0 引言

　　虛擬儀器一般主要包括計(jì)算機(jī)、軟件平臺(tái)和儀器硬件等三部分。虛擬儀器的硬件形式雖有區(qū)別，但基本構(gòu)成是一樣的。即將儀器硬件搭載到計(jì)算機(jī)上，利用相應(yīng)的軟件完成控制、測(cè)試及數(shù)據(jù)處理和顯示任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字化采集測(cè)試分析系統(tǒng)。

　　1 虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成

　　圖1所示是一個(gè)虛擬儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由圖可見(jiàn)，整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，其中硬件部分主要由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡以及電壓電流傳感器組成，數(shù)據(jù)采集卡采用研華USB4711數(shù)據(jù)采集卡，具有12位AI分辨率，采樣速率高達(dá)150 kS/s，同時(shí)具有16路模擬量輸入、2路模擬量輸出、8路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出以及1路32位計(jì)數(shù)器;軟件部分采用LabWindows虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、錄波、波形顯示等功能，并可分析信號(hào)的有效值、功率、諧波分量、相位角、對(duì)稱分量等信息。電壓電流信號(hào)通過(guò)傳感器可轉(zhuǎn)換成0～10 V，4～20 mA信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后傳給電腦，并在LahWindows平臺(tái)下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以記錄并顯示數(shù)據(jù)波形。

?

　　2 測(cè)量原理

　　本系統(tǒng)可用于測(cè)量三相電壓電流的有效值、功率、頻譜、諧波、相位角、對(duì)稱分量，下面介紹各個(gè)參數(shù)的計(jì)算及實(shí)現(xiàn)原理和方法。

　　2.1 有效值計(jì)算

　　對(duì)于連續(xù)信號(hào)，假設(shè)電壓信號(hào)瞬時(shí)表達(dá)式為u(t)，則有

?

　　然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化采樣，以得到序列{u[k]}，則電壓有效值為：

?

　　2.2 頻譜與諧波分析

　　采用FFT變換可將采樣得到的數(shù)字信號(hào)中各次諧波在頻域中進(jìn)行分離，以求出各次諧波頻率，并得到各次諧波下電壓電流的幅值和相角頻譜;然后，再將采樣得到的數(shù)字信號(hào)利用對(duì)稱分量法進(jìn)行計(jì)算，即可求出基波的正序和負(fù)序分量。

　　離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform)的實(shí)質(zhì)是有限長(zhǎng)序列傅立葉變換的有限點(diǎn)離散采樣，因此，該變換開(kāi)辟了頻域離散化的道路，它可使數(shù)字信號(hào)的處理在頻域采用數(shù)字運(yùn)算的方法進(jìn)行，從而大大增加了數(shù)字信號(hào)處理的靈活性。將信號(hào)經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后變成離散時(shí)間信號(hào)，一般可采用離散傅立葉(DFT)變換法。其長(zhǎng)度為M的有限長(zhǎng)序列x(n)的傅立葉變換公式為：

?

　　通常快速傅立葉變換(FFT)不是一種新的變換，而是離散傅立葉變換(DFT)的一種快速算法。它通過(guò)對(duì)DFT變換式進(jìn)行一次次的分解，以使其成為若干項(xiàng)DFT的組合，從而減小運(yùn)算量。本文采用的FFT以2為基數(shù)，它具有運(yùn)算效率高，程序簡(jiǎn)單，使用方便等特點(diǎn)。

　　3 系統(tǒng)功能

　　3.1 用戶界面功能

　　本系統(tǒng)的功能主要是通過(guò)軟件的實(shí)現(xiàn)。表1所列是該虛擬儀器的軟件功能列表。圖2所示是其電力系統(tǒng)錄波儀的主界面圖。

?

　　3.2 數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)

　　為了避免數(shù)據(jù)阻塞，減少運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)采集與用戶界面的影響，本錄波儀的軟件部分采用多線程技術(shù)。LabWindows提供有線程池(th-readpool)和異步定時(shí)器(asynchronous timers)兩種多線程機(jī)制。本文采用線程池及機(jī)制編寫(xiě)。但采用多線程有可能造成數(shù)據(jù)不必要的改動(dòng)甚至出錯(cuò)，因此，LabWindows提供了線程安全隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。它可將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入安全隊(duì)列，分析數(shù)據(jù)時(shí)再?gòu)陌踩?duì)列中取出。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用二進(jìn)制形式，數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)的部分程序如下：

?

　　3.3 數(shù)據(jù)分析

　　數(shù)據(jù)分析主要是分析信號(hào)的有效值、功率、諧波分量、相位角等信息。諧波分量、相位角分析采用FFT算法，可通過(guò)極坐標(biāo)的變換得到;功率譜分析也可利用FFT算法及相應(yīng)算法得到。FFT可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)化，其函數(shù)原型為：

?

　　Int status=FFT(double x[]，double y[]，intn);

　　其中，參數(shù)x輸出為傅立葉變換的實(shí)部，y輸出為傅立葉變換的虛部。x和y既是輸入，也是輸出，n為x，y的長(zhǎng)度，并且一定是2的整數(shù)次冪。實(shí)現(xiàn)該功能的核心代碼如下：

?

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的錄波儀不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)錄波儀的功能，而且具有造價(jià)低，使用方便，可實(shí)現(xiàn)資源共享等特點(diǎn)。此外，本系統(tǒng)還可改成分布式系統(tǒng)，即采用嵌入式主板加數(shù)據(jù)采集卡，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)文件，而用上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行處理并顯示。