基于PXI总线的通用变压器测式系统的设计
时间：04-13
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随着计算机技术的迅猛发展，计算机已成为测量革命的核心所在，测量核心技术所取得的进步从根本上改善了传感器、数字化仪、信号处理和分布式测量的方式，使松散耦合且经常不匹配的独立仪器传统测量方式逐步转变为高度集成化、高性能的网络测量系统和自动化解决方案。
传统变压器产品的测试，主要根据IEC和国家标准GB1094-85《电力变压器》中的有关规定进行，测试项目随变压器类型不同而不同，可分为例行试验、型式试验、特殊试验。测试时逐项测试，不仅需要多种多样的测试仪器，造成硬件资源上的浪费，而且由于测试工作采用手工控制方式，劳动强度大测试速度慢，数据处理也需试验人员来完成。针对传统变压器测试的以上特点，我们利用目前已经成熟的先进虚拟仪器技术和数据采集技术，应用美国国家仪器公司(NI公司)研制的功能强大的仪器系统开发平台LabWindows/CVI和该公司提供的一套基于计算机的高性能的数据采集产品，设计一个通用变压器自动测试系统来完成变压器产品的自动测试。
1变压器产品测试项目及测试信号分析
变压器试验种类一般可分为半成品试验、出厂试验、型式试验、特殊试验、验收试验和修理后试验。每台变压器在出厂前都必须进行例行的出厂试验，其试验项目主要有电压比的测量，绕组联结组的测定；绝缘电阻、吸收比、介质损耗的测量；工频耐压试验；感应耐压试验；空载试验；负载试验。而对某种指定结构的变压器产品，还需要进行鉴定性试验即型式试验，包括冲击电压试验；温升试验；局部放电试验等试验项目。综观以上各试验项目的测量原理和测量方法，不难发现：在所有的这些测量中，主要的测量工作还是对电压、电流、电荷的测量。因此根据这些测试信号的性质，利用NI数据采集产品和NI测试软件开发平台来构成一套通用变压器自动测试系统是完全可以实现的。该测试系统不仅可以自动完成对变压器所有例行试验项目和型式试验项目的测试，而且可以完成对试验数据和试验波形的处理、显示、打印，从而达到提高测试质量，加快测试速度，降低测试劳动强度，减少测试硬件资源浪费的目的。
2系统构成及工作原理
2.1工作原理及功能
测试系统主要由PC机、数据采集设备(DAQ)、高速数字化仪和数字I/O设备(DIO)组成，PC机通过PCI总线和DAQ设备、高速数字化仪、DIO设备相联。DIO设备和自动测试控制盒用来实现对被试变压器的加电控制以及在测试不同测试项目时实现对测试线路连接方式的改变，电压、电流、电荷信号采集(DAQ)与高速数字化仪用来实现对各种信号的数据采集及试验数据、试验波形的处理、显示和存储，而PC机是整个自动测试系统的控制中心，它通过执行相应的测量驱动软件来实现对测试项目的选择、各设备的初始化、产品的加电、测试线路接线方式的改变、数据的采集、数据的处理、随机查询、显示数据图表以及波形的显示等一系列功能。
2.2测试系统的硬件组成
整个测试系统的结构简图如图1所示，系统主要由一台PC机，一个NI数据采集设备组合机箱，前置信号调理装置，自动测试控制盒、测试信号形成电路和试验所需要的电源系统组成。试验电源系统中包括例行试验和型式试验过程中的各种电源。测试信号形成电路用来形成各测试项目中所需的测试信号，这些信号虽然都以电压或电流或电荷的形式出现，但它们在性质上的差别却很大，大部分是工频信号，小部分却是瞬变信号，因此该电路应具备多种形式以满足不同项目的测试要求并且应具有良好的性能。自动测试控制盒主要完成两个方面的功能：第一从电源系统中选择适当的电源加到被试变压器，第二根据来自DIO设备的控制信号改变测试线路连接方式及选取测试信号的采样点以便完成相应项目的测试。前置信号调理装置(SCXI)的使用一方面方便多种信号类型的多通道数据采集，通过信号隔离增强对系统的保护，另一方面通过对信号的放大、滤波和同步采样改善测量系统的性能。NI组合机箱中包括各种数据采集设备和高速数字化仪，它主要完成对经过调理的各种信号进行数据采集、数据处理、波形处理等工作。
2.3NI-DAQ与SCXI产品的性能特点简单介绍
为了缩短开发周期，统一设计标准，降低开发费用，NI公司在构建基于计算机的自动测试方案方面提供了一整套性能卓越的数据采集DAQ和信号调理SCXI产品，结合先进的测试软件就可以很方便地构建一个高度集成化、高性能的自动测量系统。具有如下几方面的显著特点：
(1)在基于PC的测试系统中，数据采集产品的采样速率和分辨率是决定测量应用系统性能的关键因素。NI公司的DAQ测量板卡通过配备可编程放大器PGIA使之不仅具有1GΩ以上的输入电阻，而且通道在采集过程中的稳定时间不受通道增益与采样率的影响，甚至在高增益高采样率的情况下仍可充分提供12bit以上的精度。除此之外，还通过独特的设计、正确的屏蔽、周密的接地来确保系统的噪声最小化，并且残留噪声按高斯方式进行均匀分布处理。
(
2)NI-DAQ测量板卡由于采用高质量元器件、补偿元件而使因温度变化所引起的测量误差缩小到6ppm/℃以下；板卡带有校准电路，应用中只需通过一个软件命令即可进行校准，减少运行中因时间和温度漂移引起的误差对测量结果的影响。
(3)在一个系统中同时使用多种测量板卡和在一个开发平台下集成大量技术的前提是在测量系统中进行前端信号调理。NI的信号调理产品采用模块化设计，具有对多种类信号进行调理的功能；通道增益、滤波和激励电平的配置均可编程；拥有高速总线，模拟信号的采样速率可达333ks/s；同时提供系统保护功能。
(4)不管是DAQ产品还是信号调理装置，它们均具有最佳的软件集成功能。这些设备的配置软件不仅可以快速诊断板卡本身或连接上的问题，而且设置的虚拟通道可以将采集所得数据自动转换成具有工程含义的单位。
(5)支持多种总线标准，如ISA总线，PCI总线，PXI/CPCI总线，PCMCIA总线，USB总线。
3系统软件的设计
LabWindows/CVI是NI公司提供给用户的虚拟仪器软件之一，是用于开发数据采集、仪器控制及自动测试的一个开发平台，在该平台下用户可以快速方便地编写、调试和修改应用程序，形成可执行文件。使用LabWindows/CVI设计的虚拟仪器可脱离LabWindows/CVI开发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作面板。本系统以LabWindows/CVI为开发平台，采用模块化、结构化设计思想编写系统控制软件。用户主界面控制包括所有菜单及参数控制按钮和实时/分析控制按钮。菜单及参数控制按钮主要用来选择试验项目以及设置测试该项目时的有关参数；实时/分析控制按钮用来选择对数据进行实时采集还是对测试数据进行分析处理。系统软件结构流程如图2所示。
3.1数据的采集
由于变压器试验测试项目多，不同测试项目中测试信号的性质不同，对测试的采样率要求也不一致，为了满足不同项目的测试要求，设计数据采集软件时可以采用动态连接库(DLL)技术。首先把对仪器进行配置和数据读取的函数做成动态连接库，然后在运行主程序中通过加载动态连接库，获取其函数指针来调用函数，从而实现对仪器的操作。
3.2数据的存储
为方便对不同测试项目的数据进行不同的处理、分析以及对某些测试项目中显示波形，本系统利用开放数据库互连(ODBC)技术来存储数据。首先应用SQL建立一个描述存入内存的数据与数据库之间关系的表格，然后将读取的数据存入数据库。最后利用数据库技术，就可以更方便地对数据进行处理分析，可以很方便地对要显示的数据进行定位以及选择不同测试项目的波形进行显示。
3.3波形的显示
波形显示的实质就是把存放在数据库中的数据以波形的形式显示出来。显示时可以通过按下面板上的按钮来显示不同测试项目不同通道的波形，同时还可对波形进行放大和缩小等变换。
4结束语
本系统利用基于PXI总线的虚拟仪器技术来构建的变压器自动测试系统简单实用，方便灵活。由于采用了NI公司业内领先的数据采集产品和测量驱动软件，不仅可以保证各种变压器试验项目的测量精度，而且可以实现了变压器试验的自动测试，大大提高实验效率及数据的处理、分析、存盘和试验报告的自动生成。同时，在此基础上将台式PC机改为便携式计算机，该系统还可以应用于变压器生产现场、安装调试现场对变压器进行某些项目的测试，因此它在变压器的制造行业、使用行业具有重大意义。
参考文献
［1］沈阳变压器厂编，变压器试验［M］.机械工业社，1986，9.
［2］张易知等编.虚拟仪器的设计与实现［M］.西安电子科技大学出版社，2002，1.
［3］数据采集与信号调理手册［S］.美国国家仪器有限公司，2003，5.
［4］NIMultifunctionDAQFeatureSelectionGuide［J］.NATIONALINSTRUMENTSＴＭ,2003,5.
［5］李世平等编.PC计算机测控技术及应用［M］.西安电子科技大学出版社，2003，1.
［6］刘刚等编.在CVI环境下开发基于GPIB总线的自动测试系统［J］.电测与仪表，2003，2.
传统变压器产品的测试，主要根据IEC和国家标准GB1094-85《电力变压器》中的有关规定进行，测试项目随变压器类型不同而不同，可分为例行试验、型式试验、特殊试验。测试时逐项测试，不仅需要多种多样的测试仪器，造成硬件资源上的浪费，而且由于测试工作采用手工控制方式，劳动强度大测试速度慢，数据处理也需试验人员来完成。针对传统变压器测试的以上特点，我们利用目前已经成熟的先进虚拟仪器技术和数据采集技术，应用美国国家仪器公司(NI公司)研制的功能强大的仪器系统开发平台LabWindows/CVI和该公司提供的一套基于计算机的高性能的数据采集产品，设计一个通用变压器自动测试系统来完成变压器产品的自动测试。
1变压器产品测试项目及测试信号分析
变压器试验种类一般可分为半成品试验、出厂试验、型式试验、特殊试验、验收试验和修理后试验。每台变压器在出厂前都必须进行例行的出厂试验，其试验项目主要有电压比的测量，绕组联结组的测定；绝缘电阻、吸收比、介质损耗的测量；工频耐压试验；感应耐压试验；空载试验；负载试验。而对某种指定结构的变压器产品，还需要进行鉴定性试验即型式试验，包括冲击电压试验；温升试验；局部放电试验等试验项目。综观以上各试验项目的测量原理和测量方法，不难发现：在所有的这些测量中，主要的测量工作还是对电压、电流、电荷的测量。因此根据这些测试信号的性质，利用NI数据采集产品和NI测试软件开发平台来构成一套通用变压器自动测试系统是完全可以实现的。该测试系统不仅可以自动完成对变压器所有例行试验项目和型式试验项目的测试，而且可以完成对试验数据和试验波形的处理、显示、打印，从而达到提高测试质量，加快测试速度，降低测试劳动强度，减少测试硬件资源浪费的目的。
2系统构成及工作原理
2.1工作原理及功能
测试系统主要由PC机、数据采集设备(DAQ)、高速数字化仪和数字I/O设备(DIO)组成，PC机通过PCI总线和DAQ设备、高速数字化仪、DIO设备相联。DIO设备和自动测试控制盒用来实现对被试变压器的加电控制以及在测试不同测试项目时实现对测试线路连接方式的改变，电压、电流、电荷信号采集(DAQ)与高速数字化仪用来实现对各种信号的数据采集及试验数据、试验波形的处理、显示和存储，而PC机是整个自动测试系统的控制中心，它通过执行相应的测量驱动软件来实现对测试项目的选择、各设备的初始化、产品的加电、测试线路接线方式的改变、数据的采集、数据的处理、随机查询、显示数据图表以及波形的显示等一系列功能。
2.2测试系统的硬件组成
整个测试系统的结构简图如图1所示，系统主要由一台PC机，一个NI数据采集设备组合机箱，前置信号调理装置，自动测试控制盒、测试信号形成电路和试验所需要的电源系统组成。试验电源系统中包括例行试验和型式试验过程中的各种电源。测试信号形成电路用来形成各测试项目中所需的测试信号，这些信号虽然都以电压或电流或电荷的形式出现，但它们在性质上的差别却很大，大部分是工频信号，小部分却是瞬变信号，因此该电路应具备多种形式以满足不同项目的测试要求并且应具有良好的性能。自动测试控制盒主要完成两个方面的功能：第一从电源系统中选择适当的电源加到被试变压器，第二根据来自DIO设备的控制信号改变测试线路连接方式及选取测试信号的采样点以便完成相应项目的测试。前置信号调理装置(SCXI)的使用一方面方便多种信号类型的多通道数据采集，通过信号隔离增强对系统的保护，另一方面通过对信号的放大、滤波和同步采样改善测量系统的性能。NI组合机箱中包括各种数据采集设备和高速数字化仪，它主要完成对经过调理的各种信号进行数据采集、数据处理、波形处理等工作。
2.3NI-DAQ与SCXI产品的性能特点简单介绍
为了缩短开发周期，统一设计标准，降低开发费用，NI公司在构建基于计算机的自动测试方案方面提供了一整套性能卓越的数据采集DAQ和信号调理SCXI产品，结合先进的测试软件就可以很方便地构建一个高度集成化、高性能的自动测量系统。具有如下几方面的显著特点：
(1)在基于PC的测试系统中，数据采集产品的采样速率和分辨率是决定测量应用系统性能的关键因素。NI公司的DAQ测量板卡通过配备可编程放大器PGIA使之不仅具有1GΩ以上的输入电阻，而且通道在采集过程中的稳定时间不受通道增益与采样率的影响，甚至在高增益高采样率的情况下仍可充分提供12bit以上的精度。除此之外，还通过独特的设计、正确的屏蔽、周密的接地来确保系统的噪声最小化，并且残留噪声按高斯方式进行均匀分布处理。
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2)NI-DAQ测量板卡由于采用高质量元器件、补偿元件而使因温度变化所引起的测量误差缩小到6ppm/℃以下；板卡带有校准电路，应用中只需通过一个软件命令即可进行校准，减少运行中因时间和温度漂移引起的误差对测量结果的影响。
(3)在一个系统中同时使用多种测量板卡和在一个开发平台下集成大量技术的前提是在测量系统中进行前端信号调理。NI的信号调理产品采用模块化设计，具有对多种类信号进行调理的功能；通道增益、滤波和激励电平的配置均可编程；拥有高速总线，模拟信号的采样速率可达333ks/s；同时提供系统保护功能。
(4)不管是DAQ产品还是信号调理装置，它们均具有最佳的软件集成功能。这些设备的配置软件不仅可以快速诊断板卡本身或连接上的问题，而且设置的虚拟通道可以将采集所得数据自动转换成具有工程含义的单位。
(5)支持多种总线标准，如ISA总线，PCI总线，PXI/CPCI总线，PCMCIA总线，USB总线。
3系统软件的设计
LabWindows/CVI是NI公司提供给用户的虚拟仪器软件之一，是用于开发数据采集、仪器控制及自动测试的一个开发平台，在该平台下用户可以快速方便地编写、调试和修改应用程序，形成可执行文件。使用LabWindows/CVI设计的虚拟仪器可脱离LabWindows/CVI开发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作面板。本系统以LabWindows/CVI为开发平台，采用模块化、结构化设计思想编写系统控制软件。用户主界面控制包括所有菜单及参数控制按钮和实时/分析控制按钮。菜单及参数控制按钮主要用来选择试验项目以及设置测试该项目时的有关参数；实时/分析控制按钮用来选择对数据进行实时采集还是对测试数据进行分析处理。系统软件结构流程如图2所示。
3.1数据的采集
由于变压器试验测试项目多，不同测试项目中测试信号的性质不同，对测试的采样率要求也不一致，为了满足不同项目的测试要求，设计数据采集软件时可以采用动态连接库(DLL)技术。首先把对仪器进行配置和数据读取的函数做成动态连接库，然后在运行主程序中通过加载动态连接库，获取其函数指针来调用函数，从而实现对仪器的操作。
3.2数据的存储
为方便对不同测试项目的数据进行不同的处理、分析以及对某些测试项目中显示波形，本系统利用开放数据库互连(ODBC)技术来存储数据。首先应用SQL建立一个描述存入内存的数据与数据库之间关系的表格，然后将读取的数据存入数据库。最后利用数据库技术，就可以更方便地对数据进行处理分析，可以很方便地对要显示的数据进行定位以及选择不同测试项目的波形进行显示。
3.3波形的显示
波形显示的实质就是把存放在数据库中的数据以波形的形式显示出来。显示时可以通过按下面板上的按钮来显示不同测试项目不同通道的波形，同时还可对波形进行放大和缩小等变换。
4结束语
本系统利用基于PXI总线的虚拟仪器技术来构建的变压器自动测试系统简单实用，方便灵活。由于采用了NI公司业内领先的数据采集产品和测量驱动软件，不仅可以保证各种变压器试验项目的测量精度，而且可以实现了变压器试验的自动测试，大大提高实验效率及数据的处理、分析、存盘和试验报告的自动生成。同时，在此基础上将台式PC机改为便携式计算机，该系统还可以应用于变压器生产现场、安装调试现场对变压器进行某些项目的测试，因此它在变压器的制造行业、使用行业具有重大意义。
参考文献
［1］沈阳变压器厂编，变压器试验［M］.机械工业社，1986，9.
［2］张易知等编.虚拟仪器的设计与实现［M］.西安电子科技大学出版社，2002，1.
［3］数据采集与信号调理手册［S］.美国国家仪器有限公司，2003，5.
［4］NIMultifunctionDAQFeatureSelectionGuide［J］.NATIONALINSTRUMENTSＴＭ,2003,5.
［5］李世平等编.PC计算机测控技术及应用［M］.西安电子科技大学出版社，2003，1.
［6］刘刚等编.在CVI环境下开发基于GPIB总线的自动测试系统［J］.电测与仪表，2003，2.
- 虚拟仪器环境下PXI总线远程测控系统研究(12-20)
- 工控机总线——PXI总线标准、AdvancedTCA标准(12-16)
- 工控机总线—— PXI总线标准、Advanced TCA标准(12-16)
- 基于PXI总线的水声目标回波模拟模块的设计(12-13)
- 便携式PXI总线数字电路板测试诊断系统(01-17)
- 基于PXI总线的某装备自动测试系统设计与实现(03-30)