基于LabVIEW的功率譜的設(shè)計

1、課程設(shè)計說明第I頁基于LabVIEW的功率譜的設(shè)計摘要LabVIEW是由美國國家儀器公司所開發(fā)的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。誕生于1986年，是一種圖形化虛擬儀器編程語言。功率譜，主要用來測量馬達、發(fā)動機、變壓器、電機等功率轉(zhuǎn)換裝置的總效率和電機效率，目前被廣泛用于混合動力電動電動車、汽車，太陽能發(fā)電，燃料電池和風(fēng)力發(fā)電。本課題通過虛擬功率譜的設(shè)計，了解使用基于Labview進行虛擬儀器編程的方法與實現(xiàn)技術(shù)。主要實現(xiàn)方法是對同頻率的正弦電壓和正弦電流的有效值，相位差及其功率和瞬時功率進行測試和顯示，實現(xiàn)對電壓信號和電流信號的功率譜分析，對視在功率、有功功率、無功功率的測量。LabVI

2、EW虛擬儀器可以克服傳統(tǒng)儀器測量成本高、準確度低、擴展性差的缺點，具有良好的可操作性和可維護性。關(guān)鍵字：LabVIEW，虛擬儀器，功率譜課程設(shè)計說明第II頁目錄1.LABVIEW概述 . 11.1LabVIEW與G語言 . 11.2 虛擬儀器的基本概念. 11.3 LabVIEW軟件的特點 . 21.4 Labview中的基本概念. 21.4.1 VI的概念 . 21.4.2框圖程序. 32. LABVIEW功率譜基礎(chǔ) . 32.1 虛擬功率譜參數(shù)及基本結(jié)構(gòu). 32.2 LabVIEW中功率譜功能函數(shù) . 42.2.1 正弦信號發(fā)生器. 42.2.2 幅值和電平測量. 52.2.3 功率譜.

3、52.2.4 公式節(jié)點. 62.3 LabVIEW功率譜設(shè)計步驟 . 72.3.1整體的設(shè)計框架. 72.3.2設(shè)計總方案. 73. LABVIEW功率譜功能實現(xiàn) . 83.1 各部分電路功能. 83.2 程序設(shè)計. 93.3 程序運行結(jié)果. 10總結(jié). 11致謝. 12參考文獻. 13課程設(shè)計說明書第1頁 1.LabVIEW概述1.1LabVIEW與G語言LabVIEW1（Laboratory Virtual Instrument Engineering）,即實驗室虛擬儀器集成環(huán)境，是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。和Perl、Visual C+、Delphi、Visual

4、 Basic等文本型程序代碼的程序語言不一樣的是，LabVIEW是一種利用圖形化的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼的語言，所以，運用這種圖形化的語言編程時，基本不用寫文本行程序代碼，取代的是使用連線、圖標構(gòu)成的流程圖表。LabVIEW是一種面向最終用戶的編程平臺，它不必去記憶那眼花繚亂的文本式程序代碼，提供了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和儀器編程的便捷方法。使用它進行測試、原理設(shè)計、研究并且實現(xiàn)儀器系統(tǒng)的功能時，因而可以促進提高工作效率。LabVIEW是一個圖形編程虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，它集中了圖形化編程方式的靈活性與高性能以及數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表示等功能，能為數(shù)據(jù)顯示、測量分析、數(shù)據(jù)采集和儀器控制等各種

5、實際應(yīng)用提供因要的開發(fā)平臺，所以，LabVIEW環(huán)境可以縮短應(yīng)用程序開發(fā)時間和項目成本幫助程序員們促進工作效率。當(dāng)我們厭煩于對于文本模式編程語言，陷入數(shù)組、函數(shù)、表達式、指針以及對象、繼承、封裝等枯燥的概念和代碼中時，我們急切的需求一種層次清晰、簡單易用、代碼直觀而且功能強大的編程方法，G語言就是一種這樣的新穎的編程，而LabVIEW則是G語言的新穎的編程方法的代表。LabVIEW基于G語言的基本特征用軟件模塊和流程方框圖產(chǎn)生塊狀程序，編程就像是設(shè)計電路圖一樣2。1.2 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器(Visual Instrument)是一種基于計算機的儀器，計算機和儀器有兩種結(jié)合方式。一是計算

6、機裝入儀器：最典型的是智能化的儀器，這類儀器隨著計算機功能的強大和體積的縮小，目前已出現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的儀器。二是儀器裝入計算機：虛擬儀器主要是指這種方式，它是以計算機硬件以及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器利用計算機顯示器（CRT）的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果；利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算，分析，處理，由I/O接口設(shè)備完成信號的采集，測量與調(diào)理，從而完成各種調(diào)試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。課程設(shè)計說明書第2頁 虛擬儀器中硬件僅僅是解決信號的輸入/輸出的方法和軟件賴以生存，運行的物理環(huán)境，軟件才是整個儀器的核心構(gòu)件。它由計算機，模塊化功能硬件和

7、應(yīng)用軟件三大部分組成。目前已有多種虛擬儀器的軟件開發(fā)工具，一是文本式編程語言：如C,Visual C+，Visual Basic，Labwindows/CVI等。二是圖形化編程語言：本文介紹的NI公司的Labview,HP公司的VEE,Capital Equipment公司的Testpoint2.0和HEM公司的Snap-Master等。1.3 LabVIEW軟件的特點Labview運用圖形化的編程方式，設(shè)計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言；提供了豐富的數(shù)據(jù)采集，分析及存儲的庫函數(shù)；既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點，單步運行，同時提供有獨到的高亮執(zhí)行工具，使程序動畫式運行

8、，利于設(shè)計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷；32 bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集，量方案的高速執(zhí)行。利用Labview,可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，Labview提供了Windows,UNIX,Linux等多種版本；囊括了DAQ，GPIB,PXI,VXI,RS-232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù)；提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如DLLS（連接庫），DDE（共享庫),ActiveX等；強大的Internet功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)，遠程測控儀器的開發(fā)。1.4 Labview中的基本概念1.4.1 VI的概念利用L

9、abVIEW開發(fā)出的圖形化應(yīng)用編程環(huán)境被稱作VI（Virtual Instrument的英文簡稱，即虛擬儀器2）。VI是由框圖、圖標以及連線構(gòu)成的應(yīng)用軟件程序，Labview應(yīng)用程序以.VI后綴，由Front Panel（前面板）、Block Diagram（框圖或流程圖程序）以及圖標/連接器（Icon）三部分構(gòu)成。前面板是應(yīng)用程序的主界面，是人機交互的窗口，主要由Indicators（顯示量）和Controls（控制量）組成。在程序運行時，用戶通過使用控制量（例如用戶輸入數(shù)據(jù)的開關(guān)以及一些文本框、按鈕等）控制程序和輸入數(shù)據(jù)的運行，而顯示量（例如顯示波形的示波器控件等）則主要用于顯示程序運行的

10、結(jié)果。如果將一個VI程序比作一臺儀器，那么，顯示量則是儀器的顯示窗口，用于顯示經(jīng)過處理、程序分析后的結(jié)果，課程設(shè)計說明書第3頁 而控制量是儀器的數(shù)據(jù)輸入端口的控制開關(guān)，用于給程序提供控制信號和輸入數(shù)據(jù)。若是把VI的前面板比作一臺儀器的操作面板，用于信號的結(jié)果的顯示、輸入以及儀器控制的運行，那么后面板就是儀器中的電路原件和電路板，主要對信號進行處理和分析3。1.4.2框圖程序每一個程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用Labview圖形編程語言編寫，可以理解為傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口，節(jié)點，圖框和連線四種元素構(gòu)成。端口是框圖程序與前面板的控制件和指示器間傳遞數(shù)據(jù)的起點與終點。節(jié)點是實

11、現(xiàn)程序功能的基本單元，它具有輸入和輸出端口，在程序運行時完成一定操作。圖標是LabVIEW作為G語言這種圖形化的編程語言的特點之一，是圖形化的函數(shù)、變量、常量，以及Express VIs和VIs。一般情況下，LabVIEW中的每一個圖標至少都有一個端口，用來向其他圖標傳輸數(shù)據(jù)。連線是圖標的數(shù)據(jù)端口之間的數(shù)據(jù)通道，這等同于一般程序中的賦值語句。數(shù)據(jù)是單向流動的，從“源數(shù)據(jù)端口”往一個或多個“目的數(shù)據(jù)端口”流動。不同的線型表示著不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型。在屏幕上，不同數(shù)據(jù)類型不同的顏色標注?？驁D是用來實現(xiàn)LabVIEW中的流程順序。例如條件分支控制、順序控制和循環(huán)控制等，程序員使用它們控制著VI程序的執(zhí)

12、行順序方式。在LabVIEW中，框圖的使用是保證其結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計運行的最重要手段。2. LabVIEW功率譜基礎(chǔ)2.1 虛擬功率譜參數(shù)及基本結(jié)構(gòu)（1）視在功率：測得的正弦電壓和電流有效值得乘積，即S=UI（2）相位差：通常用表示，是兩個頻率相同的交流電相位的差,功率因數(shù)： 用表示，=cos(3）有功功率：指一端口實際消耗的功率，在正弦波中，電路的有功功率就是其平均功率P=UIcos，無功功率：Q=UIcos（4）瞬時功率：正弦波任一時刻的電流與電壓的乘積課程設(shè)計說明書第4頁 2.2 LabVIEW中功率譜功能函數(shù)2.2.1正弦信號發(fā)生器圖2-1 正弦波功能引腳圖如圖2-1所示，以下介紹各端口

13、的功能。重置相位確定正弦波的初始相位。默認值為TRUE。如重置相位的值為TRUE，LabVIEW將把初始相位設(shè)置為相位輸入。如重置相位的值為FALSE，LabVIEW將把正弦波的初始相位設(shè)置為上一次VI執(zhí)行時相位輸出的值。采樣是正弦波的采樣數(shù)。默認值為128。幅值是正弦波的幅值。默認值為1.0。頻率是正弦波的頻率，單位為周期/采樣的歸一化單位。默認值為1周期/128采樣或7.8125E3周期/采樣。相位輸入是重置相位的值為TRUE時正弦波的初始相位，以度為單位。正弦波是輸出的正弦波。相位輸出是正弦波下一個采樣的相位，以度為單位。錯誤返回VI的任意錯誤或警告。如將錯誤連線至錯誤代碼至錯誤簇轉(zhuǎn)換V

14、I，錯誤代碼或警告可轉(zhuǎn)換為錯誤簇。正弦波詳細信息如序列Y表示正弦波，正弦波VI根據(jù)下列等式生成一個信號。yi = a*sin(phasei)i = 0, 1, 2,.,n-1，其中，a是幅值，課程設(shè)計說明書第5頁 相位i = 初始相位 + 頻率*360*i，頻率是以歸一化周期/采樣為單位的頻率，如重置相位為TRUE，則初始相位是相位輸入。如重置相位為FALSE，則初始相位是上一次執(zhí)行的相位輸出。“正弦波”VI可重入，所以可使用該VI模擬從正弦波函數(shù)生成器進行連續(xù)采集。如輸入控件重置相位為FALSE，則此后對正弦波VI的調(diào)用將產(chǎn)生含有下個采樣的輸出正弦波數(shù)組。該VI在下次執(zhí)行時，將相位輸出作為新

15、的相位輸入。2.2.2幅值和電平測量圖2-2 幅值和電平測量功能引腳圖如圖2-2所示，以下介紹各端口的功能。信號：包含一個或多個輸入信號。重新開始平均：指定是否重新開始選定的平均過程。默認值為FALSE。第一次調(diào)用Express VI時，平均過程會自動開始。勾選平均復(fù)選框后將出現(xiàn)輸入端。錯誤輸入（無錯誤）：說明VI或函數(shù)運行前發(fā)生的錯誤。直流：采集信號的直流分量。最大峰：測量信號的最高正峰值。輸入信號：顯示輸入信號。若將數(shù)據(jù)連Express VI后運行，輸入信號將會顯示實際數(shù)據(jù)。如關(guān)閉后再打開Express VI，輸入信號將顯示示例數(shù)據(jù)，直到再次運行VI。2.2.3功率譜圖2-3 功率譜功能引

16、腳圖課程設(shè)計說明書第6頁 如圖2-3所示，以下介紹各端口的功能。X是輸入序列。功率譜6返回X的雙邊功率譜。如輸入信號以伏特為單位(V)，功率譜的單位為伏特rms平方(Vrms2)。如輸入信號不是以伏特為單位，則功率譜的單位為輸入信號單位rms平方。錯誤返回VI的任意錯誤或警告。如將錯誤連線至錯誤代碼至錯誤簇轉(zhuǎn)換VI，錯誤代碼或警告可轉(zhuǎn)換為錯誤簇。功率譜詳細信息函數(shù)x(t)的功率譜Sxx(f)定義為Sxx(f) = X*(f)X(f) = |X(f)|2，其中X(f) = Fx(t)，X* (f)是X(f)的復(fù)共扼?！肮β首V”VI根據(jù)FFT和DFT例程計算功率譜其中Sxx表示輸出序列功率譜，n是

17、輸入序列X中的采樣數(shù)。當(dāng)輸入序列X的采樣數(shù)n為一個有效的2的冪n = 2mm = 1, 2, 3, , 23,“功率譜”VI以快速基2FFT算法計算實數(shù)值序列的快速傅立葉變換并縮放幅度平方。該VI以FFT可計算的最大功率譜為223(8,388,608或8M)。當(dāng)輸入序列X中的采樣數(shù)不是一個有效的2的冪而是可分解因子的小質(zhì)數(shù)的積時，“功率譜”VI以高效DFT算法計算實數(shù)值序列的離散傅立葉變換并縮放幅度平方。VI以快速DFT可計算的最大功率譜為222 1(4,194,303 or 4M 1)。2.2.4公式節(jié)點公示節(jié)點7是一種程序結(jié)構(gòu)，利用公示節(jié)點，用戶不僅可以實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式還能通過文本編程寫

18、一些基本的邏輯語句。公式節(jié)點基本上彌補了圖形化開發(fā)語言相對于文本語言的缺陷。公示節(jié)點的語法和C語言的語法基本相同。公式節(jié)點，如圖2-4所示。計算程序框圖上的數(shù)學(xué)公式和與C相似的表達式。在公式中實用下列內(nèi)置函數(shù)：abs,acos,acosh,asin,asinh,atan,atan2,atanh,ceil,cos,cosh,cot,csc,exp,expm1課程設(shè)計說明書第7頁 ,floor,getexp,getman,int,intrz,ln,lnp1,log,log2,max,min,mod,pow,rand,rem,sec,sign,sin,sinc,sinh,size0fDim,sprt

19、,tan,tanh。數(shù)學(xué)VI中的解析器和公式節(jié)點中的解析器有所不同。圖2-4 公式節(jié)點功能引腳圖2.3 LabVIEW功率譜設(shè)計步驟2.3.1整體的設(shè)計框架While循環(huán)，如圖2-5所示。重復(fù)執(zhí)行內(nèi)部的子程序框圖，直到條件接線端（輸入端）接收到特定的布爾值。將布爾值連接至While循環(huán)的條件接線端。有段單擊條件接線端，從快捷菜單中選擇真（T）時停止或真（T）時繼續(xù)。也可將一個錯誤簇連線至條件接線端，右鍵單擊條件接線端，從快捷菜單中選擇真（T）時停止或真（T）時繼續(xù)。While循環(huán)永遠至少執(zhí)行一次。圖2-5 while循環(huán)2.3.2設(shè)計總方案產(chǎn)生同頻率的仿真電流、電壓信號，它們的初相位、幅值、采

20、樣、頻率都可以任意的調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)各參數(shù)，可正確測量有功功率、視在功率和無功功率。具體包括以下四個部分：（1）計算瞬時功率和顯示瞬時功率譜的波形圖；（2）計算相位差和功率因數(shù)；課程設(shè)計說明書第8頁 （3）計算有功功率；（4）計算電壓有效值；總體設(shè)計框圖如下圖2-6所示：圖2-6 功率分析的結(jié)構(gòu)框圖3. LabVIEW功率譜功能實現(xiàn)3.1 各部分電路功能1、信號發(fā)生器設(shè)計：通過設(shè)定參數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生同頻率的一個正弦電壓和一個正弦電流信號，可以同時調(diào)節(jié)它的幅值、頻率和相位，用sine wave.vi節(jié)點來產(chǎn)生正弦波。2、相位差的計算：當(dāng)電壓和電流信號的頻率相同可以求相位差，利用相位相減法即可求出。3、

21、功率計算：，視在功率S=UI，有功功率P=UIcos，無功功率Q=UIcos，通過測量電壓電流的最大值，再通過得出的相位差，三者之積可以得到結(jié)果。4、功率譜圖：在電流電壓信號發(fā)生器之后利用功率譜測量，從波形圖表可以直觀的看到功率譜圖。課程設(shè)計說明書第9頁 3.2 程序設(shè)計程序設(shè)計前面板，如下圖3-1所示。圖3-1 功率譜前面板程序框圖3-2 功率譜后面板程序框圖課程設(shè)計說明書第10頁 3.3 程序運行結(jié)果設(shè)置正弦波電流、電壓采樣為128，頻率為0.9，電流幅值為5V，電壓幅值為8V，電流初始相位為30，電壓初始相位為60，程序運行結(jié)果如下圖3-3所示：圖3-3 運行程序結(jié)果程序運行時，所得的功

22、率結(jié)果為視在功率S=38.9116，平均功率P=6.0021，無功功率Q=38.445.瞬時電流I=3.3456，瞬時電壓U=1.6632，瞬時功率UI=5.5648經(jīng)計算，平均功率P、無功功率Q、視在功率S之間滿足關(guān)系式：S=P2+Q2.課程設(shè)計說明書第11頁 總結(jié)隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的不斷發(fā)展，以LabVIEW為軟件平臺的虛擬儀器測量技術(shù)正在現(xiàn)代測控領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的位置，LabVlEW 是NI 公司推出的虛擬儀器開發(fā)工具，它采用圖形化編程語言G 語言，易學(xué)易用。它的功能強大靈活，既可以和采集設(shè)備、控制設(shè)備等硬件進行通信，也可以和GPIB、PXI、RS-232、VXI 儀器通信，簡化了虛擬儀器的開發(fā)過程，縮短了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試時間，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、試驗測量、數(shù)據(jù)采集及處理等各個領(lǐng)域在這次課程設(shè)計中我所研究的是虛擬功率譜的設(shè)計，由于時間有限，我所考慮的功率問題有一定局限性。一般來說功率的大小為電壓和電流信號相乘然后在一個周期內(nèi)積分在除以周期的大小。我設(shè)計的功率大小為電壓的有效值乘以電流的有效值再乘以功率因數(shù)。這次課程設(shè)計和我所學(xué)的專業(yè)息息相關(guān)，對我今后的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫處，如果以后還