【国产虚拟仪器】基于ARM+FPGA+8通道高速AD代替美国国家仪器的电能质量分析仪设计（一）NI方案介绍

一、背景：基于美国国家仪器的采集方案介绍

 本文设计的电能质量分析仪数据分析系统以NI公司的National Instruments  LabVIEW2018作为软件开发平台，结合硬件平台，实现数据的采集、波形显示和数据 分析。硬件电路的主要作用是对电网信号进行降幅调理，它承担着将电网信号转换为能 够输入计算机进行分析的信号的任务，所以硬件结构对于整个设计而言至关重要。  3.1 信号调理电路设计  3.1.1 调理电路整体结构 
调理电路一般含有滤波电路、放大电路和隔离电路。在实际的电能质量分析系统中， 由于霍尔电压电流传感器输出的信号幅值不符合数据采集卡的量程，且信噪比低，不能 直接送至采集卡，所以本文将设计调理电路。 
本文中电能质量分析系统将被分为数据采集模块、数据分析模块、结果显示与存储 模块，其它的结构如图3-1。过程如下：（1）来自电网的信号经由传感器的变换得到一 定幅值的电压电流信号，通过调理电路滤波，使电压电流幅值满足数据采集卡的量程； 再通过USB-6281数据采集卡将调理后的电压电流A/D转换，再把离散的数据传递到数 据缓冲区等待信号处理；（2）使用 LabVIEW 中的算法计算并分析采集卡中的数据；（3） 把计算结果显示在分析系统主界面，并保存数据。结构如下图3-1。 

3.1.2 电路设计 
1）电压与电流传感器 
在电能质量分析系统中，接收到来自电力系统的大电压、大电流信号无法直接接入 数据采集卡，因为数据采集卡的量程一般在几伏之间。所以，在进行数据采集之前必须 将电压电流变换至数据采集卡量程范围以内。传统的电磁式互感器、电容式互感器测量 精度较低、响应时间较长，所以本文选用更为先进的霍尔式传感器用于接收电压、电流 信号。霍尔传感器优势有：（1）可以监测非正弦信号。（2）原边和副边电路之间具有良 好的隔离性能，这确保了系统的正常运行。（3）动态响应时间短于7μs。（4）线性度好， 优于0.1%。 
本设计所使用的霍尔传感器在闭环补偿模式下工作，因为这样可以提高数据传输的 工作效率和测量的准确度。霍尔传感器原副边电路的线性度高。其中三相电流在电流互 感器的副边经过一个电阻变为电压信号，从而进入之后的信号电路。 
2）信号调理电路 
调理电路位于传感器和数据采集卡之间，含有滤波、放大和隔离电路。在实际的电 能质量分析系统中，由于霍尔电压电流传感器输出的信号幅值不符合数据采集卡的量程， 且信噪比低，不能直接送至采集卡。所以，需要设计调理电路对电力系统的信号进行滤 波和放大处理。 
（1）信号放大电路 
由于噪声广泛存在于电子电路和传感器之中干扰信号传输，电压信号在滤波后，不 能满足数据采集卡的量程要求，需要经过放大电路，将信号变换到与量程相匹配的范围， 以提高测量精度。 
（2）滤波电路 
由于噪声广泛存在于电子电路和传感器之中，所以需要对噪声进行抑制。同时，为 避免信号的混叠，需要提高设备的采样频率，但是，如果采样频率太高，也会降低采样 精度。采集数据前需要通过低通滤波器滤掉无用的高频信号。国家A级仪器的频率测量 范围是0~2500Hz[ 8]，所以超过2500Hz的高频成分就需要滤除。本设计采用NI公司的 USB-6281型数据采集卡含有低通滤波器的性能。  3.2 USB-6281数据采集卡 
NI公司的数据采集卡是基于PC端的，种类多、适应性强。支持在多种平台上进行 软件开发。图3-2是USB-6281数据采集卡的结构图。

 3.2.2 数据采集卡的连接 
NI USB-6281型采集卡，信号接线包含差分接线和单端接线两种方式。如图3-3（a） 所示，差分接线法的信号直接接入螺栓端子，不需接入固定参考点。如图3-3(b)所示， 单端接线中的参考单端接线方式信号需要一端连接螺栓端子，一端连接接地端，并连接 测量系统接地端。如图3-3（c）所示，而单端接线中的非参考单端系统，信号一端接公 共参考端，一端接螺栓端子，不和测量系统接地端相连。本文选择差分法对电压电流信号进行测量，以抑制电压电流信号中存在的共模信号，以提高测量系统的准确性。

 3.2.3 管理软件DAQmx 
DAQmx可以很方便的与硬件设备相匹配，其主要功能是进行数据采集卡的自检。 采集设备安装了驱动DAQmx后，MAX管理软件就可以对其进行识别和配置[58]。 DAQmx软件的操作步骤是：（1）把数据采集卡与电脑连接；（2）打开电源；（3）开启 MAX  软件，找到通道“Dev1”，并检查设备的工作状态；操作示意图如下图。 

3.3 虚拟仪器技术  3.3.1 虚拟仪器 
目前，仪器与仪表重要的发展方向是仪表和PC机相结合。虚拟仪器问世以来，美国国家仪器公司的LabVIEW图形化开发工具成为编程者们的首选。LabVIEW的核心思 想是“软件即仪器”，即虚拟仪器。它将可视化的程序和通俗简洁的用户界面引入了虚 拟仪器。  3.3.2 LabVIEW简介 
LabVIEW是通过用图形创建应用程序的图形化的语言。以前人们习惯于使用编程 来实现算法功能，现在使用LabVIEW语言中的“函数”与“控件”也可以实现上述功能。 因这种编程方式简单高效、易于理解，使程序设计的难度大大降低，成为目前虚拟仪器 领域应用最广泛的软件。 
虚拟仪器和传统仪器相对比，虚拟仪器有以下特点：（1）系统的控制面板不是真实 的是虚拟的；（2）仪器测量功能的实现是通过算法编程实现而不是硬件电路实现。 
LabVIEW还有以下特点：（1）跨平台特性。LabVIEW 支持 Windows、Mac OS X、 Linux 等系统，以满足各种各样的编程者的需求。（2）开放式的开发平台。LabVIEW 提 供了一个开放的开发平台，提供多样化的软件支撑。（3）数据显示方式多样。LabVIEW  为用户提供表头、表盘、图表等多种显示控件，还有数字显示、模拟显示、极坐标显示、 频谱显示等多种显示方法。（4）测试功能强大。LabVIEW拥有最大的设备驱动程序库， 支持通过DDE、SQL等多种交互通信方式共享数据。LabVIEW通过 VXI、PLC等设备 形成数据采集系统，成为测试领域的基本标准。（5）工具包丰富。LabVIEW 的不断进 步，可以给用户提供强大的分析、处理 VI 库和多种针对专业领域的软件包，如：高级 信号处理、数字滤波器设计、频谱分析等，以方便使用。结合LabVIEW独特的数据结 构，这些功能强大的工具包使得数据的测量、分析、处理变得格外简单清晰，且具有专 业性。  3.3.3 DAQ助手 
将数据采集卡接入电脑后，在LabVIEW中借助DAQ助手，建立数据虚拟通道， 数据采集卡采集到数据后，通过USB上传给计算机，最后流向各程序模块，进行信号 的分析与处理。 
软件操作为：如下图3-5所示设置通道名称。采样模式设定为“连续采样”，采样 频率设定为3200Hz，采样数为640。设置信号输入的范围，接线方式，也可以在程序框 图中生成DAQ助手后再在程序内部进行具体配置。配置界面如图3-5所示。虚拟通道 配置完成后，将其在MAX中保存，并通过MAX软件测试信号和任务通道之间的连接 状况。如果参数配置有不合理的地方，需要及时修改参数。DAQ助手需要放在While循环中使用，以确保采样连续进行。

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