（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟器技术的电能质量监测分析系统的研究与开发.pdf

关键字电能质量监测，虚拟仪器，l a b v i e w ，数字信号处理，信号 调理，数据采集系统 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t0 fv i r t u a l i n s t r u m e n tb a s e dm o n i t o r i n ga n d a n a l y z i n gs y s t e mf o rp o w e rq u a l i t y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n di t sw i d e l y a p p l i c a t i o n ，t h e r e r eai o to fn o n - l i n e a ri o a d si n c r e a s e d ，w h i c hc a u s et h e c u r r e n ta n dv o l t a g et ob ed i s t o r t e da n dr e s u l ti nh a r m o n i cp o l l u t i o n s s h o c k a n df l u c t u a t i n gi o a d sa l s ob r i n gai o to fh i g ho r d e rh a r m o n i c sa n dm a k e v o l t a g ef l u c t u a t i o n ，f l i c k e ra n du n b a l a n c ew o r s e t h e yw i l i j o w e rt h es a f e t y o fe l e c t r i cd e v i c ea n di n t e r f e r et h eo p e r a t i o no fp o w e rn e t f i v en a t i o n a l s t a n d a r d sh a v eb e e np u b l i s h e dt h e s ey e a r si no r d e rt oe n h a n c et h e m a n a g e m e n to fp o w e rq u a l i t y t h i st h e s i sd e v e l o p sar e a lt i m em o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mb a s e d o nv i r t u a ii n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya f t e rr e s e a r c h i n ga b o u tt h em a t h e m a t i c m e a s u r e m e n 七m o d e i nd e t a i l f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h ev it e c h n o l o g ya n dt h e p r i n c i p l e so fs t a n d a r d sm e a s u r e m e n t s s e c o n d ，i tr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p s as i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i ti nt y p i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m l a s tb u tn o l e a s t ，i tr e a l i z e st h em o n i t o r i n ga l g o r i t h m sb ygl a n g u a g ep r o g r a m m i n gi n l a b v i e wp l a t f o r m t h i ss y s t e mh a st h ec h a 厂a c t er s t i c so fv i s u a i z a t i o n ， d y n a m i c ，o p e n i n ga n dm o d u l a 厂i z a t i o n i na d d i t i o n ，s e v e r a if a c t o r sw h i c hw i l i i n f i u e n c et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n th a v eb e e nr e s e a r c h e di nd e t a i l f r e q u e n c ys o f t t r a c k i n ga l g o r i t h m ，w i n d o w i n gm e t h o d sa n da d d i t i v ew h i t e n o i s ei n f l u e n c e si s a n a l y z e di n t h i st h e s i s t h er e a l i z a t i o no fc o n t i n u o u s s y s t e mf u n c t i o n si nd i g i t a is y s t e mj sd i s c u s s e d ，s i m u l a t e da n dd e s i g n e d c o m m u n i c a t i o nm o d e si nm o d e r nm e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i o ns y s t e m s a r ed i s c u s s e da n dt c p i p - b a s e dd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w oi n d u s t r i a i p c si sr e a i z e di nl a b v i e w t h i st h e s i ss o l v e st h ep r o b l e m so fl i m i t e dc o n t e n t sa n dr e s t r i c t e d f u n c t i o n si np o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m g o o du s e ri n t e r f a c em a k e s o b s e r v a t i o na n dp r o b l e m d e t e c t i o nm u c he a s i e r t h es y s t e md e v e l o p e di n l a b v i e wc a nb ec o m p i l e di nd i f f e r e n tp l a t f o r ma n di t sc o m p a t i b i l i t yc a n b r o a d e nt h ea p p l i c a t i o na r e a s p cp l u sd a q ss t r u c t u r e sa l s oe c o n o m i z et h e s e c o n d d e v e l o p m e n t i nc o n c l u s i o n ，t h i ss y s t e mh a sap r o m i s i n gf u t u r ei n a p p l i c a t i o n so fp o w e rm o n i t o r i n g k e yw o r d sp o w e rq u a l i t y m o n i t o r i n g ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gls i g n a lc o n d i t i o n i n gid a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 香赢 日期：刁；年1 月1 5 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ， 保密瓯在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：夼磊飚 丫。叭 日期：如力擎1 月1 罗日 舯溯签名瑰t 日期护 年月、日 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 第一章概述弟一早僦硷 1 1 问题提出的背景和意义 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展 水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增 加，同时对电能质量的要求也越来越高。 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦的波形，按规定的电 压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小 相等、相位互差1 2 0 0 的对称状态。由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等 等) 参数并不是理想线性或对称的，加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其 变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存 在，因此就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念 1j 。 电能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频 率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、 三相不平衡以及电压波动和闪变等。 人们对电能质量问题的重视并非近几年的事情，而是伴随电力系统发展的全 过程，只不过早期包含的内容比较简单，主要局限在频率偏差和电压偏差两个方 面。自从8 0 年代以来，随着新型电力负荷的出现以及它们对电能质量不断增加 的要求，电能质量问题才逐渐引起电力公司和电力用户的普遍重视，其主要原因 有以下几个方面： ( 1 ) 为了提高劳动生产率和自动化水平，大量基于计算机系统的控制设备 和电子装置投入使用，这些装置对电能质量非常敏感。一个计算中心失去电压 2 s 就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万美元的产值。当今自 动化设备的连续精加工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自动化 生产线，例如柔性制造系统( f m s ) 或计算机综合制造系统( c i m s ) ，它们对 配电系统中的干扰和异常非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部 造成混乱，这些用户对不合格电力的容许度严格到只有持续工频1 2 频率周期。 ( 2 ) 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大的变化，诸如半导体整流器、 晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷的迅速 发展，由于其非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸 变，或引起电压波动和闪变以及三相不平衡，甚至引起系统频率波动等，这些对 供电电能质量会造成严重的干扰或“污染”。 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 ( 3 ) 电能作为商品，在电力市场运行机制下，不同的发电公司，包括独立 电能生产者，在发电侧实行竞争，输配电系统( 即电力公司) 与发电分离，独立 经营管理，为发电公司和用户提供转送电能服务，用户侧也可以作为独立实体参 加价格控制。这样一个开放和鼓励竞争的运行环境，必然对电能质量提出越来越 高的要求，并促使电能质量标准化的发展和不断完善。 电能质量与一般产品质量不同，有其如下特点：( 1 ) 不完全取决于电力生 产企业，甚至有的质量指标( 例如谐波，电压波动和闪变，三相电压不平衡度) 往往是由用户干扰所造成的；( 2 ) 对于不同的供( 或用) 电点在不同的供( 或 用) 电时刻，电能质量指标往往是不同的，也就是说，电能质量在空间上和时间 上均处于动态变化之中。 由于电能质量关系重大，已引起世界各国的广泛重视。在这种情况下，一方 面采取种种可能的技术措施，抑制电能质量的恶化，使其尽量得到改善，另一方 面在系统中的特殊点处装设专门的电能监测系统，准确及时地检测出电能质量方 面存在的问题。长期以来，我国的电力供应一直比较紧张，人们关注的焦点主要 在电力供应量方面，对电能质量关心不多。近年来，随着电力供应紧张局面的初 步缓解，电能质量的日益恶化和用户对电能质量要求不断提高，这一问题也已引 起了各级电力部门的高度重视，国家已颁布了有关的技术标准。专门监视记录电 压合格率的自动装置己在一些电力部门投入实际运行，不少的微机式故障录波 器、变电站自动化系统等装置中也考虑了兼顾电能质量监视的问题 2 1 0 然而， 到目前为止，这些装置在电能质量监测方面的功能还比较单一，不具备综合分析 和判断功能，致使电能异常现象不能及时被发现，产生严重的后果。由此可见， 利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能优良、安 装简单、使用方便的电能质量综合监测系统，是十分必要的，对提高电力系统供 电的安全性、可靠性和经济性，保证用电设备的正常工作和工农业生产的持续高 效，都有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 美国、欧洲、日本等发达国家对电能质量己进行了多年的研究，获得了大量 的数据，取得了许多重要的理论和应用成果。我国对电能质量的研究正处于起步 阶段，但也取得了较大的进展 3 1 0 目前，在国际上，研究的热点主要有两方面：一方面是电能质量的监测分析 算法的研究；另一方面是电能质量监测系统的构建。对于前者来说，主要有谐波 分析方法4 1 和电压波动和闪变数字化测量方法t s l 。对于后者来说，主要包括一 些监测系统体系的研究与实现6 1 。 ( 1 ) 谐波分析方法 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 谐波分析的目的是求出各次谐波的幅值和相角，针对不同类型的谐波，有相 应的分析方法。对于稳态谐波通常使用f f t 算法，此外，还有快速h a r t l e y 变 换( f h t ) 算法，离散w 变换等等；对于暂态谐波，有改进的f f t 分析m 1 ，小 波变换等方法“1 。傅里叶变换有着明确的物理意义：变换域反映了信号的频率 成分，因此它是最常用的变换。而且经过多年的发展，现在无论从理论上还是实 现上都已很完备。介绍它的文献和书籍也最多，这里就不再赘述。但需要注意的 是：若使用顺序采样，即采样间隔固定，则采样频率不一定能与输入信号同步， 则应在采样后加窗函数嘣1 ，以减少由谱泄漏造成的误差，此外，还有插入算法、 采样序列的重组算法，这些算法都是以牺牲计算量为代价，即使如此，也不能完 全消除谱泄漏造成的误差。若要完全避免这种误差，可采用数字锁相技术使采样 频率与信号基频同步。此外，数据窗宽度增大可减弱由于信号中存在的间谐波而 造成的栅栏效应，但同时它的增大对快速变化的谐波将不能很好地反映。为此， 在i e c 标准中采取了折衷的方案，把谐波按其变化的快慢分为3 类，并为其规 定了不同的数据窗宽度。 h a r t l e y 变换把时域内的实函数( t ) 变换后在频域内仍是一个实函数 h ( ) ，f h t 较f f t 算法速度更快( 可快6 倍) ，并且占用存贮空间更少，其原 因是变换因子是实数，而不象f f t 的e 。j 此那样是复数，而且由于傅氏变换和 h a r t l e y 变换之间存在着一一对应的关系，这使得用f f t 完成的功能用f h t 同 样也可以完成。离散w 变换( dw t ) 不但可以完成f h t 的功能，而且还可以 得到分数倍谐波( 即谐波是基波的奇数倍再除以2 ) ，因此d w t 更具普遍性。 以上的谐波分析方法均适用于稳态谐波，对于暂态谐波到目前为止没有很明 确的分析方法，但也有学者对暂态谐波的分析进行了可贵的探索四1 。 针对f f 算法只能计算按倍数谐波的缺陷，研究人员提出“谐波群”( g r o u p h a r m o n i c ) 的概念，即用整数倍谐波周围的群谐波来表示此整数倍谐波。如对 于3 0 0 h z 谐波，可用下式表示： 1 3 0 0 h z = j 2 9 4 h z + j r 2 9 6 h z + z 2 9 8 h z + 2 3 0 0 h z + 1 2 3 0 2 h z + j z 3 0 4 h z( 1 1 ) 这样表示谐波可以减少栅栏效应( p i c k e t - - f e n c ee f f e c t ) ，提高计算精 度但如何准确计算整倍数谐波周围的这些间谐波仍是比较困难的问题。 小波变换是近年来新兴的一种信号分析工具，利用小波变换来分析电力系统 暂态谐波1 正在起步。小波变换可以克服加窗傅里叶变换的窗宽是固定的缺陷， 而且小波变换具有很好的时域和频域特性，含有高达3 2 次谐波成分的信号若用 小波表示只需要5 个，利用小波变换可以提高运算速度和精度，减小存储空间， 甚至可削弱”吉布斯”现象。但是小波变换后的形式是各种“小波”，它是否可方 便地转化为传统的人们可接受的频谱成分仍然值得进一步研究。 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 ( 2 ) 闪变的数字化实现方法 这部分研究热点主要包括调幅波的检波方法和多采样速率算法的应用。常用 的检波方法有：平方检波、整流检波和有效值检波。由于白炽灯的照明与电压平 方成正比，平方检波与其它两种检波方法相比，它的直流分量和2 倍工频分量 与调幅波之比均小1 ，因此i e c 推荐使用平方检波方法。 另外，由于i e c 给出闪变仪的设计标准( 在第三章中有详细描述) 适用于 模拟方式。对数字化方法没有具体的指导。由于被测信号的动态范围较大，模拟 技术对电路要求较高，而用数字技术则没有这类问题的发生，并能保证有足够的 精度。 一种方法是对调幅波进行f f t 分析，求出其平均幅值，并与闪变觉察曲线 ( 已存入微机中) 相比较，若超过此曲线则判断为闪变。另一种方法是把i e c 标准的模拟式电路均用数字信号处理方法( 数字滤波器，f f t ) 来实现，而且采 用多采样率速率算法( m u l t i r a t ea l g o r i t h m s ) 。 ( 3 ) 监测系统的体系结构 传统的谐波测量仪使用模拟滤波完成信号的分析，由于其费时，而且精度不 高，目前大多不用。现在采用微处理机构成的数字式仪器被大量生产。 单片机电力谐波分析仪 1 0 1 , 采用8 0 9 8 单片机，能对6 路信号同时采样， 可通过f f t 计算4 0 次谐波成分。但由于8 0 9 8 单片机本身速度的局限性，它不 能完全进行实时计算，而且观测图形结果必须通过打印机。 借助于计算机技术和网络技术的发展，目前国际上的一些学者正致力于一些 新型监测体系的研究：如基于d s p 的监测装置n l l ，基于r s 一4 8 5 的监测结构， 基于电力线载波的监测结构u 列等。 在国内，对于电能质量的全过程监测，目前还处于研究的初期阶段。以往单 一的频率、电压监测现在已远远不能满足要求；在谐波分析方面，国内的高校和 科研机构做了大量的工作，也取得了一些成果；电压波动和闪变的测量则刚刚伴 随着国家于近年颁布的新标准而起步，目前成熟的研究成果还比较少。 1 3 课题研究的主要工作 1 3 1 系统架构与软件特点 随着电力工业市场运行的发展，中小型电站的运行正从早期的常规保护、人 工控制发展到现在的无人值守远动控制、系统综合自动化。面向对象的综合自动 化系统采用全分布式通讯网络，具有功能下放、风险分散、组态灵活简单等特点。 相对于系统结构的发展，监控软件的开发变化依然不大，多采用c c + + 等高级 语言编程开发且往往针对某个具体应用开发。因为没有系统性和具有前瞻性的结 构框架，该方式缺点明显，如开发周期长、强度大、移植扩展困难。美国n a t i o n a l 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 i n s t r u m e n t 公司作为虚拟仪器技术的发起者和推动者，借助于计算机技术和网 络技术的发展，推出了l a b v i e w 开发平台。l a b v i e w 有着广泛的硬件支持、 开放性互连、图形界面优美等优点，非常适合用来开发通用化、智能化、网络化 的监测系统，如电能质量监测系统。 作为电能质量监测的实时监测软件，不仅要能够完成大量快速的计算及显 示，还应具有友好清晰的人机界面，使用户能从大量繁多的数据中找到自己关心 的电量，监视电网运行状态。因此，本课题研究和开发的电能质量监测软件应该 具有以下特点： ( 1 ) 可视化：可视化编程是当今软件的潮流e 1 3 将其用于电力系统应用 软件，可将运行人员从繁多的数据文件中解放出来，只需用鼠标点击图形界面， 即可完成以往繁重的计算、测量和操作等步骤。 ( 2 ) 动态化：作为实时监测软件，图象和波形的动态刷新将会直观地反映 出电力系统运行状态的变化，这就如同运行人员直接查看安装在电力系统中的测 量表计，填写表格，绘制波形图。 ( 3 ) 开放式：一个好的用户软件应该允许用户自定义自己习惯的操作方式， 在标准w i n d o w s 风格的基础上实行开放式管理，由用户按自己的需要任意组合 操作对象，并具有记忆功能，保存用户习惯设置，最大限度地简化用户的操作步 骤。 ( 4 ) 模块化：开放式的软件设计通常都采用面向对象( o o p ) 技术，这首先 可以保证了数据、工具和界面的集成，同时也可实现程序设计的结构化与模块化。 ( 5 ) 多任务：电能质量监测中的通信、界面显示和数据处理应该是同步完 成的，也就是说，这是一个多任务的并行过程。由于采用了w i n d o w s 9 8 n t 操作系统，这可以很方便地使用其特有的多线程的方法来实现。对于复杂的应用 程序来说，线程提供了保持高效快速处理数据的能力，在转向其他任务之前，不 必再等待程序的某一部分完成其任务。 1 3 2 算法研究与实现 软件风格固然重要，但是作为工业用的监测系统，测量准确性更为重要。本 课题对电能质量监测算法做了大量的研究与仿真工作，同时，在编程实现的时候， 对于电压、频率、三相不平衡度、谐波监测算法在l a b v i e w 平台下的实现结果， 也做了反复验证。对于如电压波动与闪变等国家颁布不久的电能质量指标，本课 题基于虚拟仪器技术用g 语言实现了数字化的分析算法，并对分析结果进行了 探讨。 上海交通大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术和l a b v i e w 平台 第二章虚拟仪器技术和l ab v i e w 开发平台 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a ii n s t r u m e n t ，简称v i ) 是全新概念的仪器，是对传统 仪器概念的重大突破，它的出现使测量仪器和计算机之间的界线消失，开始了测 量仪器的全新时代，是仪器领域的一次革命。 所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义， 具有虚拟面板，测试功能由软件实现的一种计算机仪器系统。它通过配置以获取 调理信号为主要目的的i o 接口设备( 如数据采集卡d a q 、g p i b 总线仪器、 v x i 总线仪器模块、串口r s 2 3 2 4 8 5 仪器等) 以及实现不同测量功能的软件 对采集的信号数据进行分析处理及显示。以这种方式构成的虚拟仪器系统实质上 是计算机仪器系统，这就意味着，当硬件平台( i o 接口设备与计算机) 确定后， 给予系统某种功能软件，该系统就成为某种测试仪器。这就是虚拟仪器的优势所 在1 钔。 现代的仪器、仪表特别是分析仪表一般价格都非常昂贵( 主要贵在数据的处 理分析部分) ，而且随着测量、分析理论的不断进步，仪表本身也在不断的升级 换代，其发展变化的速度很快，旧型号的仪表不断被淘汰。而淘汰的原因一般都 不在于传感器和信号调理部分，而是由于数据处理分析的方法已经过时。虚拟仪 表的用户则不会有这种烦恼，用户既不必购买多台不同功能或者集多种功能于一 身的传统仪表，也不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展， 与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序，就可以不断使它扩展、增 强它的测量功能。也就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创 了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给使用者带来无尽的收益。在自 动监控系统中，由于虚拟仪器的实质就是计算机仪器系统，所以在和主机的通讯 方面有着传统仪器无可比拟的优越性。 2 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 1 通用仪器硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由两部分构成：一是一台p c 机或工作站，它是硬件平 台的核心。另一部分是i o 接口设备，它主要完成被测输入信号的采集、放大、 6 上海交通大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术和l a b v i e w 平台 模数转换。根据采用的不同总线及其相应的i o 接口硬件设备，如利用p c 机 总线的数据采集卡板( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线 仪器等。 虚拟仪器的构成方式主要有5 种类型，如图2 1 所示。 一i 口f 一n 。o 军齐 l 7i 凡叫删删1 1 - ig m 系统l l 被测信号v x i 系统计算机 - i 跚系统i 。l 圭n 五毒1 一i 甲l 一尔习 i 一 图2 1 虚拟仪器的构成方式 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t p c d a q 系统：它是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件 平台组成的插卡式虚拟仪器系统，这种系统采用p c i 或i s a 计算机本身的总线， 故将数据采集卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 g p i b 系统：它是以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的 虚拟仪器测试系统。 v x i 系统：它是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平合组成 的虚拟仪器测试系统。 p x i 系统：以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚 拟仪器测试系统。 串口系统：它是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的 虚拟仪器测试系统 无论上述哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。 其中，p c - - d a q 测量系统是构成v i 的最基本的方式，也是最廉价的方式。在 本课题中，用的就是p c d a q 系统。对子其它的系统在本课题中没有涉及。 2 软件结构 虚拟仪器软件由两大部分构成，应用程序和i o 接口程序。 应用程序含两个方面：实现虚拟面板功能的前面板软件程序和定义测试功能 7 上海交通大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术和l a b v i e w 平台 的流程图软件程序。i 0 接1 ：3 仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱 动与通信。 2 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下几个特点： ( 1 ) 传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件。 由此导致许多认读与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上 的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单 纯化与面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器的 面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，而由 编程来实现，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。 ( 2 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的 功能。 ( 3 ) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义 好的。 ( 4 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需购买新的 仪器。 ( 5 ) 研制周期较传统仪器大为缩短。 ( 6 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备 互联。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：虚拟仪 器的关键是软件。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目 前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖 进口，这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚 拟仪器技术可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的 仪器系统。 2 4l a b v i e w 概述 2 4 。lg 语言与虚拟仪器 以图形化软件编程方法和集成开发环境为标志的虚拟仪器开发环境是虚拟 仪器技术研究的重要内容，也是虚拟仪器技术应用与发展的技术基础。美国国家 仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t t mr 简称n i ) 的创新产品l a b v i e w 是目前 最为成功、应用最为广泛的虚拟仪器软件开发环境，l a b v i e w 是实验室虚拟仪 器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 8 上海交通大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术和l a b v i e w 平台 的简称，实际上，虚拟仪器的概念最初就是在开发l a b v i e w 时提出的1 即。 虽然l a b v i e w 本身是一个功能比较完整的软件开发环境，但它是为替代常 规的b a s i c 或c 语言而设计的，l a b v i e w 是编程语言而不仅仅是一个软件开 发环境。作为编写应用程序的语言，除了编程方式不同外，l a b v i e w 具备语言 的所有特性，因此又称之为g 语言。 g 语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程语言。 和b a s i c 或c 语言一样，g 语言定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规 则等编程语言的基本要素，在功能完整性和应用灵活性上不逊于任何高级语言， 同时g 语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供了极大的方便。这些扩展函数 库主要面向数据采集、g p i b 和串行仪器控制，以及数据分析、数据显示和数据 存储。g 语言还包括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、单步调试、数据 探针和动态显示执行程序流程等功能。g 语言与传统高级编程语言最大的差别在 于编程方式，一般高级语言采用文本编程，而g 语自采用图形化编程方式。 g 语言编写的程序称为虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，因为它的界 面和功能与真实仪器十分相像，在l a b v i e w 环境上开发的应用程序都被冠 以v i 后缀，以表示虚拟仪器的含义。一个v i 由交互式用户接口、数据流框图 和图标连接端口组成，各部分功能如下。 ( 1 ) v i 的交互式用户接口因为与真实物理仪器面板相似，又称作前面板。 前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘 或鼠标获取数据并显示结果。 ( 2 ) v i 从数据流框图接收指令。框图是一种解决编程问题的图形化方法， 实际上是v i 的程序代码。 ( 3 ) v i 模块化特性。一个v i 既可以作为上层独立程序，也可以作为其他 程序( 或子程序) 的子程序。当一个v i 作为子程序时，称作s u b v i 。v i 图标 和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可在v i 与s u b v i 之间传递数据。 正是基于v i 的上述特性，g 语言最佳地实现了模块化编程思想。用户可以 将一个应用分解为一系列任务，再将每个任务细分，将一个复杂的应用分解为一 系列简单的子任务，为每个子任务建立一个v i ，然后，把这些v i 组合在一起完 成最终的应用程序。因为每个s u b v i 可以单独执行，所以很容易调试。进一步 而言，许多低层s u b v i 可以完成一些常用功能，因此，用户可以开发特定的 s u b v i 库，以适用一般的应用程序。 虚拟仪器概念是l a b v i e w 的精髓，也是g 语言区别于其他高级语言最显 著的特征。正是由于l a b v i e w 的成功，才使虚拟仪器的概念为学术界和工程界 广泛接受：反过来也正是因为虚拟仪器概念的延伸与扩展，才使l a b v i e w 的应 用更加广泛。 9 上海交通大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术和l a b v i e w 平台 2 4 2l a b v i e w 应用解决方案 l a b v i e w 自1 9 8 6 年正式推出，经过短短不到1 5 年的时间，已经发展到 以最新版本l a b v i e w6 i 为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计 过程控制、模糊控制和p i d 控制等众多附加软件包，运行于w i n d o w sn t 9 8 、 l i n u x 、m a c i n t o s h 和h p u x 等多种平台的工业标准软件开发环境。在美国， 许多工科大学己将l a b v i e w 作为课堂或实验室教学内容，作为工程师素质培养 的一个方面。不同领域的科学家和工程师都借助这个易用的软件包来解决工作中 的各种应用课题。 l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范围 的众多领域内得到了广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工 业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现应用 l a b v i e w 的成果和开发产品。 ( 1 ) l a b v i e w 应用于测试与测量 l a b v i e w 已成为测试与测量领域的工业标准，通过g p i b 、v x i 、p l c 、 串行设备和插卡式数据采集板可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最 大的仪器驱动程序库，同时还支持通过i n t e r n e t 、a c t i v e x 、d d e 和s q l 交互 式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变得 简单易行。 ( 2 ) l a b v i e w 应用于过程控制和工业自动化 l a b v i e w 强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计为过程控 制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。对于更复杂、更专业的工业自动化 领域，在l a b v i e w 基础上发展起来的b r i d g e v i e w 是更好的选择。 ( 3 ) l a b v i e w 应用于实验室研究与自动化 l a b v i e w 为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统 计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领 域，可满足各种计算和分析需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设计 等高级或特殊分析场合，l a b v i e w 也为此提供了专门的附加软件包。 2 5l a b v i e w 的软件设计方法 2 5 1l a b v i e w 的开发环境 与一般w n d o w s 程序相比，l a b v i e w 提供了3 个浮动的图形化工具模板， 分别是工具模板、控制模板和功能模板。这3 个模板功能强大，使用方便，表 示直观，是编程的主要工具n 6 l 。 1 工具模板( t o o l sp a l e t t e ) 工具模板主要用于v i 的创建、修改和调试。如果2 2 所示。 1 0 l * 2 # 顺十学位论文第= 口盅拟仪b 挫术目l a b v i e w 十 目2 2 上具模皈 f 1 02 2t o o l sp a l e t t e s 2 控件模扳( c o n t r o lp a l e t t e ) 可以通过控件模扳= 殳计时面扳对象。控件模扳按功能分类，每个工具图标叉 包含系列子模板。如图2 3 所示 图23 控件栏扳 f i g2 3c o n t r o ip a i e t t e s 3 功能模板( f u n o t i o n sp a l e t t e ) 伴随着框图程序窗口的是另一个更复杂的工具模板一一功能模板。 l a b v i e w 框图编程的所有函数按照功能分类都分布在功能模板的各个子模板 里。如崮2 4 所示。 刳24 功能模嗄 f i g2 - 4f u n c t i o np a l e t t e s 2 s 2l a b v i e w 中v i 的组成 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器( v i r t u a ii n s t r u m e n t s ) ，简称v i 一个最 基本的v i 由3 个部分组成：前面板( p a n e l ) 、框臣程序( d i a g r e mp r o g r a m m e ) 和目标连接端口( i c o n t e r m l n a f ) 。 l 前面板 曲面板就是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。由于v i 前 而扳是模拟真实仪器的前面板，所以称输入量为控制( c o n t r 0 1 ) ，称输出量为 指示( i n d i c a t o r ) 。在前面板中，可以使用各种图标，如旋钮、按钮、开关实 时趋势图和事后记录图等，就像真实的仪器面板一样。为了说明g 语言的原理， 笔者特别设计了一个温度测量系统。图2 5 所示的就是一个系统的前面板。 前面板由控制、指示和修饰( d e c o r a t i o n ) 构成。控制是用广设置和修改 v i 程序中输入量的接口，在某种意义上相当于c 语言中的输入语句s c a n f ：指 示则用于显示由v i 程序产生或输出的数据，相与于c 语言中的输 n 语勺p r i n t f ， 修饰的作用仅是将前面板点缀得更加美观，并不能作为v i 的输入或输出来使用。 在控制模板中专门有一个惨饰子模板。当然，也可以将外部蜀片( b m p 或 p e g ；如m j ；巫二f ：l lm 尚 l 藏若一m 。r i ；8 74 0 d e q f lf ；：；一d e qf | ；| ；圈|i 薰豳| 焉麴 医 00 。20 0q 60 0b i d0 口 ! 苎! ! ) 【q2 一s 温度监划系统的前面扳图 f i g2 。5f r o n tp a n e lo ft e m p e r a t u r em e a s ur e m e n ts y s t e m 为方便起见，本文将前面板中的控制和指示统称为前面板对象或控件。值得 一提的是，任何一个前面板对象都有控制和指示两种属生，在前面扳对象的右键 弹出菜单中选择c h a n g et oi n d i c a t o r 或c h a n g et oc o n t r o l 可以在这两种 属| 生之司切换。 2 框图程序 每一个前面板都有一个框图程序与之对应。框图程序用图形化编程语言编 写，可以把它理解成传统编程语言程序中的源代码。用图形而不是传统的代码进 行编程是l a b v i e w 最大的特色。 框图程序由节点( n o d e ) 和数据连线( w i r e ) 组成。 宵点是v i 程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或 者子程序。节点z 曰由数据连线按照一定的逻辑关系连接，可定义框图程序内的 数据流动方向。上述温度测量系统的框图程序就是典型例子，如崮2 - 6 所示。 l i 通走学顺十学位论土第= 口虚扭披8 术和l a d v i e w 平旨 幽2 6 温度监删系统的框图程序 f i g2 + 6b r o c kd i a gr a mo ft e m p e r a t u r em e a s ur e m e n ts y s t e m l a b v i e w 由4 种类型的节点： ( 1 ) 功能函数( f u n c t i o n s ) ：是l a b v i e w 内置节点，提供基本的数据与 对象操作例如数值计算、文件i o 操作、字符串运算、布尔运算和比较运算 等等。 ( 2 ) 结构( s t r u c t ur e s ) ：用于控制程序执行方式的节点，包括顺序结构、 选择结构、循环结构以及公式节点等。 ( 3 ) 代码接口节点( c i n ) ：l a b v i e w 与c 语言文本程序的接口。通过代 码接口节点，可以直接调用c 语言编写的源程序。 ( 4 ) 子v i ( s u b v i ) ：将一个已存在的v i 以s u b v i 的形式调用，相当于 传统编程语言中子程序的调用。通过功能模板中的s e l e c t a v i 子模板可以创建 一个s u b v i 节点。 宵点之问、节点与前面板对象之川是通过数据端口和数据连线来传递数据 的。数据端口是数据在前面板对象和框图程序之间传输的通道，是数据在框图程 序内节点之间传输的接口。 l a b v i e w 中有两种类型的数据端口。 ( 1 ) 控制端口和指示端口 控制端口和指示端口用于前面板对象，当