電機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)

MotordataacquisitionandanalysissystemdevelopmentanddesignAbstract:Thevirtualinstrumenttechnologyistheuseofhigh-performancemodularhardware,combinedwithefficientandflexiblesoftwaretoaccomplishavarietyoftest,measurementandautomationapplications.VirtualInstrumentsgraphicallanguagegraphicaldataflowlanguageandblockdiagramcannaturallydisplayyourdataflow,andmap-baseduserinterfacetovisuallydisplaydata,allowingustoeasilyview,modifydataorcontrolinputs.Thedesignofthemotortocollectrelevantdata,selectthemotorspeedandinputvoltageasthemeasurementobject.ThedesignusesaNIPCI-6281dataacquisitioncardfortwo-channeldataacquisition.Apassagedirectlycollecttheinputvoltage,andtheotherHallsensorembodiedbychannelacquisitionspeedanalogvoltagesignal,afteranalog-digitalconversion,convertedintodigitalsignals.UseLabviewsoftwareprogrammingtorealizetheinputvoltagewaveformdisplayandcalculatedmotorspeed.Thisdesignisavirtualinstrumentinthefieldofasimplemonitoringandcontrolapplications.PracticeMingvirtualinstrumentisanexcellentsolutionthatcanefficientlyimplementvariousmonitoringtasks.Keywords:virtualinstrument;datacollection;sensor 電機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)PAGE30第1章緒論電機(jī)從研制、投產(chǎn)，到運(yùn)行和維修，其間的各個(gè)階段都要進(jìn)行一系列試驗(yàn)，以獲取電機(jī)的各種物理參數(shù)和性能指標(biāo)。近年來(lái)，一些新型電機(jī)(如雙繞組電機(jī)等)的應(yīng)用日益廣泛。這些電機(jī)的試驗(yàn)特點(diǎn)是測(cè)試項(xiàng)目多、各個(gè)項(xiàng)目測(cè)試的參量多，而且往往要求對(duì)多個(gè)參數(shù)同時(shí)測(cè)量，測(cè)試要求精度高。使用傳統(tǒng)的測(cè)試儀表進(jìn)行測(cè)試，由于自動(dòng)化程度低，操作十分復(fù)雜，工作量大，而且精度也難以達(dá)到要求。因此，建立一種高精度的自動(dòng)化程度高的測(cè)試手段變得十分重要。虛擬儀器是全新概念的新一代的測(cè)量?jī)x器。自1987年誕生以來(lái)，這一技術(shù)與前幾代測(cè)試儀器相比，以前所未有的速度迅猛發(fā)展。本文介紹了虛擬儀器的概念和LabVIEW的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及已開(kāi)發(fā)成功的基于LabVIEW的電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成和軟件開(kāi)發(fā)，并重點(diǎn)介紹了在LabVIEW下一些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法。1.1電機(jī)電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。電動(dòng)機(jī)也稱（俗稱馬達(dá)），在電路中用字母“M”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“D”）表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。發(fā)電機(jī)在電路中用字母“G”表示。它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，目前最常用的是，利用熱能、水能等推動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)發(fā)電，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)電也慢慢走進(jìn)我們的生活。電機(jī)按工作電源種類劃分：分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：分為直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。按起動(dòng)與運(yùn)行方式劃分：分為電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)和分相式單相異步電動(dòng)機(jī)。按用途劃分：分為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分：分為籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電動(dòng)機(jī)）。按運(yùn)轉(zhuǎn)速度劃分：分為高速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)、恒速電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)。低速電動(dòng)機(jī)又分為齒輪減速電動(dòng)機(jī)、電磁減速電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)和爪極同步電動(dòng)機(jī)等。1.1.1直流電機(jī)定義輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這種原理在電機(jī)理論中稱為可逆原理。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載（或電網(wǎng)），對(duì)外供電，此時(shí)電機(jī)作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，則此電流與主磁極N、S產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與連接于其上的機(jī)械負(fù)載工作，此時(shí)電機(jī)作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。直流電機(jī)的工作原理：1.直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较颍髨D使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。1.1.2交流電機(jī)交流電機(jī)是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械。由于交流電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，交流電機(jī)已成為最常用的電機(jī)。交流電機(jī)與直流電機(jī)相比，由于沒(méi)有換向器（見(jiàn)直流電機(jī)的換向），因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機(jī)。交流電機(jī)功率的覆蓋范圍很大，從幾瓦到幾十萬(wàn)千瓦、甚至上百萬(wàn)千瓦。20世紀(jì)80年代初，最大的汽輪發(fā)電機(jī)已達(dá)150萬(wàn)千瓦。交流電機(jī)的分類：按電機(jī)功用分類：交流電機(jī)主要分為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。發(fā)電機(jī)主要分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)是兩極高速同步電機(jī)，是依靠燃燒煤、核能等能源進(jìn)行發(fā)電的。是火力發(fā)電廠、核能發(fā)電廠的主要設(shè)備之一，由汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電。水輪發(fā)電機(jī)是多極低速同步電機(jī)，是依靠水力的位能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能作為能源來(lái)進(jìn)行發(fā)電的，由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電。柴油發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電，兩者組成柴油發(fā)電機(jī)組。通常用作土礦企業(yè)、醫(yī)院、樓房的應(yīng)急備用電源；軍事與民用通信、伐地和野外作業(yè)，車輛船舶等特殊用途的獨(dú)立電源，以及電網(wǎng)輸送不到、又不適于建立火力發(fā)電廠地區(qū)的生活和生產(chǎn)所需的電源和多種移動(dòng)電站等。交流電動(dòng)機(jī)又分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電機(jī)的三相對(duì)稱繞組，接通三相交流電后，在空氣隙中產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速為v=60f/p的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行速度n始終保持與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同速度(n=v)的電動(dòng)機(jī)稱為同步電動(dòng)機(jī)。主要用于軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等。優(yōu)點(diǎn)是能向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。缺點(diǎn)是需要直流勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電機(jī)造價(jià)較貴。電機(jī)的運(yùn)行速度n始終低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度(n<v)的交流電機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)。異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛的應(yīng)用在石油、化土、電站、礦山、冶金等土業(yè)部門，用于驅(qū)動(dòng)泵、風(fēng)機(jī)、粉碎機(jī)等機(jī)械設(shè)備，在各種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，有90%左右的設(shè)備采用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。異步電機(jī)的缺點(diǎn)是：1.從電網(wǎng)中吸取無(wú)功勵(lì)磁功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞；2.調(diào)速性能差，不能用于軋鋼、造紙等轉(zhuǎn)速要求嚴(yán)格恒定的設(shè)備中，也不能用于在運(yùn)行中轉(zhuǎn)速要求有所變化的設(shè)備中。1.2虛擬儀器1.2.1虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)。虛擬儀器是通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)資源（微處理器、存儲(chǔ)器、顯示器）和儀器硬件（A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理器）的測(cè)量功能結(jié)合起來(lái)，形成的測(cè)量裝置或測(cè)試系統(tǒng)。用戶通過(guò)友好的圖形界面（稱為虛擬面板）操作計(jì)算機(jī)，就像操作傳統(tǒng)儀器一樣，通過(guò)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)儀器模塊間的通信、定時(shí)、觸發(fā)，以及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)，并形成圖形化接口。虛擬儀器由計(jì)算機(jī)、儀器軟件和儀器硬件組成。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。其中，硬件的功能是獲取被測(cè)試的物理信號(hào)，提供信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?。虛擬儀器的硬件技術(shù)以GPIB、PXI等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)接口總線的發(fā)展為發(fā)展標(biāo)志。GPIB、PXI接口是早期比較流行的接口，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在使用比較廣泛的接口是DAQ、PXI和LXI。DAQ（DataAcquisition）儀器，即數(shù)據(jù)采集儀器是一種典型的虛擬儀器，以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件（如某類總線）和計(jì)算機(jī)軟件（虛擬儀器應(yīng)用軟件）結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)特定儀器測(cè)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(nèi)插式，即將儀器卡插入微機(jī)內(nèi)部總線上來(lái)構(gòu)成DAQ儀器；外掛式，即將微機(jī)總線引到擴(kuò)展箱中，在擴(kuò)展箱里插入儀器卡來(lái)構(gòu)成DAQ儀器；直接外掛式，即在并行口、USB口等微機(jī)外總線接口上接入儀器卡來(lái)構(gòu)成DAQ儀器。GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）總線技術(shù)，即IEEE-488總線，是一種數(shù)字式并行總線，它將可編程儀器和計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合起來(lái)。典型的GPIB儀器系統(tǒng)由一臺(tái)PC、一塊GPIB接口板卡和若干臺(tái)GPIB儀器通過(guò)GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線連接而成。目前，這種應(yīng)用已經(jīng)較少。VXI（VMEbusExtensionsForInstrumentation，意為“VMEbus在儀器領(lǐng)域內(nèi)的擴(kuò)展”）是繼GPIB第二代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)之后，為適應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)從分離臺(tái)式結(jié)構(gòu)向高密度、高效率、多功能、高性能的模塊結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要，吸收智能儀器和PC儀器之設(shè)計(jì)思想，集GPIB系統(tǒng)和高級(jí)微機(jī)內(nèi)總線VMEbus之精華設(shè)計(jì)而成的儀器。它克服了GPIB儀器的數(shù)據(jù)傳輸率和資源利用率低的缺點(diǎn)。PXI（PCIExtensionsForInstrumentation）總線儀器是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，主要特點(diǎn)是模塊化。PXI總線儀器以CompactPCI為基礎(chǔ)，改進(jìn)了PCI總線技術(shù)，增加了PCI插槽，使之適合試驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用，是一種有別于GPIB等總線結(jié)構(gòu)的新型虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。GPIB→VXI→PXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）GPIB于1978年問(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問(wèn)世，并行口方式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素。①計(jì)算機(jī)是載體，②軟件是核心，③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。相信隨著科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，隨著人們對(duì)其更需人性化的需求，虛擬儀器的發(fā)展也將會(huì)不斷地更上一個(gè)臺(tái)階，讓其發(fā)揮出應(yīng)有而更廣泛的的功效，讓人們的生活更加美好。虛擬儀器的主要特點(diǎn)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(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。3.用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。4.虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)NI公司的LabVIEW。5.虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。PC機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經(jīng)在Macintosh計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW2.0以前的版本。對(duì)虛擬儀器和LabVIEW長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開(kāi)發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。目前LabVIEW的最新版本為L(zhǎng)abVIEW2009，LabVIEW2009為多線程功能添加了更多特性，這種特性在1998年的版本中被初次引入。使用LabVIEW軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境,該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEWReal-Time工具對(duì)嵌入式平臺(tái)開(kāi)發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。6.普通的PC有一些不可避免的弱點(diǎn)。用它構(gòu)建的虛擬儀器或計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計(jì)算機(jī)化儀器的一個(gè)重要發(fā)展方向是制定了VXI標(biāo)準(zhǔn)，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個(gè)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(méi)有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的VXI機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。VXI儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的PXI標(biāo)準(zhǔn)儀器。本次課題是基于虛擬儀器的電機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中LabVIEW是整個(gè)系統(tǒng)的核心，只有把LabVIEW這個(gè)模塊運(yùn)用得當(dāng)，才可能使系統(tǒng)完整，才可能使本次課題得以成功實(shí)現(xiàn)。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)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(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。美國(guó)國(guó)家儀器公司NI（NationalInstruments）提出的虛擬測(cè)量?jī)x器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從而開(kāi)創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河?！败浖词莾x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(fā)，基于電腦或工作站、軟件和I/O部件來(lái)構(gòu)建虛擬儀器。I/O部件可以是獨(dú)立儀器、模塊化儀器、數(shù)據(jù)采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產(chǎn)品包括軟件產(chǎn)品（如LabVIEW）、GPIB產(chǎn)品、數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、信號(hào)處理產(chǎn)品、圖像采集產(chǎn)品、DSP產(chǎn)品和VXI控制產(chǎn)品等。1.2.2虛擬儀器發(fā)展現(xiàn)狀本設(shè)計(jì)利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW和傳感器及數(shù)據(jù)采集卡等硬件實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)的LabVIEW有了越來(lái)越多的發(fā)展空間，基于LabVIEW的電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試儀表具有精度高、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波分析儀、示波器、電壓表、電流表、轉(zhuǎn)速表等多種儀器的功能。本設(shè)計(jì)還可用于長(zhǎng)時(shí)間高速連續(xù)采集,不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和串道的問(wèn)題。不似其他語(yǔ)言，LabVIEW是與硬件關(guān)聯(lián)很緊密的尤其是NI的板卡產(chǎn)品，同時(shí)是一個(gè)具有革命性的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具的復(fù)雜性，為您提供強(qiáng)大功能的同時(shí)還保證了系統(tǒng)靈活性。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在了同一個(gè)環(huán)境中，讓您可以在自己的平臺(tái)上無(wú)縫地集成一套完整的應(yīng)用方案。近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。美國(guó)HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺(tái)軟件，美國(guó)Tektronis公司的Ez-Test和Tek-TNS軟件，以及美國(guó)HEMData公司的Snap-Marter平臺(tái)軟件，是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的RS-232串行總線、GP-IB通用接口總線、VXI總線，以及已經(jīng)被PC機(jī)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(guó)的公司，特別是美國(guó)NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開(kāi)發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件），可以靈活地組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器開(kāi)發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種通用計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。美國(guó)NI公司在1997年9月1日推出模塊化儀器的主流平臺(tái)PXI，這是與CopactPCI完全兼容的系統(tǒng)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái)PXI/Compace，PCI的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到100Mb/s，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及其變換方面也做了許多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)（例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢隊(duì)波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì)：1.性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。2.擴(kuò)展性強(qiáng)NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間。3.開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。4.無(wú)縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費(fèi)大量的時(shí)間。NI的虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。使得測(cè)試水準(zhǔn)更加完善。1.2.3虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)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(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測(cè)試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。1.虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。按照測(cè)控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。2.虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成測(cè)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(shí)用成果時(shí)，就用軟件就是儀器來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開(kāi)始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。(1)儀器面板控制軟件儀器面板控制軟件即測(cè)試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。(2)數(shù)據(jù)分析處理軟件利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。(3)儀器驅(qū)動(dòng)軟件虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動(dòng)器與通信接口及使用開(kāi)發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級(jí)的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開(kāi)發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動(dòng)器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對(duì)儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的核心是驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)VI集，函數(shù)VI是指組成驅(qū)動(dòng)的模塊化子程序。驅(qū)動(dòng)程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)VI層，它根據(jù)具體測(cè)量要求調(diào)用底層的函數(shù)VI。(4)通用I/O接口軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來(lái)越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)性的特點(diǎn)，即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS-232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)周期，而且徹底改變了測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)的方式和手段。1.2.4虛擬儀器系統(tǒng)軟面板設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器軟面板是用戶用來(lái)操作儀器，與儀器進(jìn)行通信，輸入?yún)?shù)設(shè)置，輸出結(jié)果顯示的用戶接口。其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：1.按照VPP規(guī)范設(shè)計(jì)軟面板，使面板具有標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性、可移植性。2.根據(jù)測(cè)試要求確定儀器功能。根據(jù)測(cè)試任務(wù)確定儀器軟面板具體測(cè)試、測(cè)量功能，開(kāi)關(guān)、控制等設(shè)置要求。3.用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)軟面板。按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，一個(gè)虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個(gè)虛擬儀器組成，每個(gè)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(shù)據(jù)采集組建一個(gè)基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)，傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊是最基本的硬件。其中，傳感器是將被測(cè)試的物理量轉(zhuǎn)換為電量的基本環(huán)節(jié)；數(shù)據(jù)采集則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)供計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。本節(jié)將介紹虛擬儀器中數(shù)據(jù)采集的基本知識(shí)。數(shù)據(jù)采集就是將被測(cè)對(duì)象的各種參量（物理量、化學(xué)量、生物量等）通過(guò)各種傳感器件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或記錄的過(guò)程?？刂破饕话阌杏?jì)算機(jī)承擔(dān)。計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理。在智能儀器、信號(hào)檢測(cè)與處理、工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，都存在著信號(hào)的采集與處理問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)利用NI公司提供的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集程序，模擬信號(hào)的采集過(guò)程如圖1.2所示。數(shù)據(jù)采集卡中通過(guò)多路開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩存（Buffer）幾個(gè)部件將多通道的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩存中。計(jì)算機(jī)通過(guò)LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中的采集控制電路進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)之間通過(guò)計(jì)算機(jī)總線實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)和傳遞控制信息。圖1.2模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集的過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟。(1)數(shù)據(jù)采集VI傳遞相關(guān)采樣參數(shù)給數(shù)據(jù)采集卡。采樣頻率：即多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行一次掃描的頻率。采樣次數(shù)：即多路開(kāi)關(guān)掃描的次數(shù)。采樣通道：即多路開(kāi)關(guān)對(duì)哪些通道進(jìn)行掃描。數(shù)據(jù)緩存的大小：確定可以將多少掃描的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存中。(2)采樣開(kāi)始，多路開(kāi)關(guān)對(duì)采樣通道進(jìn)行一次掃描，每個(gè)通道一個(gè)點(diǎn)。(3)采樣的模擬信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。(4)數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存中。(5)重復(fù)(2)-(4)的操作，知道完成所需的采樣次數(shù)。(6)從數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)緩存中讀取數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。(7)單點(diǎn)、單通道或不經(jīng)過(guò)緩存的采樣過(guò)程將上述過(guò)程做相應(yīng)的簡(jiǎn)化即可。

第2章總體方案設(shè)計(jì)2.1總體方案設(shè)計(jì)電機(jī)相關(guān)的數(shù)據(jù)有很多，我選擇的是測(cè)量電機(jī)的輸入電壓與電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主要有兩個(gè)部分，一個(gè)是電機(jī)的數(shù)據(jù)采集和LABVIEW的程序及數(shù)據(jù)處理部分，一路直接采集電機(jī)的輸入電壓，另外一路通過(guò)霍爾傳感器將采集來(lái)的與轉(zhuǎn)速相關(guān)的電壓信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)絃ABVIEW的相關(guān)程序中經(jīng)過(guò)分析處理，最終得到轉(zhuǎn)速。大體的采集過(guò)程見(jiàn)下圖2.1所示。圖2.1總體方案設(shè)計(jì)圖

第3章硬件設(shè)計(jì)3.1硬件總體概述系統(tǒng)的硬件主要包括PC機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡（這里用的NI公司產(chǎn)的6281），霍爾傳感器，具體的連接如下圖3.1圖3.1硬件總體設(shè)計(jì)圖3.2硬件組成部分3.2.1傳感器1.傳感器傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。霍爾傳感器霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過(guò)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式?；魻栯娏鱾鞲衅饕话阌稍呺娐?、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次級(jí)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(shù)據(jù)采集卡一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等，這些功能分別有響應(yīng)的單元電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬輸入是采集卡最基本的功能。它一般由多路開(kāi)關(guān)、放大器、采樣/保持電路，以及A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這些部分，一個(gè)模擬信號(hào)就以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)化器的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的A/D轉(zhuǎn)化器。選用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則如下：●通道數(shù)：就是板卡可以采集幾路的信號(hào)，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：?jiǎn)挝粫r(shí)間采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)所需時(shí)間有關(guān)，例如：AD轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)需要T=10uS，則其采樣頻率f=1/T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。它用赫茲（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等●緩存的區(qū)別及它的作用：主要用來(lái)存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。有緩存可以設(shè)置采樣頻率，沒(méi)有則不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集卡上，主要用來(lái)存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。做數(shù)據(jù)緩沖，存儲(chǔ)量不大，速度快,RAM是隨機(jī)存取內(nèi)存的簡(jiǎn)稱。一般用于高速采集卡，存儲(chǔ)量大，速度較慢?！穹直媛剩翰蓸訑?shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值，常有12位、14位、16位等，（12位分辨率，電壓5000mV）12位所能表示的數(shù)據(jù)量為4096（2的12次方），即±5000mV電壓量程內(nèi)可以表示4096個(gè)電壓值，單位增量為（5000mV）/4096=1.22mV●精度：測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差，標(biāo)稱數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)量準(zhǔn)確程度，一般用滿量程(FSR，fullscalerange)的百分比表示，常見(jiàn)的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如滿量程范圍為0~10V，其精度為0.1%FSR，則代表測(cè)量所得到的數(shù)值和真實(shí)值之間的差距在10mv以內(nèi)?！窳砍蹋狠斎胄盘?hào)的幅度，常用有±5V、±10V、0~5V、0~10V，要求輸入信號(hào)在量程內(nèi)進(jìn)行●增益：輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，分為程控增益和硬件增益，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行固定倍數(shù)的放大。由兩種型號(hào)PGA202(1、10、100、1000)和PGA203(1、2、4、8)的增益芯片?！裼|發(fā)：可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，指定啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換方式。3.3信號(hào)采樣和A/D轉(zhuǎn)換3.3.1信號(hào)采樣1.信號(hào)類型數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)所采集信號(hào)的特性有所了解，因?yàn)椴煌盘?hào)的測(cè)量方式和對(duì)采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測(cè)信號(hào)，才能選擇合適的測(cè)量方式和配置采集系統(tǒng)。信號(hào)通常是指包含一定信息量的函數(shù)，這些函數(shù)可以是狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率等。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。其中數(shù)字信號(hào)又可分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)；模擬信號(hào)可分為直流信號(hào)、時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)。(1)數(shù)字信號(hào)第一類數(shù)字信號(hào)是開(kāi)關(guān)信號(hào)，如圖3.6所示。所示一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的瞬間狀態(tài)有關(guān)。TTL信號(hào)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，一個(gè)TTL信號(hào)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(kāi)關(guān)信號(hào)第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)，如圖3.7所示。這種信號(hào)包括一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間里。安裝在電機(jī)軸上的光電編碼器的輸出就是脈沖信號(hào)。有些裝置需要數(shù)字輸入，比如一個(gè)步進(jìn)電機(jī)就需要一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來(lái)控制位置和速度。圖3.7脈沖信號(hào)(2)模擬直流信號(hào)模擬直流信號(hào)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)，如圖3.8所示。直流信號(hào)中最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運(yùn)載信息的幅度。圖3.8模擬直流信號(hào)(3)模擬時(shí)域信號(hào)模擬時(shí)域信號(hào)與其他信號(hào)的不同在于，它在運(yùn)載信息時(shí)不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化，如圖3.9所示。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，即一個(gè)波形時(shí)，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。為了測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，必須有一個(gè)精確的時(shí)間序列，序列的時(shí)間間隔也應(yīng)該合適，以保證信號(hào)的有用部分被采集到。要以一定的速率進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)測(cè)量速率要能跟上波形的變化。圖3.9模擬時(shí)域信號(hào)(4)模擬頻域信號(hào)模擬頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)類似，然而從頻域信號(hào)中提取的信息是基于信號(hào)的頻域內(nèi)容的，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性，如圖3.10所示。上述信號(hào)分類不是互相排斥的，一個(gè)特定的信號(hào)可能運(yùn)載多種信息，可以用幾種方式來(lái)定義并測(cè)量它，用不同類型的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，從信號(hào)中取出需要的各種信息。圖3.10模擬頻域信號(hào)2.模擬量的采樣方法模擬量的數(shù)據(jù)采集可分為常規(guī)的直流采樣和交流離散采樣兩種方法。直流采樣的優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)濾波和去掉高頻干擾，信號(hào)比較穩(wěn)定，對(duì)ADC要求不高，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：滯后大，測(cè)量準(zhǔn)確度受變送器準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度影響。交流采樣的優(yōu)點(diǎn)：加快了對(duì)被測(cè)量突變的跟蹤反應(yīng)速度，實(shí)時(shí)性好；提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度和穩(wěn)定性；易于掌握輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)高次諧波采集分析。缺點(diǎn)：可靠性較低，抗干擾能力較差，CPU計(jì)算量較大，對(duì)ADC轉(zhuǎn)換速度要求較高。交直流采樣各有優(yōu)勢(shì)，但從總體看，交流采樣要優(yōu)于直流采樣，因?yàn)槠渌俣?、性價(jià)比，以及單通道內(nèi)含的信息量都要優(yōu)于直流采樣，所以異步電機(jī)選用交流采樣法。3.3.2采樣頻率選擇對(duì)于模擬信號(hào)的采集，一個(gè)重要的問(wèn)題是采樣頻率的選取，即每秒鐘采集的點(diǎn)數(shù)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須是采集信號(hào)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(hào)而不發(fā)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(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置呢？通常用戶可能會(huì)首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，長(zhǎng)時(shí)間使用很高的采樣頻率可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足或者硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)太慢。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了，實(shí)際上工程中選用5-10倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。通常，信號(hào)采集后都要做適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，例如FFT等。因此，對(duì)樣本數(shù)又有一定的要求，一般不能只提供一個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)樣本，希望有5-10個(gè)周期，甚至更多的數(shù)據(jù)樣本，而且希望所提供的樣本總數(shù)是整周期個(gè)數(shù)。這樣可能產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，有時(shí)并不知道或不確切知道被采樣信號(hào)的頻率，因此不但采樣頻率不一定是信號(hào)頻率的整倍數(shù)，也不能保證是整周期數(shù)的樣本。所有的僅僅是一個(gè)時(shí)間序列的離散的函數(shù)x(n)和采樣頻率，這是測(cè)量與分析的唯一依據(jù)。3.3.3A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)1.A/D轉(zhuǎn)換基本原理A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。四個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。(1)采樣與保持將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量稱為采樣。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時(shí)間。(2)量化和編碼數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)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(shù)倍的過(guò)程叫做量化。用二進(jìn)制代碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程，叫做編碼。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級(jí)分得越多（n越大），量化誤差越小。2.A/D轉(zhuǎn)換器工作原理直接A/D轉(zhuǎn)換器：并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器

3.4硬件接線圖圖3.11霍爾硬件連接圖

第4章軟件設(shè)計(jì)本課題主要由兩大部分組成，即硬件部分和軟件部分，其中硬件部分是基礎(chǔ)而軟件部分是核心。軟件部分分為前面板設(shè)計(jì)以及圖形化程序代碼設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。4.1前面板設(shè)計(jì)前面板設(shè)計(jì)包括選項(xiàng)卡控件、數(shù)字顯示控件、波形顯示控件、轉(zhuǎn)速表盤。其中波形顯示控件用于顯示輸入電壓波形信號(hào)，轉(zhuǎn)速表盤與數(shù)字顯示控件同步形象顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖4.14.2程序設(shè)計(jì)4.2.1功能模塊本設(shè)計(jì)主要用到五大功能模塊：DAQmx創(chuàng)建通道（AI-電壓-基本）、DAQmx開(kāi)始任務(wù)、DAQmx讀取、DAQmx清除以及單頻測(cè)量。以下主要對(duì)五大功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。DAQmx創(chuàng)建通道（AI-電壓-基本）：創(chuàng)建單個(gè)或多個(gè)虛擬通道，并將其添加至任務(wù)。該多態(tài)VI的實(shí)例分別對(duì)應(yīng)于通道的I/O類型（例如模擬輸入、數(shù)字輸出或計(jì)數(shù)器輸出）、測(cè)量或生成操作（例如溫度測(cè)量、電壓測(cè)量或事件計(jì)數(shù)）或在某些情況下使用的傳感器（例如，用于溫度測(cè)量的熱電偶或RTD）。在循環(huán)中使用該VI時(shí)，如未指定任務(wù)輸入，NI-DAQmx將在循環(huán)的每次迭代中創(chuàng)建新的任務(wù)。完成任務(wù)前，應(yīng)在循環(huán)中使用DAQmx清除任務(wù)VI，以避免不必要的內(nèi)存分配。DAQmx創(chuàng)建通道引腳圖如圖4.2所示。圖4.2DAQmx創(chuàng)建通道引腳圖任務(wù)輸入：指定要添加VI創(chuàng)建的虛擬通道的任務(wù)的名稱。如沒(méi)有指定任務(wù)，NI-DAQmx將自行創(chuàng)建任務(wù)并將VI創(chuàng)建的通道添加至該任務(wù)。物理通道：指定用于生成虛擬通道的物理通道。DAQmx物理通道常量包含系統(tǒng)已安裝設(shè)備和模塊上的全部物理通道。也可以為該輸入連接包含物理通道列表或范圍的字符串。通過(guò)DAQmx平化通道字符串VI可將物理通道數(shù)組轉(zhuǎn)換為列表。分配名稱：是分配給VI創(chuàng)建的定時(shí)源的名稱。如該輸入端未連線，NI-DAQmx將把物理通道名稱作為虛擬通道名稱。如將自定義的虛擬通道名稱連接至該輸入端，在其它NI-DAQmxVI或?qū)傩怨?jié)點(diǎn)（例如，DAQmx觸發(fā)VI的源輸入端）中引用這些通道時(shí)，必須使用自定義名稱。錯(cuò)誤輸入：說(shuō)明VI或函數(shù)運(yùn)行前發(fā)生的錯(cuò)誤,默認(rèn)值為無(wú)錯(cuò)誤。如在VI或函數(shù)運(yùn)行前發(fā)生錯(cuò)誤，VI或函數(shù)將把錯(cuò)誤輸入的值傳遞至錯(cuò)誤輸出。如在VI或函數(shù)運(yùn)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，VI或函數(shù)將正常運(yùn)行，并在錯(cuò)誤輸出中設(shè)置自身的錯(cuò)誤狀態(tài)。通過(guò)簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器或通用錯(cuò)誤處理器VI可檢測(cè)并報(bào)告應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤輸入和錯(cuò)誤輸出用于檢查錯(cuò)誤。通過(guò)將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤輸入連接至另一節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤輸入，還可指定程序的執(zhí)行順序。最大值：指定需測(cè)量的最大值的單位。最小值：指定要測(cè)量的最小值的單位。輸入接線端配置：指定通道的輸入接線端配置。DAQmx開(kāi)始任務(wù)：使任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，開(kāi)始測(cè)量或生成。該VI適用于某些應(yīng)用程序。如未使用該VI，DAQmx讀取VI運(yùn)行時(shí)測(cè)量任務(wù)將自動(dòng)開(kāi)始。DAQmx寫入VI的自動(dòng)開(kāi)始輸入用于確定“DAQmx寫入”VI運(yùn)行時(shí)，生成任務(wù)是否自動(dòng)開(kāi)始。如在循環(huán)中多次使用“DAQmx讀取”VI或“DAQmx寫入”VI時(shí)，沒(méi)有使用“DAQmx開(kāi)始任務(wù)”VI和DAQmx停止任務(wù)VI，任務(wù)將反復(fù)進(jìn)行開(kāi)始和停止操作。這樣會(huì)降低應(yīng)用程序的性能。DAQmx開(kāi)始任務(wù)引腳圖如圖4.3所示。圖4.3DAQmx開(kāi)始任務(wù)引腳圖任務(wù)/通道輸入：操作要使用的任務(wù)的名稱或虛擬通道列表。使用虛擬通道列表時(shí)，NI-DAQmx將自動(dòng)創(chuàng)建任務(wù)。錯(cuò)誤輸入：說(shuō)明VI或函數(shù)運(yùn)行前發(fā)生的錯(cuò)誤,默認(rèn)值為無(wú)錯(cuò)誤。如在VI或函數(shù)運(yùn)行前發(fā)生錯(cuò)誤，VI或函數(shù)將把錯(cuò)誤輸入的值傳遞至錯(cuò)誤輸出。如在VI或函數(shù)運(yùn)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，VI或函數(shù)將正常運(yùn)行，并在錯(cuò)誤輸出中設(shè)置自身的錯(cuò)誤狀態(tài)。通過(guò)簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器或通用錯(cuò)誤處理器VI可檢測(cè)并報(bào)告應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤輸入和錯(cuò)誤輸出用于檢查錯(cuò)誤。通過(guò)將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤輸入連接至另一節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤輸入，還可指定程序的執(zhí)行順序。任務(wù)輸出：在VI或函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，對(duì)任務(wù)的引用。如將通道或通道列表連接值任務(wù)/通道輸入，NI-DAQmx將自動(dòng)創(chuàng)建任務(wù)。錯(cuò)誤輸出:包含錯(cuò)誤信息,如錯(cuò)誤輸入表明錯(cuò)誤發(fā)生在VI或函數(shù)運(yùn)行前。錯(cuò)誤輸出將包含相同的錯(cuò)誤信息。否則，錯(cuò)誤輸出將表明VI或函數(shù)產(chǎn)生的錯(cuò)誤狀態(tài)。右鍵單擊前面板上的錯(cuò)誤輸出顯示控件，從快捷菜單中選擇解釋錯(cuò)誤，可查看關(guān)于錯(cuò)誤的更多信息。DAQmx讀?。鹤x取用戶指定任務(wù)或虛擬通道中的采樣。該多態(tài)VI的實(shí)例分別對(duì)應(yīng)于返回采樣的不同格式、同時(shí)讀取單個(gè)/多個(gè)采樣或單個(gè)/多個(gè)通道。DAQmx讀取引腳圖如圖4.4所示。圖4.4DAQmx讀取引腳圖任務(wù)/通道輸入：是操作要使用的任務(wù)的名稱或虛擬通道列表。使用虛擬通道列表時(shí)，NI-DAQmx將自動(dòng)創(chuàng)建任務(wù)。超時(shí)：指定等待可用采樣的時(shí)間，單位為秒。如超時(shí)，VI將返回一個(gè)錯(cuò)誤和超時(shí)前的讀取的所有采樣。默認(rèn)的超時(shí)時(shí)間為10秒。超時(shí)的值為-1時(shí)，VI將無(wú)限等待。超時(shí)的值為0時(shí)，VI將嘗試讀取所需采樣一次，并在無(wú)法讀取時(shí)返回錯(cuò)誤。錯(cuò)誤輸入：說(shuō)明VI或函數(shù)運(yùn)行前發(fā)生的錯(cuò)誤。默認(rèn)值為無(wú)錯(cuò)誤。如在VI或函數(shù)運(yùn)行前發(fā)生錯(cuò)誤，VI或函數(shù)將把錯(cuò)誤輸入的值傳遞至錯(cuò)誤輸出。如在VI或函數(shù)運(yùn)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，VI或函數(shù)將正常運(yùn)行，并在錯(cuò)誤輸出中設(shè)置自身的錯(cuò)誤狀態(tài)。通過(guò)簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器或通用錯(cuò)誤處理器VI可檢測(cè)并報(bào)告應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤輸入和錯(cuò)誤輸出用于檢查錯(cuò)誤。通過(guò)將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤輸入連接至另一節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤輸入，還可指定程序的執(zhí)行順序。任務(wù)輸出：是在VI或函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后，對(duì)任務(wù)的引用。如將通道或通道列表連接值任務(wù)/通道輸入，NI-DAQmx將自動(dòng)創(chuàng)建任務(wù)。數(shù)據(jù)：返回采樣,NI-DAQmx將把數(shù)據(jù)換算為測(cè)量單位，包括用于通道的自定義縮放。通過(guò)DAQmx創(chuàng)建虛擬通道VI或DAQ助手指定單位。錯(cuò)誤輸出包含錯(cuò)誤信息。如錯(cuò)誤輸入表明錯(cuò)誤發(fā)生在VI或函數(shù)運(yùn)行前，錯(cuò)誤輸出將包含相同的錯(cuò)誤信息。否則，錯(cuò)誤輸出將表明VI或函數(shù)產(chǎn)生的錯(cuò)誤狀態(tài)。右鍵單擊前面板上的錯(cuò)誤輸出顯示控件，從快捷菜單中選擇解釋錯(cuò)誤，可查看關(guān)于錯(cuò)誤的更多信息。DAQmx清除：清除任務(wù)，在清除之前，VI將停止該任務(wù)，并在必要情況下釋放任務(wù)保留的資源。清除任務(wù)后，將無(wú)法使用任務(wù)的資源。必須重新創(chuàng)建任務(wù)。如在循環(huán)內(nèi)部使用DAQmx創(chuàng)建任務(wù)VI或DAQmx創(chuàng)建虛擬通道VI，應(yīng)任