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电力传感与检测技术电力传感与检测技术电力传感与检测技术武汉理工大学自动化学院武汉理工大学自动化学院Copyright©2004WUT.AllRightsReserved.电力传感与检测技术第八章虚拟仪器技术在电力设备在线检测中的应用8.1虚拟仪器概述虚拟仪器虚拟仪器((ⅥⅥ，，VirtuallnstrumentsVirtuallnstruments))是电子仪器与是电子仪器与计算机技术更深层次结合的基础上产生的一种新的仪器计算机技术更深层次结合的基础上产生的一种新的仪器模式，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件模式，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面结合起来，用户可以通过友好的图形界面((通常叫做虚拟通常叫做虚拟前面板前面板))操作这台计算机，在操作自己定义、自己设计的操作这台计算机，在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。一台单个传统仪器一样。电子测量仪器经历模拟仪器、带电子测量仪器经历模拟仪器、带IEEE488IEEE488接口的智能接口的智能仪器到全部可编程仪器到全部可编程ⅥⅥ的发展历程，其中每一次飞跃无不的发展历程，其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。其演变如图以高性能计算机的发展为动力。其演变如图88--11所示。所示。电力传感与检测技术图8-1仪器的演变电力传感与检测技术Ⅵ以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如A／D、D／A、数字I／0、定时器；信号调理等)的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口(见图8-2)。图图88--2VI2VI的内部功能划分的内部功能划分电力传感与检测技术应用程序将可选硬件(如CP-IB、VXI、RS-232、DAQ板)和可重复用原码库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函数为用户构造自己的Ⅵ系统提供了基本的软件模块。由于Ⅵ的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的Ⅵ系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。电力传感与检测技术VI与传统仪器相比起作主要的区别是VI的功能由用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的（见表8-1）。表表88--1VI1VI与传统仪器比较与传统仪器比较电力传感与检测技术8.2虚拟仪器的构成从构成要素讲，从构成要素讲，VIVI系统系统((见图见图88--3)3)是由计算机、应用软件是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以DAQDAQ板和信号调理为板和信号调理为仪器硬件而组成的仪器硬件而组成的PCPC--DAQDAQ测试系统，以测试系统，以GPIBGPIB、、VXIVXI、、SerialSerial和和FieldbusFieldbus等标准总线仪器为硬件组成的等标准总线仪器为硬件组成的GPIBGPIB系统、系统、VXIVXI系统、串系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种无论哪种ⅥⅥ系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式式PCPC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。通过或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。通过应用程序提供的仪器硬件接口，用户以透明的方式操作仪器硬应用程序提供的仪器硬件接口，用户以透明的方式操作仪器硬件。这样，用户不必成为件。这样，用户不必成为GPIBGPIB、、VXIVXI、、DAQDAQ或或RSRS——232232方面的专方面的专家，就可以方便、有效的使用这类硬件。家，就可以方便、有效的使用这类硬件。电力传感与检测技术图图88--3VI3VI系统的构成系统的构成电力传感与检测技术给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用和使用ⅥⅥ的关键在于应用软件。这是因为应用软件为用户的关键在于应用软件。这是因为应用软件为用户构造或使用构造或使用ⅥⅥ提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。基于软件在口和用户接口。基于软件在ⅥⅥ技术中的重要作用，美国国技术中的重要作用，美国国家仪器公司家仪器公司(NI)(NI)提出的提出的““软件即仪器软件即仪器””形象地概述了软件在形象地概述了软件在ⅥⅥ中的重要作用。中的重要作用。控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块就是所谓的仪器驱动程序，它现在已经成为应用软件模块就是所谓的仪器驱动程序，它现在已经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对特定仪器的包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制与通信，成为用户建立控制与通信，成为用户建立ⅥⅥ系统的基础软件模块。系统的基础软件模块。电力传感与检测技术除仪器硬件接口(即仪器驱动程序)是Ⅵ应用软件的标准模块之外，用户接口开发工具不仅是通用语言的标准组成部分，而且也已成为VI应用软件的标准组成部分。在传统的程序开发中，用户接口的开发一直是最耗时的任务，而且如何编写从用户接口响应输入、输出的应用程序，其复杂程度无异于学习一种新的语言。而Ⅵ软件不仅包括诸如菜单、对话框、按钮和图形通用用户接口属性，而且还应有像旋钮、开关、滑动控制条、表头、可编程光标、纸带记录仿真窗和数字显示窗等接口属性。这些属性即使应用像VB和VC++这些推出不久的面向对象语言来开发VI的用户接口也是非常困难的。电力传感与检测技术8.3虚拟仪器硬件系统虚拟检测系统硬件主要包括数据采集系统、通用接口虚拟检测系统硬件主要包括数据采集系统、通用接口((如如GPGP--IBIB接口接口))仪器系统、仪器系统、VXIVXI总线仪器、串行口仪器总线仪器、串行口仪器((如如PLCPLC等等))、、现场总线现场总线((如如PPPP总线总线))设设备以及它们之间的任意备以及它们之间的任意组合，其典型结构如组合，其典型结构如图图88--44所示。所示。88．．33．．11虚拟仪器的硬件构成虚拟仪器的硬件构成图图88--44虚拟仪器硬件结构虚拟仪器硬件结构电力传感与检测技术8.2.28.2.2通用接口仪器控制系统构成通用接口仪器控制系统构成GPGP--IBIB接口技术可以说是虚拟检测技术发展的第一阶接口技术可以说是虚拟检测技术发展的第一阶段。通用接口总线能够把可编程仪器与计算机紧密地联系段。通用接口总线能够把可编程仪器与计算机紧密地联系起来，使电子测量由独立的手工操作的单台仪器向组成大起来，使电子测量由独立的手工操作的单台仪器向组成大规模智能检测系统的方向迈进。规模智能检测系统的方向迈进。一个典型的一个典型的GPGP——IBIB测量系统是由一台测量系统是由一台PCPC机、一块机、一块GPGP--IBIB接口板卡和若干台接口板卡和若干台CPCP--IBIB仪器通过标准仪器通过标准GPGP--IBIB电缆连接而电缆连接而成。在标准情况下，一块成。在标准情况下，一块GPGP--IBIB接口板卡只能带接口板卡只能带1414台仪台仪器，电缆长度为器，电缆长度为20m20m，适用于小型智能检测系统。大型智，适用于小型智能检测系统。大型智能检测系统可利用能检测系统可利用GPGP--IBIB扩展技术，在规模、仪器数量和扩展技术，在规模、仪器数量和通信距离方面进一步扩展。通信距离方面进一步扩展。电力传感与检测技术利用GP-IB技术，可以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量误差。同时，预先编制检测程序，可以实现自动检测，提高检测效率。利用利用GPGP--IBIB技术，还可以很方便地扩展传统仪器的功技术，还可以很方便地扩展传统仪器的功能，因为仪器是同计算机连接在一起的，仪器的测量结果能，因为仪器是同计算机连接在一起的，仪器的测量结果送人计算机后，在计算机上增加各种不同的分析处理算送人计算机后，在计算机上增加各种不同的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能。例如，把示波器的信号法，就相当于增加了仪器的功能。例如，把示波器的信号送到计算机后，增加频谱分析算法，就可以把示波器扩展送到计算机后，增加频谱分析算法，就可以把示波器扩展为频谱分析仪，大大提高示波器的性能。为频谱分析仪，大大提高示波器的性能。电力传感与检测技术8.2.3VXI8.2.3VXI总线仪器总线仪器VXIVXI总线为实现虚拟仪器系统提供了一个极好的平台。总线为实现虚拟仪器系统提供了一个极好的平台。该总线提供了具有触发和同步能力的该总线提供了具有触发和同步能力的3232位高速计算机总位高速计算机总线，速在机架层迭式测试系统中是不可能的。线，速在机架层迭式测试系统中是不可能的。VXIVXI总线系总线系统将传统的消息基仪器和寄存器基仪器统一在同一环境统将传统的消息基仪器和寄存器基仪器统一在同一环境下，不但为各个仪器模块提供了定时和同步的能力，而且下，不但为各个仪器模块提供了定时和同步的能力，而且提供了开放的、标准化的高速处理器总线。提供了开放的、标准化的高速处理器总线。传统的传统的GPGP--IBIB和和RSRS--232C232C仪器作为消息基仪器模块也仪器作为消息基仪器模块也包含在包含在VXIVXI总线系统中，这些仪器模块像传统的总线系统中，这些仪器模块像传统的GPGP--IBIB仪仪器可接受器可接受ASCIIASCII命令的程控；另外，命令的程控；另外，VXIVXI总线寄存器基模总线寄存器基模块由于采用存储器映像的总线结构，极易实现资源共享，块由于采用存储器映像的总线结构，极易实现资源共享，且便于数据的高速传输。且便于数据的高速传输。电力传感与检测技术VXI的各种总线协议和软件包使这种数据传输对用户是透明的，VXI总线标准中的本地总线可作为相邻模块间专用通信路径，这就增加了工作带宽，而不损坏数据的完整性。VXIVXI总线系统严格控制了模块的触发和同步，总线系统严格控制了模块的触发和同步，VXIVXI总线总线具有具有88根根TYLTYL触发线触发线(12.5MHz)(12.5MHz)和和22根根ECLECL触发触发(62.5MHz)(62.5MHz)，它，它们可用于模块的交叉同步，而系统时钟们可用于模块的交叉同步，而系统时钟(10MHz)(10MHz)可分配到可分配到VXIVXI总线的每一个模块上，该时钟作为参考信号可确保任总线的每一个模块上，该时钟作为参考信号可确保任意波形模块间的定时精度，从而使系统保持高性能。意波形模块间的定时精度，从而使系统保持高性能。VXIVXI总线还严格规定了各模块电磁兼容的要求，具有总线还严格规定了各模块电磁兼容的要求，具有低噪声和高级同步能力，为良好的线性和大动态范围低噪声和高级同步能力，为良好的线性和大动态范围AA／／DD与与DD／／AA转换模块的高性能提供了极好的环境。转换模块的高性能提供了极好的环境。电力传感与检测技术VXI总线仪器可以同时具备消息基和寄存器基的能力。消息基命令集可以用于简化仪器组态，而寄存器基接口可以用于仪器之间的高速数据传输。VXI总线系统还可以利用FireWire总线与外部计算机相连或采用嵌入式计算机结构，极大地提高了仪器与计算机之间的数据传输速度，从而大大加快了VXI总线虚拟仪器的测试速度，使之更好地满足了测试实时性的要求。同时，由于VXI总线标准得到了许多仪器厂家的支持，因此，用户可以选用不同厂家的仪器模块，使用户开发虚拟仪器更为灵活，效率更高。电力传感与检测技术PXIPXI是是PCIPCI在仪器领域的扩展在仪器领域的扩展(PCIextensions(PCIextensions知知rlnstrumentationrlnstrumentation))，它将，它将CompaetPCICompaetPCI规范定义的规范定义的P