基于虚拟仪器的水力机组运行工况实时监测系统大学本科毕业论文.doc

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1、 毕 业 论 文 院 系：机械与电气工程学院 专 业：热能与动力工程 题 目：基于虚拟仪器的水力机组运行工况实时监测系统 摘 要水电是我国重点发展的绿色能源，水电生产具有开停机方便、运行费用低，对环境污染小等优点，合理充分地利用水电能源对我国的经济发展起着巨大的推动作用，因此有效地对水力机组运行参数进行检测、分析、优化，对水轮机组高效稳定运行将起到重要作用。本文采用虚拟仪器技术，通过 LabVIEW 软件编程技术，设计了一套水力机组运行实时监测系统，该系统实现了水轮机工的作水头、流量、出力等参数的实时在线监测、显示、处理以及存储，使工作人员随时了解水轮机的运行状况，为建立水力机组优化运行系统打

2、下基础。实现水力机组的高效稳定运行及优化运行均具有一定的实际指导意义。 关键词：水力机组 虚拟仪器 监测系统 AbstractHydroelectricity is regarded as green energy of mainly development in our country.It has many characteristics such as quick start-up, low operation outlay and low pollution. How to make full use of hydro-electric power will enormously pr

3、omotes the development of our countrys economic. Therefore, to test, analyze and optimize the hydraulic parameters effectively will play an important role in the efficient and reliable operation of hydro-generating units.A real-time monitoring system of operation of hydro-generating units based on v

4、irtual instrument techniques was designed in this paper by using LabVIEW programming method.With the system,the real-time monitor,display,data processing and storage of turbine operating parameters such as water level,water flux and the output are achieved.The hydraulic efficiency can be calculated

5、and displayed real-timely according to the real-time monitoring data of hydro-generating units,so that the operators can hold the running status of turbine at any time,the realization of efficient and stable operation and optimal operation of hydro-generating units.Keywords: Hydro-generating Units;

6、Virtual instrument; Monitoring system; I目录摘 要IAbstractII第 一 章 绪 论11.1 研究的背景及意义11.2 国内外研究概况21.2.1 国外发展现态21.3 本文主要研究内容和重点解决的关键问题4第二章 水电机组运行参数的测定62.1 发电机有功功率测定方法62.2水轮机参数62.2.1 流量Q62.2.2 水头H72.3水轮机过机流量的测定82.3.1水轮机过机流量测定方法82.3.2本文采用的方法102. 4水轮机效率的计算112.5发电耗水量112.6水轮机出力计算12第3章 基于虚拟仪器的水力机组运行参数数据采集系统133.1

7、虚拟仪器及 LabVIEW 概述133.1.1 虚拟仪器技术133.1.1.1虚拟仪器与传统仪器的对比133.1.1.2 虚拟仪器的构成143.1.2 LabVIEW163.2 数据库访问技术183.2.1 系统数据库平台183.2.2 LabVIEW 中数据库的访问方式193.2.3 LabSQL 工具包简介193.2.4 LabSQL 的安装及配置213.2.5 LabVIEW 访问数据库的流程233.3 数据采集系统的软件结构243.4 数据采集系统的功能253.5 系统程序前面板263.6系统程序框图273.7 水力机组运行实时监测系统集成的实现28第4章 展望与总结304.1 展望3

8、04.2 结论30致 谢32参考文献33III第一章 绪 论第 一 章 绪 论1.1 研究的背景及意义随着我国国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，对能源的需求日益增加，但是我国能源总体上存在供不应求的问题，严重影响人民的正常生活和经济的可持续发展。然而，我国的水能资源丰富，开发条件优越，据 2005 年发布的全国水力资源复查成果显示，我国大陆水力资源理论蕴藏量年电量为 6.08 万亿千瓦时；技术可开发装机容量为 5.42 亿千瓦，技术可开发年发电量为 2.47 万亿千瓦时；经济可开发装机容量为 4.02 亿千瓦，经济可开发年发电量为 1.75 万亿千瓦时。因此，大力发展水电是改善我国现有能

9、源结构，实现西电东输、缓解东南沿海地区用电紧张问题的最现实和最有效的途径，也是我国能源建设的一项重要措施。但在我国已开发水电能源中，由于水库调度不当，机组运行不合理或者一些电站施工处理不善导致尾水位抬高等问题，造成大量的水力资源浪费因此解决我国水电能源问题，除积极开发能源外，还须设法使已有水电站发电机组高效运行，降低机组耗水量。这就要求对运行中的水力机组能够进行有效监测，采取有效手段、方法，对运行参数进行优化分析，充分利用有限的水量多发电，使机组实现最优经济运行。一般来说，水电站采用最优运行机组数可获得效益 2.0%，实现最优组合可获得效益 0.3%，实现机组间负荷最优分配可获得效益 0.3%

10、。根据国内外电站运行经验，水库水电站优化调度与常规调度相比，可增加经济效益 3%7%，厂内经济运行可增加经济效益 1%3%。因此，对水力机组优化运行模型与优化调度理论及其应用进行研究，是一件很有意义的工作，特别是对水力机组的工作状态进行实时优化，进行动态调度，在节能增效方面将起到更好的作用。而建立水力机组实时优化模型的基础是对水力机组进行有效的参数监测，并能实时处理。在目前我国已建成的中小水电站中，实现水力机组运行监测的比重较低，主要原因一方面没有实测机组运行参数的仪器，而从模型特性曲线换算出来的机组运行特性曲线与实际情况有出入，影响了计算的精度。另一方面水力机组运行优化主要依赖其实时性，传统

11、的负荷分配等优化算法会出现“维数灾”，难以达到实时性要求，这些都严重制约了水力机组优化运行功能的实施。如何使水力机组高效运行是国内外研究者普遍关注的问题。随着虚拟仪器技术的出现，本文提出将虚拟仪器应用到水力机组的运行参数实时监测中，通过 LabVIEW 中的 MATLABScript 节点实现智能算法的计算，建立水力机组实时能量特性模型，实现机组运行参数的实时在线监测、分析与处理，对于提高计算精度，实现水力机组节能高效运行具有重要的意义。1.2 国内外研究概况1.2.1 国外发展现态在国外，水力机组优化运行开展得比较早，早在上个世纪 20 年代左右，等微增率方法的思想就已产生，当时人们关心的是

12、如何在机组间经济地分配负荷。在50 年代，国内外都进行了许多关于水电站厂内经济运行的理论研究工作，以等微增率法为代表的各种研究取得了不少成果。60 年代以后，伴随着计算机的使用，加拿大、美国、日本等都取得了一些成功的例子并提出许多富有成效的方法：等微增率法、线性规划法、非线性规划法、动态规划法、模糊优化法等。另外，基于生物医学进化理论的神经网络方法和遗传基因方法，还有混沌优化方法在近十几年也得到了飞速发展。伴随着水电站经济运行算法的发展，运用现代控制理论将其运用于实际电站也得到了发展，开发了一大批自动控制设备及系统。20 世纪 60 年代初，美国首先把计算机应用于水电站的生产过程，一些电力公司

13、利用数字计算机实现电力系统经济调度，开始了计算机在调度中的应用。在 1965年美国东北部大停电后，多数电力公司意识到依靠运行装置在模拟盘上显示信息的方式已远不能满足复杂电网安全运行的要求，将计算机应用于电力系统的调度中，不仅考虑到负荷分配的经济性也考虑到整个电力系统的安全性。但由于当时计算机体积大，性能差，又缺乏软件支持，所以在水电站中未得到广泛应用。到了 70 年代，随着计算机技术的巨大进步，使其在水电站中应用条件日趋成熟，一些发达国家普遍采用计算机进行水电站的监控和实现其优化调度。将监控技术用于水电站设备是近些年来开始的新课题，目前国外做了一些成功尝试，研制开发出了一批实用的产品，诸如日本

14、日立公司研制的“水力发电设备状态监测系统”、日本东京电力公司和东芝公司共同研究开发“抽水蓄能发电机组自动监视系统”、加拿大 FES 公司的“水轮发电机局部放电分析仪”、瑞士 VM公司研制的“发电机气隙监测装置”等。从 20 世纪 90 年代开始，加拿大将经济运行功能引入发电管理子系统（GenerationManagemeniSubsystem，GMS）中，使 AGC（自动发电控制）成为水电站实时管理系统的一个重要组成部分。由研究监控技术发展起来的瑞士MC-monitoring SA 公司也开始了水电站的模拟、分析与优化系统研究，其开发的Run Aid 4.0 系统可以为多台水力机组分配负荷、制

15、定工作计划并实现实时操作。新西兰 Z&M numerics 公司开发的软件 Allocate 可根据负荷和机组情况进行优化计算，使得水电站在同样的出库条件下，发电量最大。该软件采用动态规划（DP）方法实现。雅典的水电系统于上个世纪末期实现了水电站参数的在线监控，根据水文资料、原始数据以及实际的参数情况，采用线性优化和非线性优化的方法实现了水电系统的整体优化。1.2.2 国内发展现状我国对水电站水轮发电机组监控技术的研究从上世纪 80 年代中期开始。当前水力机械状态监测技术发展迅速，诸如压力测量技术、流量测量技术和粒子图像测速技术等都有较大的进步，多媒体技术和计算机网络技术进一步应用到水轮发电机

16、组的状态测试系统中。上世纪 80 年代末葛洲坝电厂的计算机监控系统的研制成功成为电厂计算机监控技术从无到有发展的一个重要里程碑，使我国一举成为具有百万千瓦容量级水电厂计算机监控研制力量的国家。此监控系统是采用技术先进的日本三菱 FX2系列可编程序控制器及其专用功能模块、美国罗斯蒙特公司的 1151DP 差压变送器和FPW-201 功率变送器，对运行水电机组有关参数进行实时在线监测的新型监控系统。长江支流上的丹江口水电厂计算机监控系统是继葛洲坝之后攀上另一高峰的工程。在国内首次成功应用了分层分布式计算机监控系统及其他许多新技术，系统具有自动发电控制和自动电压控制的功能，自动发电控制中包括了简单的

17、经济运行的负荷分配功能。南瑞自控公司采用开放系统的研究始于 1990 年，居全国领先，葛洲坝二江电厂的新计算机监控系统即为其首批开放系统之一，其 AGC 中包括经济运行功能。随着人工智能技术和监控技术的日趋完善，国内外的许多机构都在为水电站经济运行的应用进行着不懈的努力。1.3 本文主要研究内容和重点解决的关键问题本文通过 LabVIEW 和 MATLAB 相结合编程的方法实现水轮机运行参数的检测、分析、计算以及建立水力机组能量特性模型等等。此模型适用于绝大多数中小型水电站水力机组建模，具有精度高、实时性好，可靠性高，界面友好，稳定性强的特点，此模型的开发对于充分利用水资源，提高水电站的经济效

18、益，实现水力机组的高效稳定运行及优化运行均具有一定的指导意义。研究的内容有：（1）在 LabVIEW 平台上构建水力机组运行参数的数据采集系统。通过对水力发电机组运行特点的分析，确定监测参数，选择监测传感器，确定各参数的监测方法；通过对系统的硬件结构、软件结构以及在数据采集过程中对数据信号调理技术的研究，确定监测硬件实施方案，信号调理方案；通过分析检测数据的速度要求、精度要求及通道要求等，选择合适的数据采集卡及计算机硬件系统。（2）控制界面的实现。控制界面集数据采集控制、采集数据的数据库存储控制、采集信号的分通道实时显示、分通道图形实时显示、机组综合运行特性的图形显示、数据的分析处理、机组效率

19、显示、水轮机运行模型建立等功能于一体，并具有结构简单，界面逼真、易操作、系统界面友好等特点。在本系统中，控制界面采用广为应用的虚拟仪器编程语言 LabVIEW 来实现。（3）数据库技术的应用。在控制面板的控制下，对水力机组采集的参数存储于数据库中。而用于数据分析、显示、制图等的原始数据则取自这个数据库，因而，本文将研究 LabVIEW 对数据库动态存取的控制技术。（4）采集数据的实时处理。在控制系统正常运行时，水力机组的运行数据不断采集到数据库中，此时，系统将对采集到的数据进行实时处理，包括数据的存储、数据的读取及格式转换、数据的计算及显示、数据的图形化或仪表化显示、水力机组当前工作工况的图形

20、实时显示等。（5）水轮机运行效率的实时计算显示。通过检测水力发电机的有功功率、水轮机的过机流量及其工作水头，计算水轮机效率并实时显示，使工作人员随时准确掌握水力机组的运行状态。（6）水轮机能量特性模型的建立。水力机组经济运行的准确性由负荷分配的准确性和机组特性的准确性保证，而水轮机的能量特性是进行水力机组间负荷分配的重要计算依据，因此，若机组特性的准确度不能满足，水力机组经济运行的效益就无法实现。该部分内容采用 LabVIEW 和 MATLAB 相结合的方法，利用神经网络工具箱建立水轮机能量特性模型。（7）系统集成。系统以石家庄岗南水电站 13 号水力发电机组为例，建立运行参数数据采集实时处理

21、系统，并对以上各功能进行有效集成。重点解决的关键问题是：在虚拟仪器控制下的水力机组参数采集系统的建立以及采集参数的数据库存储和实时处理；基于虚拟仪器的集监测控制与数据、图形显示于一体的控制面板的建立；基于 LabVIEW 和 MATLAB 混合编程方法的实现以及水轮机能量模型的建立；水轮机能量特性三维立体模型建立以及水力机组当前工况在三维模型图中的实时标示；系统的易用性、准确性、有效性的确保以及如何对实现水力机组高效稳定运行起到有效的指导作用。33第二章 水电机组运行参数的测定第二章 水电机组运行参数的测定2.1 发电机有功功率测定方法发电机有功功率的测定方法具体方法是：串联一只取样电阻（25

22、0）在功率变送器的输出回路上，取样电阻两端的电压差值即为数据采集模块的输入电压。如图（2-1）所示：图2-1 功率采集示意图功率变送器的输出电流为 420mA，对应电功率 080MW，那么在数据采集模块的输入端，15V 就对应于 080MW，由此可得换算关系式为： = 20 V20 式中，发电机有功功率(MW)； V取样电阻两端电压(V)。2.2水轮机参数2.2.1 流量Q水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号Q表示，常用的单位为。在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量称为设计流量。2.2.2 水头H水轮机的水头（亦称工作水头）是指水轮机进

23、口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为m。水轮机工作水头的定义可写出其基本表达式： (2.1)式中：E单位重量水体的能量，m；Z相对于某一基准的位置高度，m；P相对压力，或Pa；V断面平均流速，；断面动能不均匀系数；水的重度，其值为9810；g重力加速度，9.81。式中：；称为某截面的水流单位动能，即比动能，m；称为某截面的水流单位压力势能，即比压能，m；Z称为某截面的水流单位位置势能，即比位能，m；、Z的三项之和为某水流截面的总比能。由式可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变。常用几个特征水头表示水轮机水头的范围。特征水头包括最大水头，最小水头，加权平均水头，设计水头等。2.

24、3水轮机过机流量的测定2.3.1水轮机过机流量测定方法水轮机过机流量的测定方法较多，主要方法包括以下几个：（1）压力时间法（水锤法）压力时间法是记录在导叶关闭前后，导叶关闭过程中压力波传送过程的压力时间关系来实现流量测量的。在导叶快速关闭时，水流速度变慢，管道内水压力升高，水流的动量转变为冲量，水流速度突然后变化造成水内压力随着发生改变，这种现象叫做水锤作用。一般情况下，水压升高的大小与导叶关闭时间的长短（即水流速度变化的快慢）有关，测得水压变化的过程与数值后，即可求出导叶关闭前通过水轮机的流量。（2）流速仪法流速仪法的实质是流速面积法。具体方法是把若干部旋桨式流速仪分布在封闭式管道的其中一个

25、合适横断面的指定点上，然后接着对该点的水流速度进行测量，并对之前测取的所有流速数据进行数学积分，即可得到流量。流速仪法是一种相对来说比较古来的方法，在最理想的的测试环境和条件下，精度可以达到 11.5%，测量成果可靠，适用范围广，不论电站管道类型或规则断面的人工渠道，不论电站水头高低和流量大小，只要能选出合理的测流断面均可采用，但在测量流量前安装和测量流量后拆卸流速仪以及其支架时，电站均需停机放水，影响水电站机组的发电效率，且试验前准备工作量巨大，试验后资料的整理跟计算十分繁琐，而且流场很容易受自然和认为因素干扰。此外，流速仪法并不适于水电站流量效率的长期在线监测。（3）毕托管法毕托管法的具体

26、测量方法是：在管道轴心线处的测量断面上布置足够多的测点，测量置于这些测点上的毕托管的静压力与全压力之差，然后通过测量得到的压力差计算局部流速，最后采用流速面积法计算流量。 (4)差压装置法差压装置法的具体方法是：在管道中加设一种装置，该装置能形成细窄横断面（喷嘴、孔口或文吐里管），并测出由此形成的压差法。（5）示踪法目前使用的示踪法有三种，即等速注入法、积分法和传输时间法。常用的方法是等速注入法，具体操作：等速注入法（浓度法）的测量原理是在水电站引水管进水口处注入恒定的流量为 q 的含有示踪剂的溶液，经过水轮机转轮的搅拌作用，以及水流各个紊动质点的相互混掺和碰撞后，在出水的一侧得到混合水样，然

27、后对比混合水样与之前加入溶液浓度的，这样就可以得到水样在混合后的稀释倍数，即可确定水轮机的流量。（6）超声波法超声波法测量流量按其原理可分为声束偏位法、多普勒法、传播速度差法和噪音法等。这些方法各有特点，可根据待测对象还有精度要求的不同而做出不同的选择。其中的传播速度差法由于使用较方便，测量精度高，且受外来干扰小，在水电站测流中几乎都采用此法。超声波法测流的优点在于测量部件并未接触到流体，这样就不会破坏流场，工作量相对来说也比较小，没有压力损失，操作方便，易于检测，使测量能够达到自动化；其缺点是对现场的环境条件要求比较高，测量仪器昂贵，仪器安装精度要求高且很费时间。（7）蜗壳差压法蜗壳差压法测

28、流原理我们在高中的物理时就学过，所以相对来说，我们还是比较容易上手的。具体原理是：当水流经过水轮机弯曲蜗壳时，由于水流带着一定流速，并且蜗壳中心线弯曲，所以具有流速的水流会产生离心力，这样就使得蜗壳的里、外两个点有一定的压力差，产生的压力差大小与水流的流速有一定的正比关系。因为蜗壳的截面积是恒定的数值，所以水流的平均流速大小与水流在该截面上的流量是成正比关系的，因此，流过水轮机的流量就可以通过测量蜗壳内、外缘的压力差来得到。蜗壳差压法的优点包括：工作量小，测试仪器简单随时可测，不用停机停水也不甩负荷，应用范围广等。其缺点在于率定流量系数的工作量较大且必须在原型效率试验中进行率定。（8）堰测法堰

29、测法测流得具体方式是：在薄壁堰中引入表面自由的水流，然后对其溢流高度进行观测，并以溢流层和水流流量之间的函数关系为基础计算出过机流量。堰测法常用于小流量测量，测量仪器仪表简单，测量方法亦简单，但其缺点是只适用于小流量测量，很少用于现场测流，对于大流量的测量精度比较低，并且，装堰板对水轮机工作水头有一定的影响。2.3.2本文采用的方法本文采用的方法是蜗壳差压法。蜗壳差压法测流原理是具有一定流速的水流流经水轮机蜗壳时，由于蜗壳中心线弯曲，水流在弯曲流道上产生离心力，使得蜗壳内、外缘两点产生压力差，这压力差的大小与水流流速有关。对于截面积已成定值的蜗壳横截面来说，平均流速大小正比于流经该截面的流量，

30、因此测量蜗壳内、外缘的压力差就可以测定流过水轮机的流量。差压法是实现水力机组流量实时监测的更为简便的一种方法，它具有测量精度较高、安装调试不影响机组正常工作、不干扰流场、经济等优点，可分为蜗壳差压法、文丘里管差压法、弯管差压法和进水流道差压法等多种方法 。其中蜗壳差压法是运行的水电站最常使用的一种测量流量的方法，当测压点选择得当时，蜗壳流量计具有较高的测量精度。蜗壳中的水流按等速度矩律分布，即Error! No bookmark name given.vcosR =R =const，距机组中心愈近，流速愈大，压力愈低；反之，流速愈小，压力愈高。因此，蜗壳任一断面上距机组中心不同的两点间存在压力

31、差，蜗壳测流原理就是利用差压计测定蜗壳中两点的压力差 h，再由伯努利方程求得通过水轮机的流量： 式中，Q水轮机的过机流量()； K 蜗壳流量系数； h 蜗壳内外差压(m)国内外许多水电站的现场试验表明，无论哪种形式的蜗壳，流量Q都十分准确地与蜗壳内外压力之差的平方根成正比，当蜗壳上的测压孔口确定后，蜗壳流量系数K 就为一常数（岗南水电站 13 号机组的蜗壳流量系数分别为 22.03、21.85、22.22），且当机组水头改变时保持不变。2. 4水轮机效率的计算根据水力学原理，水轮发电机组的总效率为: （2.2）式中， 一一水轮发电机组的效率； 一一发电机的有功功率(MW)； 一一水轮机的输入功

32、率(MW) 。 水轮发电机组的效率等于水轮机的效率与发电机的效率的乘积，在测得机组的效率后，通过发电机的效率特性曲线查得发电机的效率，即可得到水轮机的效率: （2.3）式中，一一水轮机的效率; 一一发电机的效率。通过水轮机的水流的出力即水轮机的输入功率，表示为: Nw=9.81QH 式中，Q一一水轮机的过机流量(m3/s); H一一水轮机的工作水头(m)。由式(2-2), (2-3)和(2-4)可得: （2.4） 由上式可知，只要测得水轮机工作水头，水轮机过机流量和发电机输出的有功功率便可求出水轮机效率。2.5发电耗水量 水轮机的发电耗水率是单位时间内水轮机的过机流量与功率的比值，即： （2.

33、5） 式中：发电耗水量（）； Q水轮机流量（）； P有功功率（kW）。2.6水轮机出力计算 水轮机的出力指水轮机轴端输出的功率，可表示为: （2.6） 式中，N一一水轮机出力(MW) ; 一一发电机的有功功率(MW) ; 一一发电机的效率。第三章 基于虚拟仪器的水力机组运行参数数据采集系统第3章 基于虚拟仪器的水力机组运行参数数据采集系统3.1 虚拟仪器及 LabVIEW 概述3.1.1 虚拟仪器技术虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念是美国国家仪器公司于 20 世纪 80年代最早提出的，它是继第一代仪器（模拟式仪表）、第二代仪器（分立元件式仪表）、第三代仪器（数字式仪

34、表）、第四代仪器（智能仪器）之后的新一代仪器，它引发了传统仪器领域的一场重大变革，使网络技术和计算机进入仪器领域，开创了“软件就是仪器”的先河。虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，用途由用户自己定义、测试功能由测试软件实现的、具有虚拟面板的一种计算机仪器系统。虚拟仪器可以集成为自动控制系统；可自由构建成专用仪器系统；可代替传统的测量仪器，如逻辑分析仪、示波器、频谱分析仪、信号发生器等，使得测量人员从繁杂的仪器堆中解放出来。任何形式的虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到台式 PC、工作站或笔记本电脑等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。虚拟仪器通过软件将仪器硬件与计算机硬件资源有

35、机地融合为一体，从而把仪器硬件的控制、测量能力和计算机强大的计算处理能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积。3.1.1.1虚拟仪器与传统仪器的对比相比于传统仪器，虚拟仪器具有四大优势：性能高、扩展性强、开发时间少、完美的集成功能。两者的性能对比虚拟仪器传统仪器关键是软件关键是硬件开发与维护的费用相对较低开发与维护的费用高软件技术更新快技术更新慢仪器间资源可以重复利用，整体价格便宜仪器间无法通用，整体价格比较昂贵仪器功能是由用户自己去定义的仪器功能是由生产厂商去定义的系统开发时间短系统开发时间长数据可以编辑、存储、打印数据无法自己改变容易与其它设备连接不易于其它设备连接3.1.1.2 虚

36、拟仪器的构成虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。 （1）虚拟仪器的硬件结构硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储处理和输入/输出等工作，由计算机和 I/O 接口设备组成。 计算机一般为一台 PC 或工作站，是硬件平台的核心。 I/O 接口设备I/O 接口设备即采集调理部件，包括 PC 总线的数据采集卡、VXI 总线仪器模块、GPIB 总线仪器、LXI 总线仪器模块、PXI 总线仪器模块、现场总线仪器模块和串口总线仪器模块等标准总线仪器，主要完成被测输入信号的采集、放大和模数转换。 （2）虚拟仪器的软件系统虚拟仪器的关键技术是软件，通过运行计算机上的软件，一方面实虚拟仪器的图形

37、化仪器界面，给用户提供一个设置仪器参数、修改仪器操作、检验仪器通信和实现仪器功能的人机接口；另一方面使计算机直接参与测量特征的分析与测试信号的产生，完成数据的输入、输出、存储及综合分析等功能。虚拟仪器软件由 3 部分构成。 输入/输出（I/O）接口软件I/O 接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，它具有以下功能：对仪器内部寄存单元进行直接存取数据操作；为仪器驱动程序提供信息传递；是实现开放统一的虚拟仪器系统的核心和基础。 仪器驱动程序仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集，它是连接顶层应用软件和底层 I/O 软件的纽带与桥梁，每个仪器模块都有自己对应的仪器驱动程序，仪器

38、生产厂家在提供仪器模块的同时也会提供仪器驱动程序文件和 DLL 文件。 应用软件顶层应用软件主要包括数据分析处理软件和仪器面板控制软件，可以完成利用计算机强大的图形功能实现虚拟仪器面板，给用户提供操作仪器、显示数据的人机接口，以及数据采集、显示、分析处理和存储等的功能，应用软件具有良好的开放性和可扩展性，目前应用软件开发工具主要有两种类型：文本式编程语言：如 Visual C+，Visual Basic，LabWindows/CVI 等。图形化编程语言：如 LabVIEW，HPVEE 等。VC、VB 具有简单易用、实用性强的优点，但开发人员需要有较多的编程经验和较强的调试能力。NI 公司的 L

39、abVIEW 和 HP 的 VEE 等具有图形化的常用模块，智能化的数据连线，逼真的仪器面板元件，丰富多彩、简便易用的函数库和工具包，编程效率高，通用性强，是构建虚拟仪器的理想工具。虚拟仪器的硬件结构3.1.1.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器是仪器测量技术和计算机技术相结合的产物，它充分利用了计算机强大的运算处理能力，突破了传统仪器在数据传输、处理、显示、存储等方面的限制。虚拟仪器具有如下特点：强大的信号处理能力通过适当的硬件结构系统对信号进行采集、放大、隔离、滤波以及模/数转换，虚拟仪器可以利用计算机的大量实用软件工具对信号进行各种分析计算、处理和数字化、图形化显示，也可以将信号通过数/模转换后

40、控制执行器件的执行动作。具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应软件GPIB 通用接口总线（或称 IEEE488 国际标准接口总线）近 30 年广泛应用于仪器领域，它只适用于消息级器件的互操作，不适于寄存器级器件。1987 年新推出的 VXI 总线（或称 IEEE1155 国际标准接口总线）具有通用性和开放性，使任意厂家、各种类型仪器接口不会发生机械电气方面的冲突，VXI 具有 40M Bytes/s 的数据传输率，能保证仪器间的同步和精确定时，被认为是虚拟仪器理想的硬件平台。为虚拟仪器数据采集和控制提供强大支持的还有 VISA、PCI 等标准 I/O 卡及其相应的驱动程序库。具有开发周期短

41、、成本低、维护方便和易于应用等特点应用虚拟仪器的这些特点可以快速、低成本地开发出具有相当大柔性且易于维护管理和升级的仪器。具有可变性、多层性、自助性的面板与传统仪器一样，虚拟仪器的面板也可以有旋钮、开关按钮、滑动条，有显示器显示波形，有 LED 指示灯，有声音和报警指示灯，有指针式表头指示刻度等。但虚拟仪器与传统仪器又有不同之处，传统仪器面板上的元器件是硬件，由出厂厂商确定，不可更改，而虚拟仪器的面板由计算机显示器构成，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，由用户根据自己的任务需要随意设计，用户可以增、删、移动元器件，变化器件外观，颜色等，而且可以制作多层下拉面板，构建大大超出传

42、统仪器的生动美观、界面友好的面板。用户可定义虚拟仪器的功能、性能、指标虚拟仪器系统给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户可以根据自己的需求设计仪器系统，满足各种应用需求。一方面其可根据用户不同要求修改同一个仪器的功能、性能和指标；另一方面以软件形式将多种仪器的功能、性能和指标集成在虚拟仪器库内，通过它们的不同组合以及与不同类型的硬件系统的搭配在一台计算机上就可以实现各种仪器的功能，极大地扩展了仪器的功能，提高了仪器功能的灵活性。3.1.2 LabVIEWLabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器

43、工程平台）是美国 NI 公司（National Instrument Company）推出的一种基于 G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具，它被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件，不仅提供了遵从 GPIB，RS-232，RS-485和 VXI 协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，而且其库函数还支持 TCP/IP，ActiveX 等软件标准，功能强大且灵活，利用它可方便地组建自己的虚拟仪器。LabVIEW 被称为图形化编程语言，不仅在于它的界面设计方式，更重要的是它在编写程序代码、实现程序功能的时候，也使用了图形化的操作方式。LabVIEW的程序

44、由数据流驱动，数据流控制程序执行次序，不像文本程序受顺序执行约束，因此可通过相互连接功能方框图快速开发应用程序，甚至多个数据通道可同步运行。LabVIEW 是一个面向最终用户的工具，即使是毫无计算机背景知识的学习者，也可以在短期内掌握 LabVIEW 的编程方法。在 LabVIEW 中开发的程序都被称为 VI，一个 VI 由三部分构成：前面板（FrontPanel）、程序框图（Block Diagram）和图标/连接器（Icon and Connector Pane）。前面板是图形用户界面，用于设置输入数值，观察输出量和模拟真实仪表。在程序前面板上，输入量称为控制器（Control），输出量称

45、为指示器（Indicator），控制器包括开关、旋钮、按钮等输入设备；指示器包括图形、图表、LED 指示灯等显示输出对象，这些控制器和指示器使得前面板直观易懂。框图是定义 VI 功能的程序源代码，一个程序前面板对应一段程序框图。框图程序用 LabVIEW 图形编程语言编写，由图框、端口、连线和节点构成。其中图框可以实现结构化程序控制命令；端口可以完成前面板的控制、显示以及传递数据；连线代表程序执行过程中的数据流，可以定义框图中的数据流动方向；节点可以实现函数及功能调用。图标和连接器相当于文本编程语言中的函数原型。图标是 VI 的图形化表示，包含文字、图形或是图文组合，当把一个 VI 作为子 VI 使用时，在程序框图上会出现代表该子 VI 的图标，通过双击图标对子 VI 进行编辑。在创建子 VI 时还需要创建连接器，连接器表明了子 VI 中的全部输入和显示控件的接线