工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，都存在著信號(hào)的采集與處理問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造如圖1.1所示。圖1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造利用NI公司提供的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集程序，模擬信號(hào)的采集過(guò)程如圖1.2所示。數(shù)據(jù)采集卡中通過(guò)多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩存Buffer幾個(gè)部件將多通道的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩存中。計(jì)算機(jī)通過(guò)LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中的采集控制電路進(jìn)展控制，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)之間通過(guò)計(jì)算機(jī)總線實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)和傳遞控制

47、信息。圖1.2 模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集的過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟。(1)數(shù)據(jù)采集VI傳遞相關(guān)采樣參數(shù)給數(shù)據(jù)采集卡。 采樣頻率：即多路開(kāi)關(guān)進(jìn)展一次掃描的頻率。采樣次數(shù)：即多路開(kāi)關(guān)掃描的次數(shù)。采樣通道：即多路開(kāi)關(guān)對(duì)哪些通道進(jìn)展掃描。數(shù)據(jù)緩存的大?。捍_定可以將多少掃描的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存中。(2)采樣開(kāi)場(chǎng)，多路開(kāi)關(guān)對(duì)采樣通道進(jìn)展一次掃描，每個(gè)通道一個(gè)點(diǎn)。(3)采樣的模擬信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。(4)數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存中。(5)重復(fù)(2)-(4)的操作，知道完成所需的采樣次數(shù)。(6)從數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)緩存中讀取數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。(7)單點(diǎn)、單通道或不經(jīng)過(guò)緩存的采

48、樣過(guò)程將上述過(guò)程做相應(yīng)的簡(jiǎn)化即可。第2章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)電機(jī)相關(guān)的數(shù)據(jù)有很多，我選擇的是測(cè)量電機(jī)的輸入電壓與電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主要有兩個(gè)局部，一個(gè)是電機(jī)的數(shù)據(jù)采集和LABVIEW的程序及數(shù)據(jù)處理局部，一路直接采集電機(jī)的輸入電壓，另外一路通過(guò)霍爾傳感器將采集來(lái)的與轉(zhuǎn)速相關(guān)的電壓信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絃ABVIEW的相關(guān)程序中經(jīng)過(guò)分析處理，最終得到轉(zhuǎn)速。大體的采集過(guò)程見(jiàn)以下圖2.1所示。 圖2.1 總體方案設(shè)計(jì)圖第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件總體概述 圖3.1 硬件總體設(shè)計(jì)圖3.2 硬件組成局部3.2.1 傳感器傳感器英文名稱：transducer/sensor是一種檢測(cè)裝置，能感受到

49、被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)?；魻杺鞲衅?霍爾HYPERLINK 傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾A.H.Hall，18551938于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)HYPERLINK 電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種HYPERLINK 霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、HYPERLINK 檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是

50、研究半導(dǎo)體材料性能的根本方法。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的HYPERLINK 霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及HYPERLINK 載流子遷移率等重要參數(shù)霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式?；魻栯娏鱾鞲衅饕话阌稍呺娐?、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級(jí)線圈和放大電路等組成。圖3.2 霍爾傳感器及其接線方式3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等，這些功能分別有響應(yīng)的單元電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬輸入是采集卡最根本的功能。它一般由多路開(kāi)關(guān)、放大器、采樣/保持電路，以及A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這些局部，一個(gè)模擬信

51、號(hào)就以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)化器的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇適宜的A/D轉(zhuǎn)化器。選用數(shù)據(jù)采集卡的根本原那么如下：通道數(shù)：就是HYPERLINK 板卡可以采集幾路的信號(hào)，分為單端和差分。常用的有單端32路/差分16路、單端16路/差分8路采樣頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)所需時(shí)間有關(guān)，例如：AD轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)需要T = 10uS，那么其采樣頻率f = 1 / T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。它用赫茲Hz，常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等緩存的區(qū)別及它的作用：主要用來(lái)存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)

52、。有HYPERLINK 緩存可以設(shè)置采樣頻率，沒(méi)有那么不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應(yīng)用在數(shù)據(jù)HYPERLINK 采集卡上，主要用來(lái)存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。做數(shù)據(jù)緩沖，HYPERLINK 存儲(chǔ)量不大，速度快,RAM是HYPERLINK 隨機(jī)存取內(nèi)存的簡(jiǎn)稱。一般用于高速HYPERLINK 采集卡，HYPERLINK 存儲(chǔ)量大，速度較慢。分辨率：HYPERLINK 采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的HYPERLINK 模擬量的值，常有12位、14位、16位等，12HYPERLINK 位分辨率，HYPERLINK 電壓5000mV12位所能表示的數(shù)據(jù)量為40962的12次方，即5000 mVHY

53、PERLINK 電壓量程內(nèi)可以表示4096個(gè)電壓值，單位增量為5000 mV/ 4096=1.22 mV精度：測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差，標(biāo)稱數(shù)據(jù)HYPERLINK 采集卡的測(cè)量準(zhǔn)確程度，一般用滿量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常見(jiàn)的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如滿量程范圍為010V，其精度為0.1%FSR，那么代表測(cè)量所得到的數(shù)值和真實(shí)值之間的差距在10mv以內(nèi)。量程：輸入信號(hào)的幅度，常用有5V、10V 、05V 、010V ，要求輸入信號(hào)在量程內(nèi)進(jìn)展增益：輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，分為程控增益和硬件增益，通過(guò)數(shù)據(jù)HYPERLINK 采集卡的電壓放大芯片將AD

54、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)展固定倍數(shù)的放大。由兩種型號(hào)PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。觸發(fā)：可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，指定啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換方式。3.3 信號(hào)采樣和A/D轉(zhuǎn)換3.3.1 信號(hào)采樣數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)所采集信號(hào)的特性有所了解，因?yàn)椴煌盘?hào)的測(cè)量方式和對(duì)采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測(cè)信號(hào)，才能選擇適宜的測(cè)量方式和配置采集系統(tǒng)。信號(hào)通常是指包含一定信息量的函數(shù)，這些函數(shù)可以是狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率等。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。其中數(shù)字信號(hào)又可分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)；模擬信號(hào)可分為直流信號(hào)、時(shí)域信號(hào)

55、和頻域信號(hào)。(1)數(shù)字信號(hào)第一類數(shù)字信號(hào)是開(kāi)關(guān)信號(hào)，如圖3.6所示。所示一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的瞬間狀態(tài)有關(guān)。TTL信號(hào)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，一個(gè)TTL信號(hào)如果在2.0-5.0V之間，就定義它為邏輯高電平，如果在0-0.8V之間，就定義為邏輯低電平。圖3.6 開(kāi)關(guān)信號(hào)第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)，如圖3.7所示。這種信號(hào)包括一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間里。安裝在電機(jī)軸上的光電編碼器的輸出就是脈沖信號(hào)。有些裝置需要數(shù)字輸入，比方一個(gè)步進(jìn)電機(jī)就需要一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來(lái)控制位置和速度。(2)模擬直流信號(hào)模擬直流信號(hào)是靜止的或變化非常

56、緩慢的模擬信號(hào)，如圖3.8所示。直流信號(hào)中最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運(yùn)載信息的幅度。(3)模擬時(shí)域信號(hào)模擬時(shí)域信號(hào)與其他信號(hào)的不同在于，它在運(yùn)載信息時(shí)不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化，如圖3.9所示。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，即一個(gè)波形時(shí)，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比方斜度、峰值等。為了測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，必須有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間序列，序列的時(shí)間間隔也應(yīng)該適宜，以保證信號(hào)的有用局部被采集到。要以一定的速率進(jìn)展測(cè)量，這個(gè)測(cè)量速率要能跟上波形的變化。圖3.9 模擬時(shí)域信號(hào)(4)模擬頻域信號(hào)模擬頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)類似，然而從頻域信號(hào)中提取的信息是基于信號(hào)的頻域內(nèi)容的，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間

57、變化的特性，如圖3.10所示。上述信號(hào)分類不是互相排斥的，一個(gè)特定的信號(hào)可能運(yùn)載多種信息，可以用幾種方式來(lái)定義并測(cè)量它，用不同類型的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，從信號(hào)中取出需要的各種信息。圖3.10 模擬頻域信號(hào)模擬量的數(shù)據(jù)采集可分為常規(guī)的直流采樣和交流離散采樣兩種方法。直流采樣的優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)濾波和去掉高頻干擾，信號(hào)比擬穩(wěn)定，對(duì)ADC要求不高，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：滯后大，測(cè)量準(zhǔn)確度受變送器準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度影響。交流采樣的優(yōu)點(diǎn)：加快了對(duì)被測(cè)量突變的跟蹤反響速度，實(shí)時(shí)性好；提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度和穩(wěn)定性；易于掌握輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)高次諧波采集分析。缺點(diǎn)：可靠性較低，抗干擾能力較差，CPU計(jì)算量較大，對(duì)

58、ADC轉(zhuǎn)換速度要求較高。交直流采樣各有優(yōu)勢(shì)，但從總體看，交流采樣要優(yōu)于直流采樣，因?yàn)槠渌俣?、性價(jià)比，以及單通道內(nèi)含的信息量都要優(yōu)于直流采樣，所以異步電機(jī)選用交流采樣法。3.3.2 采樣頻率選擇對(duì)于模擬信號(hào)的采集，一個(gè)重要的問(wèn)題是采樣頻率的選取，即每秒鐘采集的點(diǎn)數(shù)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須是采集信號(hào)最高頻率的兩倍以上。如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一般。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置呢？通常用戶可能會(huì)首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，長(zhǎng)時(shí)間使用很高的采樣頻率可能

59、會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存缺乏或者硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)太慢。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了，實(shí)際上工程中選用5-10倍，有時(shí)為了較好地復(fù)原波形，甚至更高一些。通常，信號(hào)采集后都要做適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，例如FFT等。因此，對(duì)樣本數(shù)又有一定的要求，一般不能只提供一個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)樣本，希望有5-10個(gè)周期，甚至更多的數(shù)據(jù)樣本，而且希望所提供的樣本總數(shù)是整周期個(gè)數(shù)。這樣可能產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，有時(shí)并不知道或不確切知道被采樣信號(hào)的頻率，因此不但采樣頻率不一定是信號(hào)頻率的整倍數(shù)，也不能保證是整周期數(shù)的樣本。所有的僅僅是一個(gè)時(shí)間序列的離散的函數(shù)x(n)和采樣頻率，這是測(cè)量與分析的唯一依據(jù)。3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)

60、A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。四個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。 (1)采樣與保持將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量稱為采樣。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時(shí)間。(2)量化和編碼數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)的最小量值叫做量化單位。將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位的整數(shù)倍的過(guò)程叫做量化。用二進(jìn)制代碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程，叫做編碼。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過(guò)程中不可防止會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級(jí)分得越多n越大，量化誤差越小。 直接A/D轉(zhuǎn)換器：并行比擬