煤礦井下基于LabVIEW平臺的電磁干擾測試方法研究

煤礦井下基于LabVIEW平臺的電磁干擾測試方法研究

煤礦井下基于LabVIEW平臺的電磁干擾測試方法研究一、引言

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，電子設(shè)備在煤礦井下必然導(dǎo)致在其周圍產(chǎn)生的電磁場電平不斷增加，造成對其它設(shè)備的干擾，同時也受到來自其他電子設(shè)備的干擾，因而不可避免的涉及到電磁兼容性的問題。電磁兼容性是指“設(shè)備、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。包括以下兩個方面：設(shè)備、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時，可按規(guī)定的安全裕度實現(xiàn)設(shè)計的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級；設(shè)備、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會給環(huán)境（或其它設(shè)備）帶來不可接受的電磁干擾?！币虼丝茖W(xué)有效地進(jìn)行電磁干擾的測試和分析為控制和消除電磁干擾提供了重要的判據(jù)，有利于煤礦安全的發(fā)展。

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完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NILabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾椖啃枰?。本文提出了采用基于LabVIEW平臺的電磁干擾測試新方法。

二、關(guān)于LabVIEW

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。LabVIEW這一顯著特點(diǎn)使之非常適合作為煤礦井下電磁干擾的測試平臺。

2.1輸入信號采集

在模擬電路范圍，信號頻率以Hz或周期來測量，但在數(shù)字系統(tǒng)中我們使用數(shù)字頻率，它是模擬頻率與采樣頻率之比，如下所示：數(shù)字頻率=模擬頻率/采樣頻率。在許多信號產(chǎn)生子程序模塊中，我們使用數(shù)字頻率，因為難以確定采樣頻率。為了得到模擬頻率輸出，我們必須確定采樣頻率。

可以先產(chǎn)生一個指定頻率的正弦波，給定頻率和和幅值以及相位。所下圖所示，在連接到正弦波之前，信號頻率已經(jīng)被采樣頻率相除。也就是說正弦波的信號輸入為數(shù)字頻率。利用一個捆綁控件可以把頻率和正弦波集合成一個簇，最后輸出如圖1所示。這樣LabVIEW就可以采集到所需要的波形。

2.2波形調(diào)理

由于有諧波干擾和白噪聲干擾，導(dǎo)致輸出的波形雜亂無章，為了得到更好的波形，將在這個虛擬儀器中加入濾波器，把這些干擾波形濾掉。

在LabVIEW中可以用數(shù)字濾波器控制濾波器順序、截止頻率、脈沖個數(shù)和阻帶衰減等參數(shù)，雙擊濾波器，可在控制界面設(shè)置濾波器的各種參數(shù)。

2.3信號分析

信號分析的最基本方法就是利用傅立葉級數(shù)對非正弦連續(xù)時間周期函數(shù)進(jìn)行分析。在LabVIEW中，要實現(xiàn)FFT變換，需要加入頻譜測量模塊。在程序框圖中，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵打開函數(shù)選板，選擇信號處理中的波形測量子VI，在其中可以找到頻譜測量模塊，如圖2所示。

點(diǎn)擊后在程序框圖中生成頻譜測量模塊如圖3示，可以設(shè)定頻譜測量的內(nèi)部參數(shù)，包括信號的峰值、均方根、功率譜等參數(shù)。

2.4波形顯示

在LabVIEW軟件中，有專門供觀測波形的模塊，可方便地觀測信號的時域抑或是頻域的波形。在LabVIEW的前面板中點(diǎn)擊右鍵打開前面板中的控件菜單，在系統(tǒng)子菜單中找到圖形，下級菜單中就有波形圖，如圖4、圖5所示。三、電磁干擾測試系統(tǒng)的設(shè)計

3.1設(shè)計思路

系統(tǒng)軟件總體框架是整個測試系統(tǒng)的核心，也是主要組成部分。LabVlEW函數(shù)庫中集成了常用的函數(shù)模塊，這些模塊為開發(fā)者完成數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等任務(wù)，提供了極大的方便。本部分所述的程序模塊以及它們之間層次關(guān)系如圖6所示。

利用LabVlEW提供的各種函數(shù)，實現(xiàn)對被測信號的發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而供計算機(jī)進(jìn)一步分析處理。數(shù)據(jù)處理部分主要完成對采集信號的顯示、分析。數(shù)據(jù)分析利用軟件平臺中豐富的信號分析函數(shù)實現(xiàn)。

3.2設(shè)計結(jié)構(gòu)

現(xiàn)以常見的差模信號干擾和共模干擾為例，說明設(shè)計結(jié)構(gòu)的搭建。

差模干擾信號是通過電子設(shè)備兩根電源輸送線傳輸?shù)?，而共模干擾信號是通過電子設(shè)備電源線對大地傳輸?shù)?EMC標(biāo)準(zhǔn)對測試儀器、測試方法以及測試場地布置做了嚴(yán)格的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)性EMI測試系統(tǒng)中，線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）與被測設(shè)備（EUT）之間需要3根線相連，火線L、中線N及共同的地線E“3根線系統(tǒng)”，共模噪聲干擾信號在火線對地線（L-E）、中線對地線（N-E）流通；差模噪聲干擾信號在火線和中線（L-N）之間傳輸，最終由噪聲接收端LISN測量到被測設(shè)備EUT產(chǎn)生的傳導(dǎo)性電磁干擾EMI噪聲的混合信號，包括共模噪聲信號和差模噪聲信號。

目前的傳導(dǎo)干擾測試系統(tǒng)存在著種種問題，很多設(shè)備僅僅給出總干擾噪聲圖，導(dǎo)致工程師無法獲取具體的共模和差模分量而進(jìn)行電路修正和問題解決。引入分離網(wǎng)絡(luò)后，又會由于新部件的引入以及硬件本身的不足，帶來更大的誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果的不真實。但是利用虛擬儀器就可以用過數(shù)據(jù)運(yùn)算和條件選擇框的組合如圖7來完成差模與共模的分離。

為了更清晰的觀察干擾信號的檢測結(jié)果，就需要使用濾波器把不需要觀測的頻率信號濾除。根據(jù)濾波器的各種狀態(tài)，例如如果采用常用的巴沃特斯濾波器，設(shè)計程序可如圖8所示。濾波器的采樣率要與信號生成的采樣率相同。最后要通過前面提到的波形顯示器件就能直觀看到測試和分析結(jié)果。

四、結(jié)語

當(dāng)前，電磁干擾問題已經(jīng)