1、畢 業 設 計 題 目 電機數據采集分析系統的研發與設計 院系 電氣信息學院 專 業 班 級 學號 學生姓名 導師姓名 完成日期 2021年6月22日 誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業設計論文是在教師指導下進展的研究工作及取得的研究成果；2、據查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業設計論文中不包含其他人已經公開發表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構的學位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業設計論文中的所有內容均真實、可信。 作者簽名： 日期： 年 月 日畢業設計論文任務書 設計論文題目： 電機數據采集分析系統的研發與設計 姓名 院系 電氣信息學院 專業 班級 學

2、號 指導教師 職稱 教研室主任 一、根本任務及要求：設計一個基于虛擬儀器的電機數據采集系統，采用霍爾傳感器以及光電傳感器采集到轉速信號通過數據采集卡將數據傳至主機。通過LabVIEW圖形化編程對采集到的信號進展相應處理及波形顯示，通過測量計算出電機轉速。設計的主要任務是： = 1 * GB3 查閱相關資料確定總體設計方案； = 2 * GB3 根據課題要求確定硬件方案、硬件設計； = 3 * GB3 軟件設計，學習LabVIEW圖形化編程軟件，對軟件的具體模塊編程并對信號進展處理；完成文獻綜述、開題報告及畢業設計說明書及設計說明書的撰寫工作。 二、進度安排及完成時間：1、第1周至第3周：查閱相

3、關資料，搜集課題所需資料，了解課題現狀、課題研究的目的和意義，做好選題報告和文獻綜述。 2、第4周：參考相關資料，查閱相關文獻，自學相關知識，了解系統整個工作原理和設計方案，寫好開題報告。 3、第5周至第6周：確定總體設計方案及個人研究重點，分配課題研究任務。學習LabVIEW軟件。4、第7周至第8周：根據自己的研究方向和總體設計方案，初步構列出系統的硬件模塊和軟件模塊。完成硬件設計。 5、第9周至第10周：完成系統各軟件模塊的編寫及調試。 6、第11周至第13周：完成系統的軟件仿真和軟硬件聯調。 7、第14周至第15周：整理設計資料，撰寫畢業設計論文。 8、第16周至第17周：打印、裝訂論文

4、，進展畢業辯論。 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 PAGEREF _Toc13558 1 HYPERLINK l _Toc26672 1.1.2 交流電機 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 PAGEREF _Toc7236 3 HYPERLINK l _Toc1458 1.2.2 虛擬儀器開展現狀 PAGEREF _Toc1458 6 HYPERLINK l _Toc4795 1.2.3 虛擬儀器系統構成 PAGEREF _Toc4795 8 HYPERLINK l _Toc10449 1.2.4 虛擬儀器系統軟面板設計標準 PAGEREF _Toc10449 9 HYPERLINK l

6、 _Toc9065 1.3 數據采集 PAGEREF _Toc9065 9 HYPERLINK l _Toc24519 第2章 總體方案設計 PAGEREF _Toc24519 12 HYPERLINK l _Toc15919 2.1 總體方案設計 PAGEREF _Toc15919 12 HYPERLINK l _Toc24742 第3章 硬件設計 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 數據采集卡 PAGEREF _Toc23812 14 HYPERLINK l _Toc24712 3.3 信號采樣和A/D轉換 PAGEREF _Toc24712 15 HYPERLINK l _Toc16834 3.3.1 信號采樣 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轉換技術 PAGEREF _Toc10816 18 HYPERLINK l _Toc24558 3.4 硬件接線圖 PAGEREF _Toc24558 18 HYPERLINK l _Toc14212 第4章 軟件設計 PAGEREF _Toc14212 20 HYPERLINK l _Toc8141 4.1 前面板設計 PAGEREF _Toc8141 20 HYPERLINK l _Toc20225 4.2 程序設計 PAGEREF _Toc20225 20 HYPERLINK l _Toc10670 4.2.1 功能模塊 PAGEREF _Toc10670 20 HYP

9、ERLINK l _Toc16255 4.2.2 電機測速及輸入電壓程序 PAGEREF _Toc16255 25 HYPERLINK l _Toc12401 4.3 序調試與數據處理 PAGEREF _Toc12401 26 HYPERLINK l _Toc6807 總結 PAGEREF _Toc6807 27 HYPERLINK l _Toc26791 參考文獻 PAGEREF _Toc26791 28 HYPERLINK l _Toc20210 致謝 PAGEREF _Toc20210 29 HYPERLINK l _Toc2846 附 錄 PAGEREF _Toc2846 30電機數據

10、采集分析系統研發與設計 摘要：虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。虛擬儀器的圖形化語言圖形化數據流語言和程序框圖能自然地顯示您的數據流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數據，使我們能夠輕松地查看、修改數據或控制輸入。本設計要采集電機相關數據，選擇電機轉速及輸入電壓作為測量對象。本設計采用NI PCI-6281數據采集卡實現二通道的數據采集。一通道直接采集輸入電壓，另一通道采集通過霍爾傳感器表達轉速的模擬電壓信號，經過模數轉換，轉換為數字信號。利用Labview的軟件編程實現對波形的顯示輸入電壓并計算得出電機的轉速。本設計是虛擬儀器在測控領

11、域的一次簡單應用。實踐明虛擬儀器是一種優秀的解決方案，能夠高效的實現各種測控任務。關鍵字：虛擬儀器;數據采集;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 緒論電機從研制、投產，到運行和維修，其間的各個階段都要進展一系列試驗，以獲取電機的各種物理參數和性能指標。近年來，一些新型電機(如雙繞組電機等)的應用日益廣泛。這些電機的試驗特點是測試工程多、各個工程測試的參量多，而且往往要求對多個參數同時測量，測試要求精度高。使用傳統的測試儀表進展測試，由于自動

16、化程度低，操作十分復雜，工作量大，而且精度也難以到達要求。因此，建立一種高精度的自動化程度高的測試手段變得十分重要。虛擬儀器是全新概念的新一代的測量儀器。自1987年誕生以來，這一技術與前幾代測試儀器相比，以前所未有的速度迅猛開展。本文介紹了虛擬儀器的概念和LabVIEW的軟件開發環境，以及已開發成功的基于LabVIEW的電機數據采集系統的硬件組成和軟件開發，并重點介紹了在LabVIEW下一些關鍵技術的實現方法和數據分析方法。電機電機是指依據HYPERLINK 電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種HYPERLINK 電磁裝置。HYPERLINK 電動機也稱俗稱HYPERLINK 馬達，在電路

17、中用字母“M舊標準用“D表示。它的主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。發電機在電路中用字母“G表示。它的主要作用是利用機械能轉化為電能，目前最常用的是，利用HYPERLINK 熱能、水能等推動發電機轉子來發電，隨著風力發電技術的日趨成熟，風電也慢慢走進我們的生活。 電機按工作電源種類劃分：分為HYPERLINK 直流電機和HYPERLINK 交流電機。按構造和工作原理劃分：分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。按起動與運行方式劃分：分為電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。按用途劃分：分為驅動用電動機和控制用

18、電動機。按轉子的構造劃分：分為籠型感應電動機舊標準稱為鼠籠型異步電動機和繞線轉子感應電動機舊標準稱為繞線型異步電動機。按運轉速度劃分：分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。低速電動機又分為齒輪HYPERLINK 減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。1.1.1 直流電機 定義輸出或輸入為直流電能的旋轉HYPERLINK 電機，稱為直流電機，它是能實現直流電能和HYPERLINK 機械能互相轉換的電機。當它作HYPERLINK 電動機運行時是HYPERLINK 直流電動機，將電能轉換為機械能；作HYPERLINK 發電機運行時是HYPERLINK 直流發電機，將

19、機械能轉換為電能。直流電機的構造應由HYPERLINK 定子和轉子兩大局部組成。直流電機運行時靜止不動的局部稱為HYPERLINK 定子，定子的主要作用是產生HYPERLINK 磁場，由機座、主HYPERLINK 磁極、換向極、端蓋、軸承和HYPERLINK 電刷裝置等組成。運行時轉動的局部稱為HYPERLINK 轉子，其主要作用是產生HYPERLINK 電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進展能量轉換的樞紐，所以通常又稱為HYPERLINK 電樞，由轉軸、電樞鐵心、HYPERLINK 電樞繞組、HYPERLINK 換向器和風扇等組成。一臺直流電機原那么上既可以作為HYPERLINK 電動機運行，

20、也可以作為發電機運行，這種原理在電機理論中稱為可逆原理。當原動機驅動電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉時，電樞繞組上感生出電動勢，經電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負載或HYPERLINK 電網，對外供電，此時電機作直流發電機運行。如用外部直流電源，經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產生的磁場互相作用，產生HYPERLINK 轉矩，驅動轉子與連接于其上的機械負載工作，此時電機作直流電動機運行。直流電機的工作原理： 直流發電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變為直流電動勢的原理。感應電動

21、勢的方向按HYPERLINK 右手定那么確定磁感線指向手心，大拇指指向導體運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向。直流電動機的工作原理導體受力的方向用左手定那么確定。這一對HYPERLINK 電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克制電樞上的阻轉矩例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩，電樞就能按逆時針方向旋轉起來。1.1.2 交流電機交流電機是用于實現機械能和交流電能相互轉換的機械。由于交流電力系統的巨大開展，交流電機已成為最常用的電機。交流電機與HYPERLINK 直流電機相比，由于

22、沒有HYPERLINK 換向器見直流電機的換向，因此構造簡單，制造方便，比擬結實，容易做成高轉速、高電壓、大電流、大容量的電機。交流電機HYPERLINK 功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬千瓦、甚至上百萬千瓦。20世紀80年代初，最大的汽輪發電機已達150萬千瓦。交流電機的分類：按電機功用分類：交流電機主要分為發電機和電動機。發電機主要分為汽輪發電機、水輪發電機和柴油發電機。汽輪發電機是兩極高速同步電機，是依靠燃燒煤、核能等能源進展發電的。是火力發電廠、核能發電廠的主要設備之一，由汽輪機或燃氣輪機驅動發電。水輪發電機是多極低速同步電機，是依靠水力的位能轉換成動能作為能源來進展發電的，由水輪機

23、驅動發電。柴油發電機由柴油機驅動發電，兩者組成柴油發電機組。通常用作土礦企業、醫院、樓房的應急備用電源；軍事與民用通信、伐地和野外作業，車輛船舶等特殊用途的獨立電源，以及電網輸送不到、又不適于建立火力發電廠地區的生活和生產所需的電源和多種移動電站等。交流電動機又分為同步電動機和異步電動機。當電機的三相對稱繞組，接通三相交流電后，在空氣隙中產生一個轉速為v=60f/p的旋轉磁場。當電機的運行速度n始終保持與旋轉磁場一樣速度(n=v)的電動機稱為同步電動機。主要用于軋鋼機、球磨機、壓縮機、鼓風機等。優點是能向電網輸送無功功率，改善電網的功率因數。缺點是需要直流勵磁，構造比擬復雜，電機造價較貴。電機

24、的運行速度n始終低于旋轉磁場速度(nv)的交流電機稱為異步電動機。異步電機具有構造簡單、制造方便、運行可靠、維護簡便、價格低廉等優點，因此被廣泛的應用在石油、化土、電站、礦山、冶金等土業部門，用于驅動泵、風機、粉碎機等機械設備，在各種電氣傳動系統中，有90%左右的設備采用異步電機驅動。異步電機的缺點是：1.從電網中吸取無功勵磁功率，使電網的功率因數變壞；2.調速性能差，不能用于軋鋼、造紙等轉速要求嚴格恒定的設備中，也不能用于在運行中轉速要求有所變化的設備中。1.2 虛擬儀器1.2.1 虛擬儀器技術 HYPERLINK t _blank 虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件

25、來完成各種測試、測量和自動化的應用。虛擬儀器技術是隨著現代計算機技術、信息技術、現代測量技術的開展而出現的新技術。虛擬儀器是通過應用程序將計算機資源微處理器、存儲器、顯示器和儀器硬件A/D、D/A、數字I/O、定時器、信號調理器的測量功能結合起來，形成的測量裝置或測試系統。用戶通過友好的圖形界面稱為虛擬面板操作計算機，就像操作傳統儀器一樣，通過庫函數實現儀器模塊間的通信、定時、觸發，以及數據分析、數據表達，并形成圖形化接口。虛擬儀器由計算機、儀器軟件和儀器硬件組成。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個根本要素。其中，硬件的功能是獲取被測試的物理信號，提供信號傳輸的通道。虛擬儀器的硬件技術以GPIB、PX

26、I等先進的計算機接口總線的開展為開展標志。GPIB、PXI接口是早期比擬流行的接口，隨著虛擬儀器技術的開展，現在使用比擬廣泛的接口是DAQ、PXI和LXI。DAQData Acquisition儀器，即數據采集儀器是一種典型的虛擬儀器，以微型計算機為平臺，將計算機硬件如某類總線和計算機軟件虛擬儀器應用軟件結合起來，實現特定儀器測量和分析的功能。由儀器卡組成DAQ儀器的方式主要有三種：內插式，即將儀器卡插入微機內部總線上來構成DAQ儀器；外掛式，即將微機總線引到擴展箱中，在擴展箱里插入儀器卡來構成DAQ儀器；直接外掛式，即在并行口、USB口等微機外總線接口上接入儀器卡來構成DAQ儀器。GPIBG

27、eneral Purpose Interface Bus總線技術，即IEEE-488總線，是一種數字式并行總線，它將可編程儀器和計算機嚴密結合起來。典型的GPIB儀器系統由一臺PC、一塊GPIB接口板卡和假設干臺GPIB儀器通過GPIB標準總線連接而成。目前，這種應用已經較少。VXIVMEbus Extensions For Instrumentation，意為“VMEbus在儀器領域內的擴展是繼GPIB第二代自動測試系統之后，為適應測試系統從別離臺式構造向高密度、高效率、多功能、高性能的模塊構造開展的需要，吸收智能儀器和PC儀器之設計思想，集GPIB系統和高級微機內總線VMEbus之精華設計

28、而成的儀器。它克制了GPIB儀器的數據傳輸率和資源利用率低的缺點。PXIPCI Extensions For Instrumentation總線儀器是PCI在儀器領域的擴展，主要特點是模塊化。PXI總線儀器以CompactPCI為根底，改良了PCI總線技術，增加了PCI插槽，使之適合試驗、測量與數據采集場合應用，是一種有別于GPIB等總線構造的新型虛擬儀器體系構造。GPIBVXIPXI總線方式適合大型高精度集成系統GPIB于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。PC插卡并口式串口USB方式適合于普及型的廉價系統，有廣闊的應用開展前景PC插卡式于80年代初問世，并行口方

29、式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。綜上所述，虛擬儀器的開展取決于三個重要因素。計算機是載體，軟件是核心，高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。相信隨著科技的不斷創新開展，隨著人們對其更需人性化的需求，虛擬儀器的開展也將會不斷地更上一個臺階，讓其發揮出應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.可充分發揮計算機的能力，有強大的數據處理功能，可以創造出功能更強的儀器。3.用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。4.虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數據采集系統。虛擬儀器的研究中涉及的根底理論主

30、要有計算機數據采集和數字信號處理。目前在這一領域內，使用較為廣泛的計算機語言是美國NI公司的LabVIEW。5.虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀70年代，那時計算機測控系統在國防、航天等領域已經有了相當的開展。PC機出現以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經在Macintosh計算機上推出了LabVIEW 2.0以前的版本。對虛擬儀器和LabVIEW長期、系統、有效的研究開發使得該公司成為業界公認的權威。目前LabVIEW的最新版本為LabVIEW 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境,該環境由于其數據流編程特性、LabVIEW Real-Time工具對嵌入式平臺開發的多核支持，以及自上而下的為多核而設計的軟件層次，是進展并行編程的首選。6.普通的PC有一些不可防止的弱點。用它構建的虛擬儀器或計算機測試系統性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要開展方向是制定了VXI標準，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，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有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現。這些卡插入標準的VXI機箱，再與計算機相連，就組成了一個測試系統。VXI儀

32、器價格昂貴，目前又推出了一種較為廉價的PXI標準儀器。本次課題是基于虛擬儀器的電機數據采集分析系統設計，其中LabVIEW是整個系統的核心，只有把LabVIEW這個模塊運用得當，才可能使系統完整，才可能使本次課題得以成功實現。LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器NI公司研制開發的，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產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，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫。LabVIEW的

33、函數庫包括數據采集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等等。LabVIEW也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序子VI的結果、單步執行等等，便于程序的調試。美國國家儀器公司NINational Instruments提出的虛擬測量儀器VI概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創了“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，基于電腦或工作站、軟件和I/O部件來構建虛擬儀器。I/O部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數據采集板DAQ或傳感器。N

34、I所擁有的虛擬儀器產品包括軟件產品如LabVIEW、GPIB產品、數據采集產品、信號處理產品、圖像采集產品、DSP產品和VXI控制產品等。1.2.2 虛擬儀器開展現狀本設計利用虛擬儀器開發軟件LabVIEW和傳感器及數據采集卡等硬件實現電機轉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發平臺的LabVIEW有了越來越多的開展空間，基于LabVIEW的電機數據采集系統，相對于傳統的測試儀表具有精度高、自動化程度高的特點，能同時實現諧波分析儀、示波器、電壓表、電流表、轉速表等多種儀器的功能。本設計還可用于長時間高速連續采集,不會出現數據喪失和串道的問題。不似其他語言，LabVIEW是與

35、硬件關聯很嚴密的尤其是NI的板卡產品，同時是一個具有革命性的圖形化開發環境，它內置信號采集、測量分析與數據顯示功能，摒棄了傳統開發工具的復雜性，為您提供強大功能的同時還保證了系統靈活性。LabVIEW將廣泛的數據采集、分析與顯示功能集中在了同一個環境中，讓您可以在自己的平臺上無縫地集成一套完整的應用方案。近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發了不少虛擬儀器開發平臺軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開發平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統，并編制測試軟件。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發軟件。美國HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺軟件，美國Tektronis公司的Ez-Te

36、st和Tek-TNS軟件，以及美國HEM Data公司的Snap-Marter平臺軟件，是國際上公認的優秀虛擬儀器開發平臺軟件。當今虛擬儀器的系統開發采用的總線包括傳統的RS-232串行總線、GP-IB通用接口總線、VXI總線，以及已經被PC機廣泛采用的USB通用串行總線和IEEE-1394總線即Firewire，也叫做火線。世界各國的公司，特別是美國NI公司，為使虛擬儀器能夠適應上述各種總線的配置，開發了大量的軟件以及適應要求的硬件插件，可以靈活地組建不同復雜程度的虛擬儀器自動測試系統。虛擬儀器開發商不僅注意使虛擬儀器能夠適應上述各種通用計算機總線系統，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。美國NI公司在1997年9月1日推出模塊化儀器的主流平臺PXI，這是與Copact PCI完全兼容的系統。這種虛擬儀器模塊化主流平臺PXI/Compace，PCI的傳輸速度已經到達100Mb/s，是目前已經發布的最高傳輸速度。虛擬儀器的開發廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結果的數據處理、表達模式及其變換方面也做了許多工作，發布了各種軟件，建立了數據處理的高級分析庫和開發工具庫例如測量結果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數字濾波器、卷積處理和相關函數處理、微積分、峰值和閾值檢隊波形發生、噪聲發生、回歸分析、數值運算、時域和頻域分析等，使虛擬儀器開展成為可以組建極為復雜自動測試

38、系統的儀器系統。同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優勢：虛擬儀器技術是在PC技術的根底上開展起來的，所以完全“繼承了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進展復雜的分析。此外，不斷開展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改良整個系統。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的本錢加速產品上市的時間。在驅

39、動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創立、發布、維護和修改高性能、低本錢的測量和控制解決方案。虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要消耗大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的復雜性。使得測試水準更加完善。 虛擬儀器系統構成虛擬儀器由硬

40、件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為根底的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統進展通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。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，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網絡、總線標準等方面的開展，導致了虛擬儀器系統的快速開展。按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標準體系構造，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換。測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用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開場就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發軟件。使用者可以根據不同的測試任務，在虛擬儀器開發軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀

42、器系統中用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統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試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。(2)數據分析處理軟件利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統的數據分析處理能力，節省開發時間。(3)儀器驅動軟件虛擬儀器驅動

43、程序是處理與特定儀器進展控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發環境相聯系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發環境信息。儀器驅動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅動程序的核心是驅動程序函數VI集，函數VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅動程序一般分為兩層，底層是儀器的根本操作，如初始化儀器配置儀器輸入參數、收發數據、查看儀器狀態等。高層是應用函數VI層，它根據具體測量要求調用底層的函數VI。(4)通用I/O接口軟件在虛擬儀器系統中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統軟件構造中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。VXI總線即插

44、即用聯盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬件接口無關性的特點，即這種軟件構造是面向器件功能而不是面向接口總線的。應用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統或具有RS-232接口的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開發周期，而且徹底改變了測試軟件開發的方式和手段。 虛擬儀器系統軟面板設計標準虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器，與儀器進展通信，輸入參數設置，輸出結果顯示的用戶接口。其設計準那么是：1.按照VPP標準設計軟面板，使面板具有標準化、開放性、可移植性。2.根據測試要求確定儀器功能。根據測試任務確定儀器

45、軟面板具體測試、測量功能，開關、控制等設置要求。3.用面向對象的設計方法設計軟面板。按照面向對象的設計思想，一個虛擬儀器集成系統由多個虛擬儀器組成，每個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 數據采集組建一個基于LabVIEW的虛擬儀器系統，傳感器和數據采集模塊是最根本的硬件。其中，傳感器是將被測試的物理量轉換為電量的根本環節；數據采集那么將模擬信號轉換成數據信號供計算機進展分析處理。本節將介紹虛擬儀器中數據采集的根本知識。數據采集就是將被測對象的各種參量物理量、化學量、生物量等通過各種傳感器件做適當轉換后，再經過信號采樣、量化、編碼、傳輸等步驟送到控制器進展數據處理或記錄

46、的過程。控制器一般有計算機承當。計算機是數據采集系統的核心，它對整個系統進展控制，并對采集的數據進展加工處理。在智能儀器、信號檢測與處理、工業自動化控制領域中，都存在著信號的采集與處理問題。數據采集系統構造如圖1.1所示。圖1.1 數據采集系統構造利用NI公司提供的數據采集卡和LabVIEW開發數據采集程序，模擬信號的采集過程如圖1.2所示。數據采集卡中通過多路開關、A/D轉換器和數據緩存Buffer幾個部件將多通道的模擬信號轉換成數字信號并存儲在數據緩存中。計算機通過LabVIEW中的數據采集VI對數據采集卡中的采集控制電路進展控制，數據采集卡和計算機之間通過計算機總線實現交換數據和傳遞控制

47、信息。圖1.2 模擬信號的數據采集過程一個多通道數據采集的過程一般要經過以下幾個步驟。(1)數據采集VI傳遞相關采樣參數給數據采集卡。 采樣頻率：即多路開關進展一次掃描的頻率。采樣次數：即多路開關掃描的次數。采樣通道：即多路開關對哪些通道進展掃描。數據緩存的大小：確定可以將多少掃描的數據存儲到數據緩存中。(2)采樣開場，多路開關對采樣通道進展一次掃描，每個通道一個點。(3)采樣的模擬信號送到A/D轉換器轉換成數字信號。(4)數字信號存儲到數據緩存中。(5)重復(2)-(4)的操作，知道完成所需的采樣次數。(6)從數據采集卡的數據緩存中讀取數據到計算機的內存中。(7)單點、單通道或不經過緩存的采

48、樣過程將上述過程做相應的簡化即可。第2章 總體方案設計2.1 總體方案設計電機相關的數據有很多，我選擇的是測量電機的輸入電壓與電機的轉速。主要有兩個局部，一個是電機的數據采集和LABVIEW的程序及數據處理局部，一路直接采集電機的輸入電壓，另外一路通過霍爾傳感器將采集來的與轉速相關的電壓信號通過數據采集卡傳輸到LABVIEW的相關程序中經過分析處理，最終得到轉速。大體的采集過程見以下圖2.1所示。 圖2.1 總體方案設計圖第3章 硬件設計3.1 硬件總體概述 圖3.1 硬件總體設計圖3.2 硬件組成局部3.2.1 傳感器傳感器英文名稱：transducer/sensor是一種檢測裝置，能感受到

49、被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。霍爾傳感器 霍爾HYPERLINK 傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾A.H.Hall，18551938于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。后來發現半導體、導HYPERLINK 電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種HYPERLINK 霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、HYPERLINK 檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是

50、研究半導體材料性能的根本方法。通過霍爾效應實驗測定的HYPERLINK 霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及HYPERLINK 載流子遷移率等重要參數霍爾電流傳感器是根據霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式。霍爾電流傳感器一般由原邊電路、聚磁環、霍爾器件、次級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 數據采集卡一個典型的數據采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、計數器/定時器等，這些功能分別有響應的單元電路來實現。模擬輸入是采集卡最根本的功能。它一般由多路開關、放大器、采樣/保持電路，以及A/D轉換器來實現，通過這些局部，一個模擬信

51、號就以轉化為數字信號。A/D轉化器的性能和參數直接影響著模擬輸入的質量，要根據實際需要的精度來選擇適宜的A/D轉化器。選用數據采集卡的根本原那么如下：通道數：就是HYPERLINK 板卡可以采集幾路的信號，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：單位時間采集的數據點數，與AD芯片的轉換一個點所需時間有關，例如：AD轉換一個點需要T = 10uS，那么其采樣頻率f = 1 / T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉換100K的數據點數。它用赫茲Hz，常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等緩存的區別及它的作用：主要用來存儲AD芯片轉換后的數據

52、。有HYPERLINK 緩存可以設置采樣頻率，沒有那么不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應用在數據HYPERLINK 采集卡上，主要用來存儲AD芯片轉換后的數據。做數據緩沖，HYPERLINK 存儲量不大，速度快,RAM是HYPERLINK 隨機存取內存的簡稱。一般用于高速HYPERLINK 采集卡，HYPERLINK 存儲量大，速度較慢。分辨率：HYPERLINK 采樣數據最低位所代表的HYPERLINK 模擬量的值，常有12位、14位、16位等，12HYPERLINK 位分辨率，HYPERLINK 電壓5000mV12位所能表示的數據量為40962的12次方，即5000 mVHY

53、PERLINK 電壓量程內可以表示4096個電壓值，單位增量為5000 mV/ 4096=1.22 mV精度：測量值和真實值之間的誤差，標稱數據HYPERLINK 采集卡的測量準確程度，一般用滿量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常見的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如滿量程范圍為010V，其精度為0.1%FSR，那么代表測量所得到的數值和真實值之間的差距在10mv以內。量程：輸入信號的幅度，常用有5V、10V 、05V 、010V ，要求輸入信號在量程內進展增益：輸入信號的放大倍數，分為程控增益和硬件增益，通過數據HYPERLINK 采集卡的電壓放大芯片將AD

54、轉換后的數據進展固定倍數的放大。由兩種型號PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。觸發：可分為內觸發和外觸發兩種，指定啟動AD轉換方式。3.3 信號采樣和A/D轉換3.3.1 信號采樣數據采集前，必須對所采集信號的特性有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統的要求是不同的，只有了解被測信號，才能選擇適宜的測量方式和配置采集系統。信號通常是指包含一定信息量的函數，這些函數可以是狀態、速率、電平、形狀、頻率等。根據信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬信號和數字信號。其中數字信號又可分為開關信號和脈沖信號；模擬信號可分為直流信號、時域信號

55、和頻域信號。(1)數字信號第一類數字信號是開關信號，如圖3.6所示。所示一個開關信號運載的信息與信號的瞬間狀態有關。TTL信號就是一個開關信號，一個TTL信號如果在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 開關信號第二類數字信號是脈沖信號，如圖3.7所示。這種信號包括一系列的狀態轉換，信息就包含在狀態轉化發生的數目、轉換速率、一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里。安裝在電機軸上的光電編碼器的輸出就是脈沖信號。有些裝置需要數字輸入，比方一個步進電機就需要一系列的數字脈沖作為輸入來控制位置和速度。(2)模擬直流信號模擬直流信號是靜止的或變化非常

56、緩慢的模擬信號，如圖3.8所示。直流信號中最重要的信息是它在給定區間內運載信息的幅度。(3)模擬時域信號模擬時域信號與其他信號的不同在于，它在運載信息時不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化，如圖3.9所示。在測量一個時域信號，即一個波形時，需要關注一些有關波形形狀的特性，比方斜度、峰值等。為了測量一個時域信號，必須有一個準確的時間序列，序列的時間間隔也應該適宜，以保證信號的有用局部被采集到。要以一定的速率進展測量，這個測量速率要能跟上波形的變化。圖3.9 模擬時域信號(4)模擬頻域信號模擬頻域信號與時域信號類似，然而從頻域信號中提取的信息是基于信號的頻域內容的，而不是波形的形狀，也不是隨時間

57、變化的特性，如圖3.10所示。上述信號分類不是互相排斥的，一個特定的信號可能運載多種信息，可以用幾種方式來定義并測量它，用不同類型的系統來測量同一個信號，從信號中取出需要的各種信息。圖3.10 模擬頻域信號模擬量的數據采集可分為常規的直流采樣和交流離散采樣兩種方法。直流采樣的優點：易于實現濾波和去掉高頻干擾，信號比擬穩定，對ADC要求不高，軟件設計簡單；缺點：滯后大，測量準確度受變送器準確度與穩定度影響。交流采樣的優點：加快了對被測量突變的跟蹤反響速度，實時性好；提高了系統檢測精度和穩定性；易于掌握輸入信號動態關系，可實現高次諧波采集分析。缺點：可靠性較低，抗干擾能力較差，CPU計算量較大，對

58、ADC轉換速度要求較高。交直流采樣各有優勢，但從總體看，交流采樣要優于直流采樣，因為其速度、性價比，以及單通道內含的信息量都要優于直流采樣，所以異步電機選用交流采樣法。3.3.2 采樣頻率選擇對于模擬信號的采集，一個重要的問題是采樣頻率的選取，即每秒鐘采集的點數。根據采樣定理，采樣頻率必須是采集信號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而不發生畸變的最大頻率叫奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一般。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。采樣頻率應當怎樣設置呢？通常用戶可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，長時間使用很高的采樣頻率可能

59、會導致內存缺乏或者硬盤存儲數據太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了，實際上工程中選用5-10倍，有時為了較好地復原波形，甚至更高一些。通常，信號采集后都要做適當的信號處理，例如FFT等。因此，對樣本數又有一定的要求，一般不能只提供一個信號周期的數據樣本，希望有5-10個周期，甚至更多的數據樣本，而且希望所提供的樣本總數是整周期個數。這樣可能產生一個問題，有時并不知道或不確切知道被采樣信號的頻率，因此不但采樣頻率不一定是信號頻率的整倍數，也不能保證是整周期數的樣本。所有的僅僅是一個時間序列的離散的函數x(n)和采樣頻率，這是測量與分析的唯一依據。3.3.3 A/D轉換技術

60、A/D轉換目標：將時間連續、幅值也連續的模擬信號轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號。四個步驟：采樣、保持、量化、編碼。 (1)采樣與保持將一個時間上連續變化的模擬量轉換成時間上離散的模擬量稱為采樣。由于A/D轉換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時間。(2)量化和編碼數字量最小單位所對應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倍的過程叫做量化。用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。一個n位二進制數只能表示2n個量化電平，量化過程中不可防止會產生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多n越大，量化誤差越小。 直接A/D轉換器：并行比擬