基于LabWindows的录波分析仪的设计

0 引言
    虚拟仪器一般主要包括计算机、软件平台和仪器硬件等三部分。虚拟仪器的硬件形式虽有区别，但基本构成是一样的。即将仪器硬件搭载到计算机上，利用相应的软件完成控制、测试及数据处理和显示任务，从而实现以计算机为基础的数字化采集测试分析系统。

1 虚拟仪器的系统构成
    图1所示是一个虚拟仪器的系统结构。由图可见，整个系统分为两个部分，其中硬件部分主要由计算机和数据采集卡以及电压电流传感器组成，数据采集卡采用研华USB4711数据采集卡，具有12位AI分辨率，采样速率高达150 kS／s，同时具有16路模拟量输入、2路模拟量输出、8路数字量输入、8路数字量输出以及1路32位计数器；软件部分采用LabWindows虚拟仪器设计平台，可实现数据采集、录波、波形显示等功能，并可分析信号的有效值、功率、谐波分量、相位角、对称分量等信息。电压电流信号通过传感器可转换成0～10 V，4～20 mA信号，然后通过数据采集卡进行AD转换后传给电脑，并在LahWindows平台下进行数据处理，以记录并显示数据波形。

2 测量原理
    本系统可用于测量三相电压电流的有效值、功率、频谱、谐波、相位角、对称分量，下面介绍各个参数的计算及实现原理和方法。
2．1 有效值计算
    对于连续信号，假设电压信号瞬时表达式为u(t)，则有
   
    然后再对信号进行离散化采样，以得到序列{u[k]}，则电压有效值为：
   
2．2 频谱与谐波分析
    采用FFT变换可将采样得到的数字信号中各次谐波在频域中进行分离，以求出各次谐波频率，并得到各次谐波下电压电流的幅值和相角频谱；然后，再将采样得到的数字信号利用对称分量法进行计算，即可求出基波的正序和负序分量。
    离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform)的实质是有限长序列傅立叶变换的有限点离散采样，因此，该变换开辟了频域离散化的道路，它可使数字信号的处理在频域采用数字运算的方法进行，从而大大增加了数字信号处理的灵活性。将信号经过模／数转换后变成离散时间信号，一般可采用离散傅立叶(DFT)变换法。其长度为M的有限长序列x(n)的傅立叶变换公式为：

    通常快速傅立叶变换(FFT)不是一种新的变换，而是离散傅立叶变换(DFT)的一种快速算法。它通过对DFT变换式进行一次次的分解，以使其成为若干项DFT的组合，从而减小运算量。本文采用的FFT以2为基数，它具有运算效率高，程序简单，使用方便等特点。[page]

3 系统功能
3．1 用户界面功能
    本系统的功能主要是通过软件的实现。表1所列是该虚拟仪器的软件功能列表。图2所示是其电力系统录波仪的主界面图。

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3．2 数据的采集及存储
    为了避免数据阻塞，减少运行过程中数据采集与用户界面的影响，本录波仪的软件部分采用多线程技术。LabWindows提供有线程池(th-readpool)和异步定时器(asynchronous timers)两种多线程机制。本文采用线程池及机制编写。但采用多线程有可能造成数据不必要的改动甚至出错，因此，LabWindows提供了线程安全队列进行数据保护。它可将采集到的数据写入安全队列，分析数据时再从安全队列中取出。数据存储采用二进制形式，数据采集及存储的部分程序如下：


3．3 数据分析
    数据分析主要是分析信号的有效值、功率、谐波分量、相位角等信息。谐波分量、相位角分析采用FFT算法，可通过极坐标的变换得到；功率谱分析也可利用FFT算法及相应算法得到。FFT可以实现时域向频域的转化，其函数原型为：
    Int status=FFT(double x[]，double y[]，intn)；
    其中，参数x输出为傅立叶变换的实部，y输出为傅立叶变换的虚部。x和y既是输入，也是输出，n为x，y的长度，并且一定是2的整数次幂。实现该功能的核心代码如下：



4 结束语
    试验结果显示，本文设计的录波仪不仅可以实现传统录波仪的功能，而且具有造价低，使用方便，可实现资源共享等特点。此外，本系统还可改成分布式系统，即采用嵌入式主板加数据采集卡，然后通过网络上传数据文件，而用上位机接收数据，最后进行处理并显示。