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1、常熟理工学院课程设计报告目录1 虚拟仪器技术课程设计任务书11.1 课程设计任务11.2 课程设计目的21.3 课程设计要求31.4 课程设计内容31.5 课程设计报告要求31.6 课程设计进度安排31.7 课程设计考核办法42 虚拟仪器的概述52.1 虚拟仪器的定义及组成52.2 传统仪器与虚拟仪器系统的比较62.3 虚拟仪器的特点62.4 虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点72.4.1 LabVIEW的图形显示72.4.2 图形化编程环境LabVIEW82.4.3 LabVIEW平台设计谐波测量分析系统93 总体设计方案113.1 谐波测量分析系统的总体结构图113.2 流程图1
2、23.3 前面板设计133.4 程序框图设计133.5 前面板操作使用说明143.6 谐波分析工作原理及功能144 运行结果及分析165 课程设计小结196 参考文献20I 常熟理工学院课程设计报告1 虚拟仪器技术课程设计任务书题目：谐波测量分析系统设计1.1 课程设计任务随着科学技术的发展，各种电子产品在电力系统中得到大量应用，特别是各种非线性负载包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电网中的电压和电流波形产生周期性畸变。电网中除了与供电电源同频率的正弦量(称为基波分量)以外，还出
3、现了一系列大于基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)。这一系列正弦分量统称为电力谐波。当电网中存在的谐波成分超过一定指标，轻者增加能耗，缩短设备运行寿命，重则造成停电事故，直接影响安全生产。所以，对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。LabVIEW具有强大的信号分析与数学运算功能，在它的数学分析库中包含了数以百计的VI 程序，能够进行各种时域与频域信号分析。本课题通过虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台，设计一种谐波测量分析系统。本课题中系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发
4、平台，将LabVIEW软件引入到谐波测量分析系统中，能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，231次各次谐波电流含有率等参数。具体指标与要求如下：(一) 要求设计一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流，具体要求为：1、频率范围：0.001Hz100KHz；2、幅值：0200A，可选；3、直流偏置：0100V，可选；4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动（提示：用循环结构）；5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。(二) 谐波测量分析系统能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，231次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。(三) 谐波测量
5、分析系统可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频谱图。(四）所有测量分析的参数都要在系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱图要求分别进行波形显示。谐波分析原理：对于周期为的电流谐波信号进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的电流分量，还得到一系列大于电网基波频率的电流分量，如下式所示：，() (1)其中，称为次电流谐波，称为次电流谐波的幅值，谐波频率与基波频率的比值()称为谐波次数。求模拟信号连续频谱的一般方法是对它做傅立叶变换： (2)用数字方法实现傅立叶变换的数学基础是离散傅立叶变换(DFT)。离散傅立叶变换的数学表达式为 (3)电流总畸变率和： (4) (5)其中称
6、为次电流谐波的幅值，为基波电流的幅值，为周期性交流量方均根值。谐波含有率指第n次电流谐波的rms值与基波电流rms值的比率，即 (6)1.2 课程设计目的通过本次课程设计使学生具备：1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）提高学生的论文撰写和表述能力；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知识的能力。1.3 课程设计要求1、了解和掌握整个虚拟仪器平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景；2、根据设计任务进行文
7、献资料的检索，根据各种独立测量仪器的功能和工作原理，确定谐波测量分析系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；3、利用虚拟仪器LabVIEW软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序；4、撰写完整的课程设计报告。1.4 课程设计内容1、谐波测量分析系统前面板设计；2、谐波测量分析系统框图程序设计。1.5 课程设计报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）课程设计任务书；（2）总体设计方案(包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点，为什么选择虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台来设计谐波测量分析系统，谐波测量分析系统的总体结构图等)；（3）简述
8、所设计的谐波测量分析系统的工作原理及自己的设计结果所实现的功能，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的谐波测量分析系统；（4）程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；（5）调试、运行及其结果；要求有谐波测量分析系统设计的源程序和运行结果等。3、收获、体会4、参考文献1.6 课程设计进度安排本课程设计共需1周时间，其具体安排见下表:表2-1 课程设计安排表时 间上午下午星期一课程设计动员、布置课程设计任务查找与消化相关资料、总体方案设计星期二软件设计软件设计星期三软件设计软件设计星期四系统调试系统调试及性能分析与总结、撰写课程设计报告星期五完成课程设计报告并上交答辩1.7
9、课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。2 虚拟仪器的概述2.1 虚拟仪器的定义及组成虚拟仪器（Virtural Instrument, VI）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大的突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制
10、，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的紧密结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通过计算机上加一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计使用的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、V
11、XI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。一般来说, 虚拟仪器是由通用仪器硬件平台(简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成的。（一）虚拟仪器的硬件平台构成虚拟仪器的硬件平台有两部分。(1) 计算机。一般为一台PC 机或工作站, 是硬件平台的核心;(2) I/ O 接口设备。I/ O 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模/ 数转换。不同的总线其相应的I/ O 接口硬件设备,如利用PC 机总线的数据采集卡/ 板(DAQ) 、GPIB 总线仪器、VXI 总线仪器模块、串口总线仪器等。虚拟仪器的I/ O
12、接口设备主要有5 种类型。PC -DAQ 系统。PC - DAQ 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用PCI 或计算机本身的ISA 总线, 将数据采集卡/ 板(DAQ) 插入计算机的空槽中即可。GPIB系统。VXI 系统。PXI 系统。串口系统。它们分别是以其自身的标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（二）虚拟仪器的软件目前的虚拟仪器软件开发工具主要有如下两类:文本式编程语言: 如Visual C + + , Visual Basic , Lab2Windows/ CVI 等。图形化编程语言: 如LabVIEW,HP
13、VEE 等。这些工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。2.2 传统仪器与虚拟仪器系统的比较虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件,DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源，打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。传统仪器与虚拟仪器系统的比较如下表所示。表3-1传统仪器与虚拟仪器系统的比较传统仪器虚拟仪器系统系统标准仪器厂商定义用户自定义系统关键硬件软件系统更改仪器功能，规模固定系统功能，规模可通过软件修改，增减系统连接系统封闭，与其他设备连接受限开放
14、的系统，可方便的与外设，网络及其他应用连接价格昂贵低，可重复使用技术更新周期510年12年开发，维护费用高低由此可见，虚拟仪器尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的特性仪器。2.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器和传统仪器相比具有以下的特点:(1) 具有可变性、多层性、自助性的面板。虚拟仪器的面板可以做到与传统仪器一样, 可以有显示器显示波形; 有LED指示数字; 有指针式表头指示刻度; 有旋钮、滑动条、开关按钮; 有报警指示灯和声响等等。而虚拟仪器的优越之处在于传统仪器面板上的元器件是硬件, 由厂商设计确定, 不可改变地安装在专用的面板上。而虚拟仪器的面板由计算机的显示器构成, 面板上的各种显示控制元件是软件图库中的各种功能图形, 由用户设计面板, 调用图形块, 用户可以不受“标准件”和“加工工艺”限制,随意增、删、移动元器件, 变化尺寸、色彩等等。还可以制作多层下拉面板,
