虛擬儀器在軟啟動數據采集中的應用

摘 要：啟動沖擊是造成帶載啟動機械設備損壞或縮短其使用壽命的主要原因，本文設計了機電液一體化的軟啟動系統。為驗證軟啟動系統的啟動效果、評價設計的優劣、并求得最優化的啟動參數，利用基于LabVIEW開發平臺的虛擬儀器技術對軟啟動系統進行數據采集、實時顯示、數據存儲以及數據后處理。

關鍵字：軟啟動;虛擬儀器;數據采集

1 引言

　　啟動沖擊是造成帶載啟動機械設備損壞或縮短其使用壽命的主要原因。隨著現代化工業的快速發展，大型化、重型化成為重載機械設備的一個發展趨勢，啟動沖擊的破壞性影響越來越嚴重，對這類重載機械進行軟啟動已經勢在必行。

　　本文設計的機電液一體化的軟啟動系統，不僅能夠極為有效地減小啟動時傳動系統對工作機械的破壞性沖擊，消除啟動時產生的振蕩，延長其使用壽命，同時還能大大縮短電動機啟動電流的沖擊時間，減小對電動機的熱沖擊負荷及對電網的影響。

　　為驗證機電液一體化的軟啟動系統的啟動效果、評價設計的優劣、并求得最優化的啟動參數，需要在工程現場進行一系列的實驗。傳統的數據采集方法耗時耗力，而且容易受到外界的干擾，準確性不高，而虛擬儀器技術能克服這些缺點。本研究試圖利用基于LabVIEW開發平臺的虛擬儀器技術對軟啟動系統進行數據實時采集和存儲。

2 虛擬儀器及其開發環境

　　所謂的虛擬儀器（Virtual Instrument），就是在以計算機為核心所組成的硬件平臺上，利用其顯示功能虛擬儀器控制面板，測試分析功能由軟件實現的一種計算機儀器系統。這種新型的儀器充分利用了最新的計算機技術來實現和擴展傳統儀器的功能，它的優勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛，尤其在科研、開發、測量、檢測、計量、測控等領域更是不可多得的好工具。[1]

　　虛擬儀器應用程序的開發環境主要有兩種：一種是基于傳統的文本語言的軟件開發環境，常用的有Lab-Windows/CVI、VB、VC++等;一種是基于圖形化語言的軟件開發環境，常用的有LabVIEW和HP-VEE，但最早和最具影響力的是NI公司的LabVIEW開發環境。LabVIEW是一個完全開放式的虛擬儀器開發系統應用軟件，它使用圖形化程序設計語言G（Graphic），用框圖代替傳統的程序代碼。利用它組建儀器測試系統和數據采集系統可以大大簡化程序的設計，相比傳統的編程語言，效率提高很多。

　　LabVIEW編程語言中的基本編程單元是VI，VI包括三個部分：前面板（ Front Panel）、框圖程序（Block Diagram）和圖標（ Icon）連接器（Connector）。前面板具有與傳統儀器相類似的界面，可以接受鼠標和鍵盤指令，用于設置輸入和觀察輸出。每一個VI程序的前面板都對應著一段框圖程序。框圖程序用G語言編寫。LabVIEW中的VI具有模塊化結構和層次化結構，每一個VI可以單獨執行，或者作為子VI（SubVI）被其他程序調用。圖標連接器就是子VI被其它VI調用的接口。圖標是SubVI在其它框圖程序中被調用的節點表現形式，而連接器則表示該SubVI與調用它的VI之間進行數據交換的輸入輸出口，就像函數的參數。用戶必須指定連接器端口與前面板的控件和指示器一一對應。該圖形編程的一個重要的特點是程序的執行次序是數據流控制。

3 軟啟動數據采集系統總體設計

　　數據采集系統一般由數據采集硬件、硬件驅動程序和數據采集函數及應用程序幾個部分組成，其基本任務就是物理信號的測量和存儲。本系統是對工業現場的軟啟動過程進行實時監測，主要選擇電網參數和負載參數進行監測。針對這樣的情況，我們采用RS485總線組成虛擬儀器系統，通過RS485與上位機通信。系統的硬件組成包括:

　　（1）電流、電壓、扭矩、功率、轉速傳感器。選用的傳感器是北京森社電子有限公司的工業級模塊。

　　（2）數據采集模塊。采用研華PCI1710L模塊，它是一款PCI總線的多功能數據采集卡，包含最常用的測量和控制功能：12位A/D轉換、D/A轉換、數字量輸入、數字量輸出及計數器/定時器功能。

　　（3）工控機。由于工業現場的諸多干擾，因此選用研華610H型工控機。上位機的軟件部分是由LabVIEW應用開發平臺、VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture，可視化儀器軟件結構）以及研華數據采集模塊的驅動程序組成。借助工控機這個操作平臺來提供實時高效的數據處理功能。VISA是計算機與儀器之間的軟件層連接，用以實現對儀器的控制。它具有通用的應用程序接口（API），通過調用低層的驅動程序來控制儀器。

4 軟啟動實驗系統功能實現

　　4.1 數據采集

　　由于在軟啟動的檢測系統中，有各種不同的信號需要采集，如轉速、轉矩、功率、外加電流、電壓等。這些信號的采集要用一塊數據采集卡完成。在信號的導入過程中，外界會對信號造成不同的干擾，使采集的信號不穩定。對于不同的信號就要運用不同的信號調理方法，將干擾信號過濾掉，獲得有用的信號，使數據的分析結果準確可靠，提高控制精度。在數據采集的過程中，采樣頻率的設定是非常重要的，因為采樣太慢，就會產生波形失真。選取適當的采樣方法可以提高工作效率，充分發揮硬件的優勢。選定采樣的分辨率和信號范圍， 就是控制采樣的精度。本系統中的數據采集板PCI1710L，具有16個模擬輸入通道，AD采樣分辨率12位，最大采樣頻率100KS/S，輸入電壓范圍±10V。其性能完全滿足系統的需要。充分利用LabVIEW中提供的工具和數據采集卡的硬件優勢，實現機構的數據準確、迅速地采集。其框圖程序如圖1所示。

　　4.2 數據實時顯示

　　利用Build Array函數對采集來的五組數據進行處理，然后和Waveform Chart連接，并在前面板的Chart圖形顯示中， 以Stack Plots顯示電流、電壓、扭矩、功率和轉速五條曲線。五條曲線以不同的顏色顯示，刷新模式為默認的Scroll，并設置Show Digital Displays。前面板界面如圖2所示。

　　4.3 數據存儲

　　在數據存儲中，利用低層函數和VI保存為文本文件。這樣在程序運行過程中，文件一直處于打開狀態，避免了每次寫文件前后程序都要與計算機操作系統去交互操作去打開文件和關閉文件，這樣提高了程序執行的效率，稱這種方式為磁盤流技術。在保存文件的字符串中加入制表位（Tab Constant）和行尾符號（End of Line Constant），這樣保存的文本文件既可用記事本打開，也便于用諸如Excel的電子表格程序打開，如圖3所示。保存成文本文件時，內容包括對應的時間信息和數據。

　　4.4 數據后處理

　　最小二乘法擬合是來源于實際、又廣泛應用于實際的兩種重要方法。隨著計算機的不斷發展及計算水平的不斷提高，它已在國民生產和科學研究等方面扮演著越來越重要的角色。這里選用正交函數作最小二乘擬合。根據節點x0，x1，…，xm及權函數ω（x）>0，造出帶權ω（x）正交的多項式｛Pn（x）｝。用遞推公式表示Pn（x）即

　　

　　這里Pk（x）是首項系數為1的k次多項式。根據Pk（x）的正交性，得

　　

　　利用以上兩公式逐步求Pk（x）的同時，相應計算出系數

　　
　　
　　并逐步把 累加到F（x）中去，最后就得到所求的擬合曲線

　　

5 結論

　　在本文中，利用LabVIEW 軟件平臺和研華公司的硬件設備建構了軟啟動實驗的數據采集系統。同運用傳統儀器建構系統的方法相比，采用虛擬儀器的方法效率要高得多，且性能好，控制靈活方便，從而間接降低了成本，創造了經濟效益。

參考文獻

　　[1]毛建東.基于LabVIEW的單片機數據采集系統的設計[J],微計算機信息, 2006,11:41- 42.