電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26965電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)案例 170991.1軟件選用 126481.1.1虛擬儀器概述 1165171.1.2LabVIEW介紹 275811.2軟件設(shè)計(jì)流程 4139281.3程序后面板設(shè)計(jì) 538381.1.1信號(hào)輸入部分 5170971.1.2濾波部分 5152201.1.3頻率信號(hào)得出以及頻譜測(cè)量部分 7284761.1.4完整程序框圖 10114561.4程序前面板設(shè)計(jì) 1148811.4.1運(yùn)行程序 111.1軟件選用1.1.1虛擬儀器概述儀器，是當(dāng)今社會(huì)上不可或缺的基本工具，儀器隨著信息時(shí)代的到來(lái)慢慢地與計(jì)算機(jī)相密切結(jié)合?，F(xiàn)今這種結(jié)合共有兩種方式：智能化儀器與虛擬儀器。智能化儀器是在儀器中嵌入計(jì)算機(jī)，使其擁有強(qiáng)大的計(jì)算分析功能。虛擬儀器便是將儀器放入計(jì)算機(jī)，以計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)與硬件功能作為載體，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器所能實(shí)現(xiàn)的功能。虛擬儀器充分地利用了計(jì)算機(jī)的資源，甚至可以實(shí)現(xiàn)那些在傳統(tǒng)儀器上所不能實(shí)現(xiàn)的功能。獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器，雖然功能齊全，但是價(jià)格昂貴，且功能單一，只能完成特定的測(cè)量，并沒(méi)有較強(qiáng)的自定義與擴(kuò)充功能。而且傳統(tǒng)儀器更新?lián)Q代快，不利于用戶(hù)長(zhǎng)久使用，更新。虛擬儀器（virtualinstrument）利用了模塊化硬件，結(jié)合計(jì)算機(jī)配置的軟件進(jìn)行各種自動(dòng)化的應(yīng)用。軟件部分能夠使用戶(hù)輕松地自定義想要的界面，硬件部分，模塊化的硬件能夠輕松地提供系統(tǒng)化的集成。計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序也能夠精準(zhǔn)地為用戶(hù)提供定時(shí)與同步化的需求，這便是虛擬儀器能夠在行業(yè)中脫穎而出的原因，它擁有易操作的軟件，模塊化的硬件以及能夠集成軟硬件的平臺(tái)，完全發(fā)揮出了所有的優(yōu)勢(shì)。優(yōu)勢(shì)1：性能強(qiáng)其技術(shù)是由PC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，虛擬儀器擁有PC中優(yōu)秀的處理器與文件I/O，可以在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤(pán)中的同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，因特網(wǎng)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)硬件的不斷革新也使虛擬儀器展現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。優(yōu)勢(shì)2：擴(kuò)展性強(qiáng)在虛擬儀器中，由于軟件的靈活性，用戶(hù)只需要更新自己的計(jì)算機(jī)軟件，便可以改進(jìn)擴(kuò)展整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)。便可以利用最新科技的同時(shí)，將現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備完成任務(wù)的測(cè)量。優(yōu)勢(shì)3：開(kāi)發(fā)時(shí)間短虛擬儀器高效地將計(jì)算機(jī)、儀表與硬件結(jié)合在一起，形成一個(gè)完整的構(gòu)架，更加方便了用戶(hù)的操作，并且提供了強(qiáng)大的靈活性與操作功能。極大地縮短了用戶(hù)解決各種測(cè)量要求的時(shí)間。優(yōu)勢(shì)4：無(wú)縫集成虛擬儀器本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種將軟件與硬件集成的概念。隨著時(shí)代的發(fā)展，各種行業(yè)中產(chǎn)品的功能也不斷地增加，趨于復(fù)雜。虛擬儀器在軟件平臺(tái)上為各種設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，方便用戶(hù)將多個(gè)不同的設(shè)備集成到一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)中，極大地減少了程序的復(fù)雜程度。虛擬儀器的發(fā)展現(xiàn)狀虛擬儀器是利用模塊化的硬件與易于升級(jí)的軟件來(lái)完成測(cè)量、自動(dòng)化的應(yīng)用?，F(xiàn)今，虛擬儀器已經(jīng)被各種測(cè)試行業(yè)、自動(dòng)化行業(yè)、生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行廣泛地使用。虛擬儀器利用了發(fā)展迅速的PC產(chǎn)業(yè)，高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以及PC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件，提升了巨大的技術(shù)能力以及能夠降低極大的成本。隨著PC軟件系統(tǒng)的不斷更新?lián)Q代，虛擬儀器技術(shù)也迅速地發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越多的功能。虛擬儀器的各種功能越來(lái)越強(qiáng)大，即已經(jīng)能夠在PC上開(kāi)發(fā)測(cè)試程序，在嵌入式處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列上設(shè)計(jì)硬件功能。為用戶(hù)在設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)上提供了一個(gè)獨(dú)立的環(huán)境。因而虛擬儀器在替代傳統(tǒng)儀器的功能上發(fā)揮著重要的作用，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越廣泛，是未來(lái)儀器發(fā)展的主流方向。1.1.2LabVIEW介紹LabVIEW是一種虛擬儀器程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器公司（NationalInstrument）開(kāi)發(fā)，與C語(yǔ)言和BASIC等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言區(qū)別的是，LabVIEW語(yǔ)言使用的是G語(yǔ)言（圖形化編輯語(yǔ)言）編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的即為程序框圖。LabVIEW是虛擬儀器（NI）設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心部分，是用戶(hù)使用虛擬儀器開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的絕佳選擇。與C語(yǔ)言和BASIC相同，LabVIEW使用的也是通用編程系統(tǒng)，有個(gè)完成編程任務(wù)的函數(shù)庫(kù)，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及儲(chǔ)存等，便于程序的修改調(diào)試。LabVIEW是通過(guò)圖標(biāo)以此代替文本創(chuàng)建工程的圖形編程語(yǔ)言，與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言不同的是，LabVIEW采用了數(shù)據(jù)流編程的方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的先后順序決定了VI之間函數(shù)的執(zhí)行順序。而傳統(tǒng)編程語(yǔ)言則使用的是語(yǔ)句與指令的先后來(lái)決定程序的優(yōu)先順序。在LabVIEW中，系統(tǒng)提供了很多在外觀(guān)上與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器類(lèi)似的控件，這樣用戶(hù)能夠更為便捷地創(chuàng)建自己熟悉的用戶(hù)界面，這在LabVIEW中被稱(chēng)為前面板。在后面板中，用戶(hù)通過(guò)自己編譯的程序來(lái)對(duì)前面板的控件進(jìn)行控制，這些使用圖標(biāo)與連線(xiàn)的代碼被稱(chēng)為圖形化代碼（G代碼），由于G代碼在視覺(jué)上類(lèi)似于流程圖，因而又被稱(chēng)為程序框圖。LabVIEW的特點(diǎn)：LabVIEW在硬件上盡量采用了通用的產(chǎn)品，儀器之間的差異主要是軟件。由于LabVIEW擺脫了硬件的束縛，主要在PC上進(jìn)行使用，所以有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠創(chuàng)造出功能更加先進(jìn)的儀器。LabVIEW有著強(qiáng)大的自定義能力，能夠根據(jù)用戶(hù)的需求，隨心定義制造自己需要的儀器。圖形化程序語(yǔ)言（G語(yǔ)言），該語(yǔ)言盡量利用了技術(shù)人員、工程師等所熟知的圖標(biāo)、概念，便于開(kāi)發(fā)。因此，這是一個(gè)面向廣大用戶(hù)的編程軟件，LabVIEW可以增強(qiáng)用戶(hù)構(gòu)建小型儀器或是大型工程系統(tǒng)的能力，提供儀器編程和數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的捷徑，而不用面對(duì)冗長(zhǎng)的傳統(tǒng)代碼。使用該軟件進(jìn)行編譯程序或測(cè)試儀器系統(tǒng)時(shí)，可以極大地提高用戶(hù)的工作效率。LabVIEW最大的優(yōu)勢(shì)之一在于其能夠在同一個(gè)硬件的情況下，僅僅通過(guò)軟件編程的改變，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同儀器儀表的功能。相當(dāng)于LabVIEW的軟件是主體部分，硬件只是支持其工作的外殼。LabVIEW的應(yīng)用領(lǐng)域測(cè)試測(cè)量：LabVIEW在最初便是為了測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，所以測(cè)試測(cè)量便是LabVIEW最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與檢驗(yàn)，LabVIEW在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的認(rèn)可。至今，大部分的測(cè)試儀器與DAQ設(shè)備均擁有自己的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)使用LabVIEW時(shí)能夠便捷地控制。同時(shí)用戶(hù)可以在控件選擇模塊內(nèi)找到幾乎所有關(guān)于測(cè)試測(cè)量的工具包，能夠包含幾乎所有用戶(hù)所需求的功能?？刂疲涸谕瓿蓪?duì)機(jī)器的測(cè)試測(cè)量后，接下來(lái)一步便是控制，LabVIEW自然將軟件拓展至控制領(lǐng)域。其擁有專(zhuān)門(mén)的控制模塊：LabVIEWDSC。在各種控制領(lǐng)域中，常用的設(shè)備幾乎都擁有相應(yīng)的控制程序，使LabVIEW能夠便捷地對(duì)其取得控制。仿真：在設(shè)計(jì)大型工程項(xiàng)目時(shí)，可以使用LabVIEW進(jìn)行仿真運(yùn)行，找到設(shè)計(jì)中的漏洞，驗(yàn)證其合理性，找到潛在的問(wèn)題。在教育領(lǐng)域，教師可以讓學(xué)生使用LabVIEW仿真模擬，使學(xué)生獲得實(shí)踐的機(jī)會(huì)?？焖匍_(kāi)發(fā)：當(dāng)設(shè)計(jì)師的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目時(shí)間較為緊張時(shí)，可使用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由于其較少的代碼編寫(xiě)，較為直觀(guān)的視覺(jué)編程，能夠使開(kāi)發(fā)時(shí)間大大縮短。1.2軟件設(shè)計(jì)流程軟件編程部分流程圖圖3-1軟件設(shè)計(jì)流程圖1.3程序后面板設(shè)計(jì)1.1.1信號(hào)輸入部分圖3-2模擬信號(hào)輸入使用NIELVISIII工程文件中controlIO中的analoginput作為模擬量信號(hào)輸入，在控件中選擇光電傳感器與磁電傳感器在面包板上接入的I/O接口。例如光電傳感器接入了AI0接口，則在控件中選擇AIO接口，并將采樣方式改成n采樣（NSamples）。改成n采樣的原因是這樣能夠采樣出連續(xù)的模擬信號(hào)，而不是單一的、一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)。通過(guò)創(chuàng)建數(shù)組將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)組信號(hào)輸出，便于之后的圖像顯示。移位寄存器的作用是在這個(gè)while循環(huán)中每次循環(huán)結(jié)束后存儲(chǔ)之前的數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)不斷累加，從而得出連續(xù)的信號(hào)。1.1.2濾波部分圖3-3濾波部分這個(gè)部分是使波形達(dá)到大致穩(wěn)定的一個(gè)重要的部分。在本次設(shè)計(jì)中，加入了3種濾波方式：低通濾波、通帶濾波與高通濾波。三種濾波方式的區(qū)別如下：低通濾波：輸入的波形信號(hào)中，只有低頻信號(hào)能夠順利通過(guò)，高于設(shè)置的截止頻率的信號(hào)則會(huì)被削弱、阻斷。設(shè)置的截止頻率則根據(jù)不同設(shè)計(jì)的需要來(lái)進(jìn)行調(diào)整。低通濾波能夠使波形圖像進(jìn)行降噪，平滑處理帶通濾波：帶通濾波是允許特定范圍內(nèi)的頻率進(jìn)入，而范圍之外的所有頻率都衰減至極低值的濾波方式，該濾波方式也可以用低通濾波與高通濾波組合而成。高通濾波：高通濾波允許設(shè)置的高頻信號(hào)能夠通過(guò)，而阻攔低于臨界值的低頻信號(hào)。阻攔信號(hào)的強(qiáng)弱程度可以依據(jù)不同程序的運(yùn)作目的而進(jìn)行改變，因此該濾波也被成為低頻去除濾波，與低通濾波相反。設(shè)計(jì)中選擇的三種截止頻率：圖3-4濾波器配置在設(shè)計(jì)濾波器截止頻率時(shí)，將截止頻率分為3段:≤120Hz對(duì)應(yīng)低通濾波，120-400Hz對(duì)應(yīng)通帶濾波，≥400Hz對(duì)應(yīng)高通濾波。選擇是依據(jù)測(cè)量從3V電壓至10V電壓中頻率的最小與最大值。在電壓為3V時(shí)，電機(jī)輸出頻率約為63Hz，此時(shí)對(duì)應(yīng)低通濾波；在電壓為10v時(shí)，電機(jī)輸出頻率約為225Hz，對(duì)應(yīng)通帶濾波。由于測(cè)量使用的電機(jī)可承受電壓范圍為2-12V，無(wú)法成為市面上主流電機(jī)的參考，所以本設(shè)計(jì)還增加了≥400Hz的高通濾波來(lái)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。通過(guò)三種濾波器的濾波，能夠得到濾波后的轉(zhuǎn)速波形以進(jìn)行后續(xù)的波形分析。1.1.3頻率信號(hào)得出以及頻譜測(cè)量部分圖3-5信號(hào)分析部分該部分為信號(hào)分析以及頻率、轉(zhuǎn)速得出部分。得到濾波后的波形之后，先將波形進(jìn)行頻譜測(cè)量。使用LabVIEW控件中的頻譜測(cè)量控件，雙擊該控件，得到頻譜測(cè)量的配置窗口在所選測(cè)量中有幅度（均方根）、幅度（峰值）的選項(xiàng)。幅度（均方根）：測(cè)量信號(hào)頻譜，以均方根（RMS）的形式顯示結(jié)果。如正弦波的有效值是其峰值的0.707倍，則可在正弦波的各個(gè)頻率上產(chǎn)生0.707倍的幅值。方波則可在各個(gè)頻率上產(chǎn)生1倍的幅值。幅度（峰值）：測(cè)量信號(hào)頻譜，以峰值的形式顯示結(jié)果。即若正弦波的的幅值為A，則可在正弦波相應(yīng)頻率上的位置產(chǎn)生相同的幅值A(chǔ)，且為圖像的峰值處。由于本次設(shè)計(jì)需要測(cè)量不同種類(lèi)的波形，即光電傳感器輸出波形與磁電傳感器輸出的波形，所以為了能夠清晰地看出不同電壓下的頻率，以及信號(hào)干擾的情況，選擇幅度（峰值）的測(cè)量方式。圖3-6頻譜測(cè)量配置在進(jìn)行頻譜測(cè)量之后，由于無(wú)法直接在圖像中提取出準(zhǔn)確的頻率數(shù)值，所以使用單頻測(cè)量提取出信號(hào)中的頻率部分，以便進(jìn)行之后的轉(zhuǎn)速計(jì)算。圖3-7單頻測(cè)量配置轉(zhuǎn)速計(jì)算：計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60×f式1-1中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分（rpm）f為電機(jī)運(yùn)行頻率，單位：赫茲（Hz）p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)（pair），單位：對(duì)（p）電機(jī)運(yùn)行頻率由單頻測(cè)量信號(hào)得出，電機(jī)磁極對(duì)數(shù)則是指電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體N,S的對(duì)數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，即電機(jī)中的電流變化一個(gè)周期，電機(jī)中的磁場(chǎng)也隨之在空間中旋轉(zhuǎn)180度。圖3-8實(shí)驗(yàn)用電機(jī)如圖可見(jiàn)，測(cè)量使用的電機(jī)擁有12個(gè)N,S磁極，則總共有6對(duì)磁極對(duì)數(shù)，p=6。所以該電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=60×f6，即轉(zhuǎn)速是電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的10倍。由于輸入控件analoginput在選擇信號(hào)輸入時(shí)，默認(rèn)單位為1000Hz，所以轉(zhuǎn)速需要在原有的基礎(chǔ)上乘以103圖中計(jì)時(shí)器的部分為“等待整數(shù)倍毫秒”，在此設(shè)置為50。意為每50毫秒對(duì)該電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行一次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果在頻譜分析中進(jìn)行分析。7在最外層布置一個(gè)while循環(huán)，則無(wú)限循環(huán)此步驟，直到結(jié)束進(jìn)程。1.1.4完整程序框圖圖3-9程序后面板框圖中第一個(gè)移位寄存器中的數(shù)據(jù)為光