UA301A LabVIEW FFT LabVIEW FFT Excel bmp LabVIEW,,,FFT : :ZD200320
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- 毖 邹
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1 UA301A LabVIEW FFT LabVIEW FFT Excel bmp LabVIEW,,,FFT : :ZD200320
2 The mainstream of test instruments development is that it is combined with the computer technology. Therefore virtual instruments technology has become an important field of test instruments technology. In this paper the virtual instrument technology is used to the power system harmonics measurement and the virtual instrument on harmonics analysis is developed and studied using a computer and UA301A data acquisition as the hardware platform and LabVIEW as the software platform of the virtual instrument. FFT algorithm is used for harmonics analysis. Firstly it is the analysis of the harmonics hazards, the harmonics research status in home and aboard and the measurement algorithms on harmonics in the paper. Then it introduces the development technology of virtual instruments, the basic theory that the system depends on and the hardware and software development platform of the system, and then a detailed description of the system software architecture is shown, including the interface driving program design between the data acquirement and LabVIEW and the software application program design using the way of the quasi-synchronous sampling and synchronous sampling to acquire data of the signal. FFT algorithm is used to make the real time harmonics analysis. Finally it carrys through a simulation, the experiment circuit design and the measurement of parameters of the experiment system. The software of the system is composed by the human-machine interface, data transmission and data processing. The measurement functions of the main interface in the system include three modules--spectrum measurements, harmonics analysis and power measurements. The measured data are saved to Excel format and the shown graphics are saved to bmp format. Through the simulation and the measurement of parameters in experiment system, it proves that the design of the system is reasonable and feasible. LabVIEW, Harmonics, Virtual Instruments, FFT
3
4 1 [3] (1) (2)
5 2 (3) (4) 60% (5) (6)
6 1945 J.C.Read F.J.J.Clarke J.R.Stockton ICHPS NI HP (1) (2) (3) (4) 5 1) 3
7 4 1.1 f1,f2...fn(n ) f1<f2<...fn 1.1 2) 2 3) 1984 H.Akagi 1 n
8 p q I p I q I q I p p q ( ) 1/6 4) (ANN) (ANN) :, 5), 5
9 (1) DSP(digital signal processing) (2) (1) (2) (Virtual Instrument VI) 1986 National Instrument NI I/0 6
10 7 GPIB VXI PCI USB I/O , NI HP 90 /
11 NI LabVIEW LabWindows/CVI HP HP-VEE HP-TIG Tektronix Ex-Test Tek-TNS HEM Data Snap-Master 1.2 GPIB VXI/PXI GPIB /PLC 1.2 NI Software is Instrument 8
12 PC RS232 GPIB VXI PCI USB IEEE1394 ( ) RS232 PC GPIB 8 GPIB GPIB VXI VME PCI USB IEEE1394 PC PC USB IEEE1394 USB SUN Digital IEEE Mb/s USB USB USB2.0USB 40, 480Mbit/s USB, 9
13 10 UA301A Philips USB PDIUSBD12 USB1.1USB1.1 12Mb/s 1.5Mbit/s USB 21 USB
14 :
15 (1) x(t) Ts ( ) x(t) x ( nt )( ) (2) s S x ( nt ) s S x ( nt ) x ( nt ) s S x(n)( ) q A/D A/D x(t) jw x(nts) x(t) X( jω) ( X e ) A/D 2.1 S 2.1 A/D (A/D) fs
16 2.2 f c (sampling theory) x(t) f 2 f ( Ω 2 ΩcT, π/ Ωc) s c s s x(t) x (nts) x(t) x(nts) x(t) DFT N x(n) DFT : X( k) = ( ) xn ( ) = ( ) N 1 nk xnwn n= 0 j k = N W e N 1 N = 1 nk XkWN N k= 0 ( 0,1,2,..., 1, ) DFT (2-1) --- FFT (Cooley-Tukey) 1.FFT N x(n)dft (2-1) X(k) nk x(n) DFT W x(n) (2-1) N 13
17 x W x W x W xn.. 0(0) 0(1) 0( N 1) (0) = (0) + (1) ( 1) x W x W x W xn 1(0) 1(1) 1( N 1) (1) = (0) + (1) ( 1) xn W x W x W xn N 1(0) N 1(1) N 1( N 1) ( 1) = (0) + (1) ( 1) (2-2) N (N-1) X(k) N N 2 (N-1) PC DFT DFT DFT (2-1) Kernel) W W = W k k+ N N N = W kn ( k+ ln)( n+ mn ) N N N N 2π j( ) N N N N W = e = 1W = 1 N N l,m (2-3) kn W N N N WN (Fourier ( ) W W W N kn N /2 N = 1, N = 1, N = 1 W = jw, = jw, = W N /4 3 N /4 k k/2 N N 2N N W N W k+ N /2 k N N (2-4) = W (2-5) DFT N 2 N DFT 2 N/2 DFT ( N /2) = N /2 FFT N DFT W N DFT 14
18 2.FFT FFT FFT FORTRAN C (C++) MATLAB MATHMATICA FFT() LabVIEW FFT FFT 2 FFT N DFT x(n) X(k) 2 N/2 X l (k)x 2 (k) C LabVIEW CLF 2 2 DFT : (1) Ts T N T=N Ts (2) N ( =NTs-T 0 ) ) 2π + N > M 2π 15
19 f(x) f ( 1 x0 + 2π f ( x) = f ( xdx ) 2π (2-6) x0 2ð f(x) X f(x) 50Hz (a) (b)
20 ,, UA301A A/D ( ) 10uS A/D 4 10uS uS ( 1KHz 1000uS) : UA301A minitz : void _stdcall minitz(handle husb, short fch,short chn, short gain, unsigned short fn) readdataz : void _stdcall readdataz(handle husb, short *addat,unsigned short fcode, long leng) T f(t) f () t = f ( t+ nt ) n = 0,1,2,... (2-7) f(t) f () t = a + ( a cosnωt+ b sin nωt) 0 0 n= 1 n= 1 = A + A cos( nωt+ ϕ ) n =2 /T Tf(t) n n n (2-8) 17
21 1 T A0 = a0 = f() t dt T 0 2 T an = f()cos t n tdt T ω 0 2 T b = f()sin t nωtdt( n= 1,2,3...) n T 0 A = a + b n 2 2 n n n bn φn = arctan( ) n a n A 0 ( ) jkwt e k 2-8 : ak jbk jkwt ak + jbk jkwt f () t = a0 + ( e + e ) 2 2 k= 1 a jb jkwt a + jb = e = k k k k k= 0 k= 0 Fe k jkwt e jkwt jθ k 1 Fk = ( ak jbk) = ak + be k = Ae k jθ k 1 F k = ( ak + jbk) = ak + be k = Ae k j( ϕk 90) j( ϕk 90) (2-9) k jkwt jkwt Fe + F e = A cos( kwt+ θ ) = A sin( kwt+ ϕ ) (2-10) k k k k k k Ak ϕ k T 2 T Fk = ( ak jbk) = ( f()cos( t kwt) dt j f()sin( t kwt) dt) 2 2 T 0 T 0 1 T jket = f() te dt T 0 (2-11) f(t) N, 1 1 F = fe = fw, k = 0,1,2..., N 1 N 1 2π j nk N 1 N nk k n n N N n= 0 N n= 0 (2-12) 18
22 2π j k k N f k ( f t) WN = e 2-12 f () t DFT f () t k 2 Fk F k θk 90 N 0 N-1 0 N/2-1 N= (DFT) FFT DFT FFT 2 n (1) U I H H = = h= 2 2 Ih h= 2 19 U 2 h (2-13) (2) : (3) n n n= 1 U = U + U + U = U n n n= 1 I = I + I + I = I (2-14) N HRUn HRU U n n = 100% (2-15) U1 Un N U 1 HRI I n n = 100% (2-16) I1
23 (4) THD(Total Harmonic Distortion) THD u THD i THD u UH = 100% U I H THDi = 100% I 1 1 (2-17) 2 2 H = h, H = h h= 2 h= 2 U U I I 3. P = UI cosϕ (2-18) P U I ϕ cosϕ Q= UI sinϕ (2-19) S = UI (2-20) 20
24 Microsoft Visual C++ Visual Basic NI Lab Windows/CVI LabVIEW HP ITG HPVEE Lab Windows/CVI: NI LabVIEW HP HPVEE NI LabVIEW C Windows ANSI C LabWindows/CVI LabVIEW VC++6.0 LabVIEW LabVIEW VC++ VC++ LabVIEW ( ) 21
25 VC++ VC++ LabVIEW VC++ VC++ LabVIEW VC++ LabVIEW LabVIEW : LabVIEW (G ) (SubVI) SubVI LabVIEW : (1) PC (2)I/0 I/0 A/D DAQ(Data Acquisition) DAQ ISA PCI USB DAQ 22
26 I/O UA301A A/D 3.3 UA301AA/D USB USB 12A/D USB A/D UA301A
27 0 1 n-1 DC/DC SR5D12/100 16KB A/D FIFO ADG506 AD526JN I/O AT89C51 USB PDI USB D12 USB / P82C54 L25P z dt 3.4 UA301A USB A/D IO EEPROM I/O ADC A/D FIFO A/D USB USB : ADC ADC FIFO I/O USB dt L25P z DC/DC SR5D12/100 24
28 1. UA301A 32 A/D n-1-2n+1 a b 3.5 () (2) : O A : A A A 25
29 (3) 0 10V -5 +5V (4) UA301A :12bit : 0.05 ( ) 16( )32( ) : 5V( ) 0 10V( ) :100KHz :>100M ( ) 16KB (FIFO), 3-16bit I/O DC/DC 26
30 ( ) 4.1 LabVIEW LabVIEW LabVIEW LabVIEW (1) LabVIEW (2) ( ) (3) (4).exe (5) 27
31 2 LabVIEW : (1) (2) (3) LabVIEW 3-5V +5V UA301A USB VI
32 LabVIEW EXE UA301A VI 4.2 LabVIEW 6 For While C : WINXP LabVIEW7.0 LabVIEW 29
33 4.3 LabVIEW 4.3 LabVIEW UA301A Excel bmp 1 30
34 A/D FIFO (ADC ) USB A/D 2 DLL LabVIEW 4.5 LabVIEW CLF Call Library Function node LabVIEW 31
35 UA301A DLL minitz VI void _stdcall minitz(handle husb,short fch,short chn,short int gain,unsigned short fn) Browse ua300a.dll 6 LabVIEW, DLL WINNT/System32 Function Name API API minitz Calling Conventions stdcall(winapi) Windows API stdcall C Parameter Return type Type Void Add Parameter After Parameter husb Type Numeric Unsigned 32-bit Integer Data Format Run in UI Thread OK 4.6 CLF 4.6 CLF DLL LabVIEW DLL HANDLE _stdcall OpenUA300() void _stdcall minitz(handle husb, short fch,short chn,short int gain,unsigned short fn) void _stdcall readdataz(handle husb, short *addat,unsigned short fcode, 32
36 long leng) HANDLE _stdcall CloseUA300(HANDLE husb) CLF 4.7 UA301AA/D LabVIEW 4.7 LabVIEW A/D FIFO N Y
37 (1) LabVIEW Initialize Array (2)12 A/D, ,0 (-5V) 2048(=0x800) 04095(=0xfff) (+5V) A/D A/D ( -0) V ( -2048) V case (3) G A/D UA301A12 G V -5+5V AD526JN V -5+5V 2 0 5V V V V V V case (4) A/D 100KHz 10uS 10uS n n nm(m ) for Waveform Graph 34
38 (5) while stop case
39 Case Structure :1 case
40 Description and Tip KHz KHz 51.2KHz 100KHz 96.77KHz 25.6KHz KHz 37
41 : 50Hz 4.15 GB/T ± 0.2Hz ± 0.5Hz, ± 0.2Hz 50± 0.5Hz Harmonic Analyzer.vi AutoPower Spectrum.vi, 38
42 FFT FFT LabVIEW FFT FFT FFT
43 (1) 4.18 Excel
44 (2) ( EXCEL) LabVIEW ActiveX LabVIEW EXCEL EXCEL (3) 4.20 EXCEL EXCEL EXCEL EXCEL 4.21 EXCEL 41
45 (4) WaveGraph LabVIEW (*.BMP, *.JPEG, *.PNG) *.BMP Graph Invoke Mode( )Get Image ( ) 4.22 (5) 4.22 : Case True false
46 File Save as New VI Library Harmonics Analyser VI Library OK File Save as Harmonics Analyser.llb Name the VI 11.exe 4.24 LabVIEW Tools Build Application or Shard Library(DLL) 43
47 1 LabVIEW 7 LabVIEW Tones and Noise Waveform.vi 7 : xt () = 30sin(100 πt) + 6sin(200 πt) + 8sin(300 πt) + 4sin(400 πt) + 5sin(500 πt) + 2sin(600 πt) + 3sin(700 πt) (5-1) FFT FFT LabVIEW = % 2 44
48 (1) 0.5 1V 50Hz 5.2 : f ( x) = (sinωx+ sin3ωx+ sin5 ωx sin(2k 1) ωx+...) π 3 5 2k 1 1/n (5-2) Hz Hz a b 45
49 ( )/ % = 6.6% 1Hz 50Hz ( )/ % = 5.6% (2) 5.3 a b 11 ( )/ % = 1.3% ( )/ % = 0.046% ( )/ % = 8.6% 46
50 A B C Ua Ub Uc UA301A A B C Uia Uib Uic I/U (1) (2) (3) 1A 1A/1.5mA 47
51 2-5V +5V(0-10V) 380V 220V( 210V ) 50:1 5V 3 A/D V 3.2 TSGC-3 3KW 0-430V(AC) 380V(AC) 1N4007 1A 1A/1.5mA 1A 7.6 Ω 2.7KΩ 48
52 217.5V 3.36V V Hz (1) ( ) V * 2= V V ( )/ % = 2.16% 5Hz (2) 49
53 Hz 2 a b a b
54 , % 3.2%1.2% Hz 4. 51
55 5.8 25V % 9% 13 8% 9% 24%
56 A/D 1. A/D () I/O A/D 1 LSB = q = U /2 b H e = 1 LSB/2 = q/2 = U /2 b H + 1 LSB q b U H b b UA301A, 10V,b 12 : 13 e= 10/2 = V = 1.22mV 5V 0.61mV V/5V 100%=0.0244% A/D 12 A/D A/D % 2. ( N= ) 1 T=N t FFT 53
57 FFT 4 LabVIEW FFT 1% 6% KHz 3.2%, 3. <1% 1% (1) A 48.6% (2) 3.3K Ω 2.7KΩ (3) 54
58 1 VI 19 : (1) LabVIEW LabVIEW LabVIEW (2) 1.3% 1% 6.6% % , (3) USB 2 (1) USB UA301A PCI NI USB (2) FFT 55
59 [1]. [M]. :.,1997 [2],,. [M]. :, 1988 [3]. [M]. :,1998 [4],,. [M]. :,1998 [5],. [M]..,1998 [6] [S]. GB/T [7]. [J] [8],. [J] [9],. [J] [10]. [J] [11] UA301AA/D [Z]. [12],,,. [J] [13]. [M]. :,2001 [14],. LabVIEW [M]., 2001 [15],.LabVIEW7.1 [M].,2004 [16],. LabVIEW7 Express [M].,2004 [17]. [M],1998 [18]. LabVIEW [J] [19],. LabVIEW Win32 [J] [20]. LabVIEW DLL [J] [21] LabVIEW Code Interface Reference Mannul. National Instruments [22] LabVIEW User Mannul. National Instruments [23] LabVIEW Function and VI Reference Mannul. National Instruments [24]. [J] [25],. [J]
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61 58
62 USB LabVIEW
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