攝譜儀器在變流電荷數(shù)字搜集中運(yùn)用
1.采樣頻率的選擇在交流采樣技術(shù)中，為了防止“頻率混疊”現(xiàn)象出現(xiàn)，使采樣信號(hào)能夠不失真還原，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，高頻率fh的2倍，即fs≥2fh。但是采樣頻率選擇得過高，即采樣間隔小，每個(gè)采樣周期采樣點(diǎn)數(shù)過多，則會(huì)造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量過大和計(jì)算時(shí)間過長。
2.電壓、電流的采樣根據(jù)周期連續(xù)函數(shù)的有效值及平均功率的定義，將連續(xù)函數(shù)離散化，可得到電壓、電流表達(dá)式為式中，N為每周期均勻采樣總數(shù)；Uk，ik為第k點(diǎn)電壓、電流采樣瞬時(shí)值。
3.相位測量同時(shí)對(duì)兩個(gè)同頻信號(hào)x1（t）、x2（t）采樣，得時(shí)間序x1（k）、x2（k），k＝0，1，2，…N－1求出它們的基波傅里葉系數(shù)a11、b11及a12、b12，計(jì)算式為分別求出兩個(gè)同頻信號(hào)的初相位ψ11、ψ12ψ11＝arctgψ12＝arctg最后兩個(gè)信號(hào)的相位差ψ是名個(gè)信號(hào)的相位角之差，即：ψ＝ψ11－ψ12。
4.失真度測量通常將信號(hào)波形相對(duì)某一比較波形出現(xiàn)差異的現(xiàn)象叫做信號(hào)畸變。
我國電力部門對(duì)電網(wǎng)波形失真規(guī)定，對(duì)6～10kV等級(jí)的電網(wǎng)，規(guī)定電網(wǎng)電壓失真度不能超過4％。
輸出波形的畸變常用動(dòng)態(tài)頻率誤差來描述，因?yàn)檫@種波形畸變產(chǎn)生的主要原因是測量系統(tǒng)本身動(dòng)態(tài)性能不理想，頻帶不夠?qū)捤隆５搯栴}可以采用補(bǔ)償法給予修正。
為防止泄漏，應(yīng)使截取信號(hào)長度tp為信號(hào)周期T的整數(shù)倍，即：tp＝NT（N為正整數(shù)）。在tp＝NT時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N要足夠多，以使獲得的譜線數(shù)n＝1（基波）至n＝N／2（最高諧波次數(shù)）滿足失真度分析精度的要求。
5.功率、視在功率、有功功率、無功功率測量功率、視在功率、有功功率、無功功率可直接按電工公式得到，在此省略。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集就是將外部電壓、電流、溫度、壓力等物理信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化后送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理的過程。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如所示。
連續(xù)的模擬輸入信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)低通濾波電路濾波，然后由采樣保持器（Sampling－and－HoldingAmplifier，SHA）每隔一個(gè)采樣間隔采集保存一個(gè)信號(hào)量，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化為二進(jìn)制碼，即計(jì)算機(jī)可接受的數(shù)字信號(hào)，接著轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)過各種途徑進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。
計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件、數(shù)據(jù)傳輸總線、計(jì)算機(jī)主機(jī)和軟件組成，簡要介紹如下。
1）傳感器把各種需采集的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
2）信號(hào)調(diào)理從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過調(diào)理才能夠進(jìn)入數(shù)據(jù)采集部分。
3）數(shù)據(jù)采集硬件包括采樣保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是決定采集系統(tǒng)性能的核心。
4）數(shù)據(jù)傳送總線數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)通過各種總線實(shí)現(xiàn)連接，各種總線的數(shù)據(jù)寬度、頻率、傳輸協(xié)議等決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)目炻筒杉ㄔ谙到y(tǒng)中的使用性能。
5）軟件由驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件組成。驅(qū)動(dòng)軟件管理著系統(tǒng)的操作以及計(jì)算機(jī)資源的組合，是驅(qū)動(dòng)硬件工作，發(fā)揮其作用的關(guān)鍵。應(yīng)用軟件是一般計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)區(qū)別于虛擬儀器的關(guān)鍵所在：一般計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境為普通高級(jí)語言開發(fā)環(huán)境，虛擬儀器應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境為專門的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，其選擇是否恰當(dāng)與虛擬儀器系統(tǒng)功能是否容易實(shí)現(xiàn)有密切關(guān)系。
1.數(shù)據(jù)采集總體方案a11b11a12b12前置電路采樣保持器ADC計(jì)算機(jī)總線計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1N∑Nk＝1uk2U＝1N∑Nk＝1ik2I＝Nk＝0N2∑N－1x1（k）coska11＝2πNk＝0N2∑N－1x2（k）coska12＝2πNk＝0N2∑N－1x1（k）sinkb11＝2πNk＝0N2∑N－1x2（k）sinkb12＝2π輯在硬件結(jié)構(gòu)上，該測試系統(tǒng)可以看成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此，其硬件構(gòu)成主要由前端信號(hào)調(diào)理板和數(shù)據(jù)采集卡兩部分。在軟件構(gòu)成上，需要進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和運(yùn)用虛擬儀器開發(fā)環(huán)境進(jìn)行虛擬面板的開發(fā)，總體設(shè)計(jì)框圖如所示。
2.數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)（1）數(shù)據(jù)傳送電路方案的選定目前，三種數(shù)據(jù)傳送方式較為常見：基于PCI總線的傳輸電路、基于USB總線的傳輸電路和基于ISA總線的傳輸電路�；赑CI總線數(shù)據(jù)傳輸是當(dāng)前流行的接口方式，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、數(shù)據(jù)吞吐量大、中斷設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)，但PCI總線結(jié)構(gòu)和協(xié)議復(fù)雜；基于USB2.0總線數(shù)據(jù)傳輸是今后的發(fā)展方向，具有傳輸接口簡單、支持即插即用等優(yōu)點(diǎn)，但軟件協(xié)議復(fù)雜；基于ISA總線數(shù)據(jù)傳輸是目前在工業(yè)控制領(lǐng)域里仍廣泛采用的方案，具有協(xié)議簡單，設(shè)計(jì)簡單，開發(fā)周期短，開發(fā)難度低，數(shù)據(jù)傳輸速度較快等優(yōu)點(diǎn)。因此，選擇ISA總線數(shù)據(jù)傳輸方案。
（2）硬件同步采集方案選擇解決同步采樣和鎖相問題是解決電力系統(tǒng)各種測量問題的基本保證。為了保證對(duì)采集的交流電信號(hào)進(jìn)行FFT分析的精度，必須使FFT的計(jì)算周期與信號(hào)周期同步，否則將引起較大誤差；當(dāng)對(duì)電力信號(hào)所采集的N個(gè)等間隔樣本點(diǎn)并不恰好均勻地分布在一個(gè)整周波內(nèi)時(shí)，就會(huì)造成測量誤差。因此，硬件同步采集方案采用同步采集技術(shù)和頻率跟蹤鎖相技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
（3）數(shù)據(jù)讀入方式選擇數(shù)據(jù)采集電路將調(diào)理后的現(xiàn)場信號(hào)以一定頻率進(jìn)行采集并存儲(chǔ)在片內(nèi)或片外的緩存器后，需要盡快地通知PC總線，以便PC機(jī)能及時(shí)地將數(shù)據(jù)取走，有以下三種方式。
1）查詢方式通過程序依次查詢某地址單元，然后讀取數(shù)據(jù)，編程雖簡單，但實(shí)時(shí)性差，在此不宜采用。
2）DMA方式將外部存儲(chǔ)器地址與PC機(jī)內(nèi)存統(tǒng)一編址，易實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，CPU負(fù)擔(dān)最小，數(shù)據(jù)吞吐量最大，但需DMA芯片支持，硬件電路實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。
3）中斷方式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，以硬中斷信號(hào)的方式，通知PC機(jī)讀取，具有執(zhí)行速度快，可實(shí)時(shí)處理，不占用CPU過多時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。
綜合上面三種方式，我們選擇基于PC中斷方式讀取數(shù)據(jù)。
3.軟件方案設(shè)計(jì)在虛擬儀器的概念中，“軟件就是儀器”。虛擬儀器系統(tǒng)所用的軟件，除了計(jì)算機(jī)所必須的操作系統(tǒng)等基本軟件外，還需要設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序軟件和用戶應(yīng)用程序。
目前有兩種較流行的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境：傳統(tǒng)高級(jí)編程語言，如VB、VC＋＋等；可視化圖形編程語言，如LabVIEW、HPVEE等。采用傳統(tǒng)語言作為虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，不僅復(fù)雜，而且有些功能無法實(shí)現(xiàn)，源代碼效率低，從開發(fā)效率和效果看，不是最佳方案。為此采用美國NI公司的LabVIEW來編制虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用程序，而與數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序的通信采用Windows環(huán)境下動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）實(shí)現(xiàn)，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的接口功能，而且還可以發(fā)揮LabVIEW應(yīng)用的靈活性，使得虛擬儀器開發(fā)起來簡單快捷。
LabVIEW是專門用于虛擬儀器開發(fā)的圖形化軟件編程平臺(tái)，目前最新版本為8.0.在這個(gè)平臺(tái)上，各專業(yè)領(lǐng)域的工程師、科學(xué)家們通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序。
在這個(gè)軟件環(huán)境中，提供了一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程模式，用戶只要連接各個(gè)邏輯框圖即可構(gòu)成程序。同時(shí)，還以圖形方式提供了大量的波形顯示和信號(hào)分析處理程序庫，利用此軟件平臺(tái)可大大縮短虛擬儀器測控軟件的開發(fā)時(shí)間，而且在這個(gè)平臺(tái)上用戶可以建立自己的測試方案。http://www.18192.cn
