电气参数测量的虚拟仪器研制

1电气参数测量的虚拟仪器研制摘要虚拟仪器是基于计算机的测量仪器，它与传统仪器相比有很多优点，近年来发展迅速。为了满足实验教学发展、创新的需要，实现实验教学智能化、网络化的要求，我们研制了电工教学虚拟仪器仪表系统。本系统完成了对电工实验中的常见电气参数如：交流电压、电流；直流电压、电流；电阻、电容、电感的测量，以及包含了数字示波器和函数信号发生器功能模块。本系统硬件由调理电路、数据采集卡和计算机组成。本文重点阐述了交流调理电路、直流调理电路、RLC调理电路的设计。在硬件设计中，我们通过数据采集卡的DO口输出仪器的控制信号，控制继电器实现测量电路的量程自动转换。我们选用北京双诺公司的AC6111型数据采集卡。虚拟仪器应用程序用VisualBasic6.0编写。本虚拟仪器以虚拟面板作为人机交互界面，实现了信号的测量计算，波形显示，数据存储等功能。本系统有着重模块化的程序开发设计思路，包含了数据采集、量程转换和控制、数字波形、参数测量、以及线性修正等子程序模块。本文还给出了作者对各个部分的电路性能的测量。测试结果表明，系统达到了设计的要求。文章最后提出了本系统有待进一步研究的主要问题。关键词：电气参数；虚拟仪器；数据采集2AbstractVirtualInstrumentisthemeasuringinstrumentbasedoncomputers.Ithasmoreadvantagesthantraditionalmeasuringinstrumentandhasmadegreatimprovementinrecentyears.WedeveloptheVirtualInstrumentsystemofelectricalexperimentstosatisfytheneedsofexperimentalteachingdevelopment,andtorealizethedemandsofintelligentandnetworkexperiment.Thesystemcanmeasuremostusefulparametersinelectricalexperiments,suchasACvoltage,ACcurrent,DCvoltage,DCcurrent,resistance,capacitance,inductance,andaswellashavingcontainedthefunctionmodulesofdigitaloscilloscopeandsignalgeneratingdevice.Thehardwareofsystemiscomposedofsignaladjustmentcircuit,dataacquisitioncardandcomputer.ThispaperexpatiatesthedesigningschemeofACsignaladjustmentcircuit,DCsignaladjustmentcircuitandRLCsignaladjustmentcircuit.Inhardwaredesign,weexportthesignalswhichcontrolelectricalrelaystochangemeasuringrangesofmeasuringinstrumentthroughtheDOportofdataacquisitioncard.WeselectAC6111datacollectioncardmadeinW&WLABtocollectmeasuringdataofsignal.WedesigntheapplicatorprograminVB6.0.TheVirtualInstrumentusesvirtualpanelastheinterfaceofhuman-computer,andperformsthetasksofsignalmeasurement,waveformdisplayanddatastore.Theideaofmodularizeddesignisemphasizedinthispaper,includingthedataacquisition,rangeswitching&control,digitalfilter,parametersmeasuring,linearrevisionandsoon.Inthispaper,theautherliststhetexteddatainallthecircuitsoftheinstrument.Theresultshowstheinstrumentadaptsthedesignrequirement.Attheendofthepaper,itproposesthemainproblemsneedtoimproveandtheaspectsneedtoresearchdeeper.Keywords:ElectricalParameter;VirtualInstrument;DataAcquisition3目录摘要………………………………………………………………1Abstract…………………………………………………………2第一章绪论………………………………………………………41.1基于PC的测控技术的发展及虚拟仪器…………………41.2虚拟仪器简介………………………………………………51.3本文研究内容………………………………………………6第二章系统总体设计……………………………………………72.1系统设计指标………………………………………………72.2系统组成及测量原理………………………………………82.3PC-DAQ系统…………………………………………………11第三章硬件平台的构建及硬件抗干扰……………………………133.1交流信号的测量………………………………………………133.2直流信号的测量………………………………………………163.3RLC参数测量仪的设计………………………………………173.4数字接口电路…………………………………………………183.5系统的硬件抗干扰措施………………………………………19第四章程序设计………………………………………………………204.1应用程序设计……………………………………………………204.2软面板设计………………………………………………………24第五章系统结果测试和误差分析………………………………………255.1系统测试结果……………………………………………………255.2误差分析…………………………………………………………26结论………………………………………………………………………27致谢………………………………………………………………………28参考文献…………………………………………………………………2941绪论1.1基于PC的测控技术的发展及虚拟仪器随着微电子技术和计算机技术的发展，基于PC的测试测量与控制技术取得了长足的进步，其主要体现在以下两个方面：一方面为数据采集和控制部件的进步，另一方面是测控系统技术的进步。从部件技术上，老式的测控系统中各主要部件和信号调理器、模拟开关、A/D及D/A转换器等多由分立元件或小规模集成电路组成。由于其集成度较低，致使系统体积庞大，稳定性及可靠性也较差。90年代以后微电子技术迅猛发展，各种集成电路的集成度越来越高，使得数据采集系统中的某一部分功能得以在一块集成电路中完成，其可靠性及其他技术性能也大大提高。以A/D转换芯片为例，目前的A/D芯片分辨率最高可以达到20-24bits;在转换速度上，8位和12位的ADC转换速度可达每秒上百兆次，16位的ADC目前也可达到每秒1兆次的速度水平。转换速度的提高极大的拓展了测控技术的应用范围，如可以对更高频的数字信号进行计算机处理。此外，由于电路的集成度越来越高，出现了将多个测控单元部件集成于一个芯片的大规模集成电路产品。如将信号调理模块、模拟开关、采样保持器及A/D模块集成在一块板卡上的数据采集卡。这种产品的测量输出已经是数字信号，而模块化的单元即为智能化数字传感器。测控系统技术的进步，根本来源于计算机技术的进步。作为测控系统基本功能单元的各种测试仪器，其发展经历了模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器直到智能仪器。由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的测试理论、测量方法及仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合成一个整体，导致仪器的结构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。在上述背景下，出现了新的仪器概念——虚拟仪器。而虚拟仪器的发展，已经超越了狭义上的单纯的功能部件——“仪器”，其正作为整体的系统解决方案逐渐成为行业的主流。51.2虚拟仪器简介所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟式仪器”或称“软件即仪器”。同智能仪器相比，虚拟仪器的键盘、CRT、微处理器等都借助于计算机的资源，其硬件大为减少，因此具有结构简单、一机多用等特点。虚拟仪器尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。虚拟仪器可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以完成过去在智能仪器上难以做到的数据分析、统计操作，创造出功能更强的仪器。虚拟仪器是面向应用的系统结构，可以由用户自己定义、修改、增减功能，可方便的与网络、外涉及其他应用连接，轻松实现仪器的网络化。按照L/O接口设备的不同，虚拟仪器主要有5种构成方式。虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：（1）基于数据采集的虚拟仪器系统通过A/D变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。（2）基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB一起连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活的完成各种不同规模的测试测量任务。利用GPIB技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，因此提高了测试效率。（3）利用VXI总线仪器实现虚拟仪器系统VXI(VMEbusExtensionforInstrumentation)总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。VXI总线是一种高速计算机总线——VME(VersaModuleEurocard)总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑、使用方便灵活，已越来越受人们的重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方向。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。（4）基于串行口或其他工业标准总线的系统将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭裁到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成。因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展步伐完全同步，同时也显示出虚拟仪器的灵活性与强大的生命力，已在电子测量、物理探伤、电子工程、振动分析、声学分析、物矿勘探、故障分析及教学科研等方面的数据采集和分析中广泛应用。61.3本文研究内容（1）虚拟仪器技术改变了实验测试仪器学习使用的旧观念，可由学生随心所欲的根据自己的需要选择仪器系统，实现测量目的，这不仅使实验教学从验证为目的向发挥学生个人的才能、想象力方面发展，而且对提高学