0 引言

　　虛擬儀器一般主要包括計算機、軟件平臺和儀器硬件等三部分。虛擬儀器的硬件形式雖有區別，但基本構成是一樣的。即將儀器硬件搭載到計算機上，利用相應的軟件完成控制、測試及數據處理和顯示任務，從而實現以計算機為基礎的數字化采集測試分析系統。

　　1 虛擬儀器的系統構成

　　圖1所示是一個虛擬儀器的系統結構。由圖可見，整個系統分為兩個部分，其中硬件部分主要由計算機和數據采集卡以及電壓電流傳感器組成，數據采集卡采用研華USB4711數據采集卡，具有12位AI分辨率，采樣速率高達150 kS/s，同時具有16路模擬量輸入、2路模擬量輸出、8路數字量輸入、8路數字量輸出以及1路32位計數器;軟件部分采用LabWindows虛擬儀器設計平臺，可實現數據采集、錄波、波形顯示等功能，并可分析信號的有效值、功率、諧波分量、相位角、對稱分量等信息。電壓電流信號通過傳感器可轉換成0～10 V，4～20 mA信號，然后通過數據采集卡進行AD轉換后傳給電腦，并在LahWindows平臺下進行數據處理，以記錄并顯示數據波形。

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　　2 測量原理

　　本系統可用于測量三相電壓電流的有效值、功率、頻譜、諧波、相位角、對稱分量，下面介紹各個參數的計算及實現原理和方法。

　　2.1 有效值計算

　　對于連續信號，假設電壓信號瞬時表達式為u(t)，則有

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　　然后再對信號進行離散化采樣，以得到序列{u[k]}，則電壓有效值為：

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　　2.2 頻譜與諧波分析

　　采用FFT變換可將采樣得到的數字信號中各次諧波在頻域中進行分離，以求出各次諧波頻率，并得到各次諧波下電壓電流的幅值和相角頻譜;然后，再將采樣得到的數字信號利用對稱分量法進行計算，即可求出基波的正序和負序分量。

　　離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform)的實質是有限長序列傅立葉變換的有限點離散采樣，因此，該變換開辟了頻域離散化的道路，它可使數字信號的處理在頻域采用數字運算的方法進行，從而大大增加了數字信號處理的靈活性。將信號經過模/數轉換后變成離散時間信號，一般可采用離散傅立葉(DFT)變換法。其長度為M的有限長序列x(n)的傅立葉變換公式為：

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　　通常快速傅立葉變換(FFT)不是一種新的變換，而是離散傅立葉變換(DFT)的一種快速算法。它通過對DFT變換式進行一次次的分解，以使其成為若干項DFT的組合，從而減小運算量。本文采用的FFT以2為基數，它具有運算效率高，程序簡單，使用方便等特點。

　　3 系統功能

　　3.1 用戶界面功能

　　本系統的功能主要是通過軟件的實現。表1所列是該虛擬儀器的軟件功能列表。圖2所示是其電力系統錄波儀的主界面圖。

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　　3.2 數據的采集及存儲

　　為了避免數據阻塞，減少運行過程中數據采集與用戶界面的影響，本錄波儀的軟件部分采用多線程技術。LabWindows提供有線程池(th-readpool)和異步定時器(asynchronous timers)兩種多線程機制。本文采用線程池及機制編寫。但采用多線程有可能造成數據不必要的改動甚至出錯，因此，LabWindows提供了線程安全隊列進行數據保護。它可將采集到的數據寫入安全隊列，分析數據時再從安全隊列中取出。數據存儲采用二進制形式，數據采集及存儲的部分程序如下：

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　　3.3 數據分析

　　數據分析主要是分析信號的有效值、功率、諧波分量、相位角等信息。諧波分量、相位角分析采用FFT算法，可通過極坐標的變換得到;功率譜分析也可利用FFT算法及相應算法得到。FFT可以實現時域向頻域的轉化，其函數原型為：

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　　Int status=FFT(double x[]，double y[]，intn);

　　其中，參數x輸出為傅立葉變換的實部，y輸出為傅立葉變換的虛部。x和y既是輸入，也是輸出，n為x，y的長度，并且一定是2的整數次冪。實現該功能的核心代碼如下：

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　　4 結束語

　　試驗結果顯示，本文設計的錄波儀不僅可以實現傳統錄波儀的功能，而且具有造價低，使用方便，可實現資源共享等特點。此外，本系統還可改成分布式系統，即采用嵌入式主板加數據采集卡，然后通過網絡上傳數據文件，而用上位機接收數據，最后進行處理并顯示。