虚拟仪器技术课程设计报告-谐波测量分析系统设计.doc

虚拟仪器技术课程设计报告谐波测量分析系统设计目 录一 课程设计任务 11,课程设计任务书 12,课程设计目的 43,课程设计要求 44,课程设计内容 45,课程设计报告要求 46,课程设计进度安排 47,课程设计考核办法 5二 总体设计方案 61,虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别 62,虚拟仪器labview的组成和特点 62.1,虚拟仪器labview的组成62.2,虚拟仪器labview的特点73,谐波分析系统的总体结构图 8三 谐波测量分析系统的工作原理101,分析系统的工作原理102,分析系统的使用说明10四,程序流程图13五,调试，运行及结果16六,收获，体会19七,参考文献20虚拟仪器技术课程设计任务书(三)题目：谐波测量分析系统设计一,课程设计任务随着科学技术的发展，各种电子产品在电力系统中得到大量应用，特别是各种非线性负载包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电网中的电压和电流波形产生周期性畸变。电网中除了与供电电源同频率的正弦量(称为基波分量)以外，还出现了一系列大于基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)。这一系列正弦分量统称为电力谐波。当电网中存在的谐波成分超过一定指标，轻者增加能耗，缩短设备运行寿命，重则造成停电事故，直接影响安全生产。所以，对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。labview具有强大的信号分析与数学运算功能，在它的数学分析库中包含了数以百计的vi 程序，能够进行各种时域与频域信号分析。本课题通过虚拟仪器labview图形化软件开发平台，设计一种谐波测量分析系统。本课题中系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的labview虚拟仪器软件开发平台，将labview软件引入到谐波测量分析系统中，能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率thd、thd，231次各次谐波电流含有率等参数。具体指标与要求如下：(一) 要求设计一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流，具体要求为：1、频率范围：0.001hz100khz；2、幅值：0200a，可选；3、直流偏置：0100v，可选；4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动（提示：用循环结构）；5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。(二) 谐波测量分析系统能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率thd、thd，231次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。(三) 谐波测量分析系统可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频（四）所有测量分析的参数都要在系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱图要求分别进行波形显示。谐波分析原理：对于周期为的电流谐波信号进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的电流分量，还得到一系列大于电网基波频率的电流分量，如下式所示：，() (1)其中，称为次电流谐波，称为次电流谐波的幅值，谐波频率与基波频率的比值()称为谐波次数。求模拟信号连续频谱的一般方法是对它做傅立叶变换： (2)用数字方法实现傅立叶变换的数学基础是离散傅立叶变换(dft)。离散傅立叶变换的数学表达式为 (3)电流总畸变率和： (4) (5)其中称为次电流谐波的幅值，为基波电流的幅值，为周期性交流量方均根值。谐波含有率指第n次电流谐波的rms值与基波电流rms值的比率，即 (6)二、课程设计目的通过本次课程设计使学生具备：1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器labview图形化软件设计方法与调试技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）提高学生的论文撰写和表述能力；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知识的能力。三、课程设计要求1、了解和掌握整个虚拟仪器平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景；2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据各种独立测量仪器的功能和工作原理，确定谐波测量分析系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；3、利用虚拟仪器labview软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序；4、撰写完整的课程设计报告。四、课程设计内容1、谐波测量分析系统前面板设计；2、谐波测量分析系统框图程序设计。五、课程设计报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）课程设计任务书；（2）总体设计方案(包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器labview图形化程序的组成和特点，为什么选择虚拟仪器labview图形化软件开发平台来设计谐波测量分析系统，谐波测量分析系统的总体结构图等)；（3）简述所设计的谐波测量分析系统的工作原理及自己的设计结果所实现的功能，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的谐波测量分析系统；（4）程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；（5）调试、运行及其结果；要求有谐波测量分析系统设计的源程序和运行结果等。3、收获、体会4、参考文献六、课程设计进度安排本课程设计共需1周时间，其具体安排见下表:时 间上午下午星期一课程设计动员、布置课程设计任务查找与消化相关资料、总体方案设计星期二软件设计软件设计星期三软件设计软件设计星期四系统调试系统调试及性能分析与总结、撰写课程设计报告星期五完成课程设计报告并上交答辩七、课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。总体设计方案一,虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别：虚拟仪器（virtural instrument, vi）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大的突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通过计算机上加一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计使用的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（daq）、串/并口、ieee488接口（gpib）卡、vxi控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、gpib仪器控制系统、vxi仪器系统以及这三者之间的任意组合。虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件,dsp技术相结合，在系统内共享软硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。传统仪器与虚拟仪器系统的比较如下表所示。 传统仪器与虚拟仪器系统的比较传统仪器虚拟仪器系统系统标准仪器厂商定义用户自定义系统关键硬件软件系统更改仪器功能，规模固定系统功能，规模可通过软件修改，增减系统连接系统封闭，与其他设备连接受限开放的系统，可方便的与外设，网络及其他应用连接价格昂贵低，可重复使用技术更新周期510年12年开发，维护费用高低由此可见，虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的特性仪器。二,虚拟仪器labview的组成和特点:虚拟仪器主要由以下几部分组成：1、界面控件库2、数据输入、输出3、数据处理方法库4、数据表示库5、数据存储与管理6、任意信号发生7、图形界面编程环境界面控件库中包括一些常用仪器的面板部件，如指示器、计量表、发光二极管、按钮、转盘、刻度盘、滑动条等，每个控件都带有可编程的函数与属性。数据输入与输出是指从外部设备获取数据进入计算机或从计算机输出数据去控制外部设备，需要建立与数据采集板、串并口、以及其他标准化接口（ieee-488、gpib、rs-232、rs-422、scsi、vxi等）通信的驱动软件，从而扩展仪器的适用范围与应用领域。数据处理方法库中集中了许多数据处理方法，如fft计算、滤波、建模、参数估计等，并提供这些处理方法的编程接口，只需把这些方法简单的组合即可完成各种复杂的任务。数据表示是指用一定的方式来显示数据和处理结果，其中包括数字显示、曲线显示、直方图、散点图、二维图形、三维网格图形、三维填充图形、四维图形、图象乃至动态图形或图象等，使得数据表示十分直观，易于理解。数据存储与管理主要是指提供数据存储的格式、数据查询方法、数据浏览方法等。信号产生是指根据需要产生任意信号，其中一些标准信号可以用于仪器测试和自检之用。图形编程环境是指用户可以任意组合控件与方法，将其联接成一个整体，形成专用仪器的工具。利用虚拟仪器用户可以象搭积木一样很快生成所需要的各种仪器。三，labview具有如下特点:（l）直观、易学易用。与visual c、visual basic等计算机编程语言相比，图形化编程工具labview有一个重要的不同点：不采用基于文本的语言产生代码行，而使用图形化编程语言g编写程序；产生的程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。因而可在很短的时间内被掌握并应用到实践中去，特别适合硬件工程师、实验室扶术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用。（2）通用编程系统。labview的功能并没有因图形化编程而受到限制，依然具有通用编程系统的特点。labview有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。该函数库包括数据采集、gpibgpib gpib程序库中包括ieee 488.2应用程序和传统的gpib应用程序。gpib 488.2应用程序中增加了ieee 488.2兼容性，具有ieee 488.2的功能。 、串口串口 串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机包含两个基于rs232的串口。串口同时也是仪器仪表设备的通信协议，并可用于获取远程采集设备的数据。 全文控制、数据分析、数据显示及数据存储等。labview也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其通过程序的结果、单步执行等，便于程序的调试。labview的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。（3）模块化。labview还有一个特点是模块化，体现在两个方面。首先，labview中使用的基本节点和函数等就是一个个小的模块，可以直接使用；另外，由labview编写的程序即虚拟仪器虚拟仪器 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。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将ni labview图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。 全文模块（virtrual instrument，vi），除了作为独立程序运行外，还可作为另一个虚拟仪器模块的子模块（即子vi）供其他模块程序使用。四，谐波分析系统的总体结构图 1.总体结构图谐波测量分析系统正弦信号噪声信号模拟加入噪声后的电流谐波失真分析基本平均直流均方根基波频率thd各次谐波thd图2-12.前面板图2-2 谐波测量分析系统的工作原理一，工作原理首先通过正弦波信号发生器模拟实际电流，并可调节幅值、相位、频率，再产生一个高斯噪声信号，然后将高斯噪声与正弦信号相加得原始电流波形，接着进行模拟测量低压配电系统的基波电流，将电流原始波形通过谐波失真分析得到基波频率与thd以及n次电流谐波幅值，将n次电流谐波幅值通过数组索引得基波分量与直流分量，将电流原始波形通过基本平均直流-均方根，得到 周期性交流量方均根值，根据公式 以及得出thd。根据公式得出各次谐波含有率，为了得到231次各次谐波电流含有率，将各次谐波通过一个for循环以及case结构，加到数组索引端，将数组索引的输出接入case结构输出结果，最后将n次电流谐波幅值接创建波形函数的y端，生成新的频谱图。最后将总的程序框图放入一个while循环。通过stop按钮即可控制程序的运行。二，使用说明如图所示，首先设计一个通道的争正弦信号发生器模拟实际电流： 图3-1用户可以通过改变频率，相位，偏置，振幅来对信号进行各种要求改变。前面板上有是否加入噪声的选项，若要求加入噪声，用户可以按下噪声按钮，并根据要求对噪声进行设置：图3-2通过改变采样信息可以满足对不同频率的正弦波模拟。图3-3对信号的分析结果通过这图3-4一个功能模块显示出来，包括基波频率，thd,thd,直流分量，基波分量。 该面板包括231次各次谐波电流含有率。图3-5通过graph将得到频谱图。图3-6程序流程图一，程序流程图图4-1二，框图程序的设计及实现方法调试，运行及结果一，调试结果用一个频率为10，相位为1，振幅为1的正弦函数模拟电流，在没有加入噪声的情况下，初始波形如图所示：其相关系数如图：图5-1频谱图如图所示：图5-2图5-3 各次谐波如下表：谐波次数谐波值谐波次数谐波值21.63834170.044728430.426331180.076651940.189781190.12650250.121242200.044756360.0983185210.07701470.0604104220.047809280.0614673230.047781890.132465240.0449745100.0351449250.0245466110.0968501260.0689716120.0431772270.034428130.023222280.0600002140.0561603290.0505665150.0177477300.0555986160.0776298310.0515387 表5-1当信号中加入种类为1，幅值为1的噪声时，波形如图所示：各个相关系数如下： 图5-4频谱图如图所示： 图5-5各次谐波如下表： 图5-6谐波次数谐波值谐波次数谐波值22.58556173.5108433.34067182.0727145.6616195.069757.81039203.533362.13358214.3183977.81039222.0248182.41121234.2954794.66291242.80021102.51428252.52079114.65598262.71366124.97565273.03117133.19997283.37026143.59916294.75794155.2734304.705161.11618313.36643表5-2收获体会虚拟仪器是当前国内外刚刚起步的研究领域，许多高技术公司和研究所都看好这一市场应用前景，纷纷投入大量的人力、物力和财力，加紧开发与研究。虚拟仪器是多媒体计算机的一个重要应用领域，是多学科交叉、渗透的产物，其中浓缩了许多高、精、尖的科学技术。虚拟仪器不是仪器却高于仪器，它大大缩短了新型仪器的开发周期，节省了仪器开发的费用，它不仅是开发仪器的工具，而且也是进行科学研究的有力手段。虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成化仪器的基础，是仪器行业的一场革命，它的研制与开发具有深远的意义.通过为期一周的实训,然我更加深刻的认识到了labview的好多用处,更加加深了这学期所学习的知识,还让我以前有一些不会的地方得到了细致的了解.同时让我了解到了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。灵活高效的软件能帮助创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。充分的发挥了虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这几大优势。通过这次实训，我收获了很多，一方面学习到了许多以前没学过的专业知识与知识的应用，另一方面还提高了自己设计东西的能力。本次实训，是对我能力的进一步锻炼，也是一种考验。从中获得的诸多收获，也是很可贵的，是非常有意义的。在实训中我学到了许多新的知识。首先，对系统结构与应用有了系统的认识，对软件测试，数据分析，信号处理有了深刻的认识和掌握。通过后期的项目，我对前期学到的知识，有了更好的