SS7E型电力机车辅助变流器测试系统的开发设计

发布时间：2024-11-21

本论文介绍了一种基于USB数据采集模块针对韶山7E电力机车辅助变流器的测试系统设计和实现,主要包括交流传感器的选用、数据采集模块的选用、USB7360A数据采集模块介绍、PC机端数据采集程序的设计方法。系统实现了PC机对数据采集模块进行数据实时采集并进行数据处理,实时地将采集到的数据传输到基于PC设计的数据采集测试系统中进行实时分析、处理、显示和储存。

1. 绪论 .................................................................................................................................................... 2

1.1 课题研究背景 .............................................................................................................................. 2

1.2 辅助变流器的概述 ...................................................................................................................... 2

1.1.1 SS7E型电力机车的辅助变流器的概述 ........................................................................... 2

1.2.2 辅助变流器测试系统的发展概况 .................................................................................... 3

1.3 主要研究内容 .............................................................................................................................. 4

2. 设计方案选择 ........................................................................................................................................ 4

2.1 硬件 .............................................................................................................................................. 4

2.1 软件 .............................................................................................................................................. 5

3. 相关硬件介绍与选型 ............................................................................................................................ 5

3.1 传感器介绍 .................................................................................................................................. 5

3.1.1 传感器 ................................................................................................................................ 5

3.1.2 传感器的分类 .................................................................................................................... 5

3.1.3 传感器静态特性 ................................................................................................................ 6

3.1.4 传感器选用原则 ................................................................................................................ 7

3.2 传感器选型 .................................................................................................................................. 9

3.3 USB数据采集卡介绍、 ............................................................................................................. 12

3.3.1 数据采集卡 ...................................................................................................................... 12

3.3.2 数据采集卡原理 .............................................................................................................. 12

3.3.3 USB2.0简介 ..................................................................................................................... 14

3.4 USB数据采集卡的选型 ............................................................................................................. 15

3.4.1 USB7360A数据采集模块 ................................................................................................. 16

3.4.2 数据采集模块的工作原理............................................................................................... 17

3.4.3 安装及使用注意 .............................................................................................................. 18

3.4.4 输入输出接口定义 .......................................................................................................... 19

4. 软件设计 .............................................................................................................................................. 20

4.1 Visual Basic简介 ................................................................................................................... 20

4.2 USB7360A的相关函数介绍 ....................................................................................................... 20

4.2.1 USB7360A数据采集模块驱动软件安装 ......................................................................... 20

4.2.2 测试程序相关函数说明 .................................................................................................. 21

4.3 测试软件程序设计 .................................................................................................................... 30

4.3.1 测试软件程序框图 .......................................................................................................... 31

4.3.2 测试软件使用说明 .......................................................................................................... 33

4.3.3 测试软件源程序 .............................................................................................................. 35

总结 .......................................................................................................................................................... 36

谢辞 .......................................................................................................................................................... 37

参考文献 ...................................................................................................................................................... 38

附录 .......................................................................................................................................................... 39

附录1测试主程序 .............................................................................................................................. 39

附录2测试程序调用模块 .................................................................................................................. 39

1. 绪论

1.1 课题研究背景

我国地域广阔，铁路纵横交错，上万台电力机车在铁路上昼夜驰骋，铁路运输与国家经济和人民生活密切相关，铁路部门采取各种措施尽可能保证铁路及机车的安全运行。铁路行车安全是指在铁路运输过程中，维护铁路正常的运行秩序，保证旅客及铁路员工生命财产安全，保证运输设备和货物完整性的全部生产活动。铁路行车安全不仅关系到每个货主、旅客的生命财产，还关系到铁路的声誉、经济效益和竞争能力。

随着我国经济的快速发展，我国的铁路事业也正发生着日新月异的变化，铁路提速范围的不断扩大，更多更新的铁路的修建，说明了我国铁路事业正在迅速发展。在快速发展的同时，如何保证机车安全高速运行和在复杂的路况上正常运行，己经成为目前铁路部门的工作重点。列车的运行情况不但关系到乘客的安全，而且对国民经济有很大的影响，作为我国运输行业中的主要运输方式，铁路运输一直扮演着很重要的角色，一旦铁路或列车出现故障，将会造成巨大的经济损失和社会后果。2008年春运期间，因为冰冻自然灾害造成京广线湖南段的电力机车运输中断，造成大量货物积压和旅客滞留，其经济损失和社会影响有目共睹。

机车运行安全是衡量铁路运输质量的重要指标，而机车辅助变流系统是机车系统的重要组成部分，包括通风及冷却系统，压缩机、空调等，其作用是为牵引及制动系统提供保障;它的好坏直接关系到机车能否正常运行。此课题正是从机车辅助变流系统的重要性出发展开详细的研究。

1.2 辅助变流器的概述

1.1.1 SS7E型电力机车的辅助变流器的概述

电力机车辅助系统是电力机车的重要组成部分，主要包括辅助电源、辅助电机以及相应的控制电路等，主要功能是保证电力机车主电路系统充分发挥其功率，确保机车正常运行。国内的电力机车辅助系统大都采用旋转式劈相机向辅助电机供电，这种供电方式存在着噪音大、不节能、三相交流输出电压不平衡且随输入电压变化等缺点。

发达国家的电力机车辅助系统已经普遍采用辅助变流器向辅助电机供电的方式，这种供电方式与传统的劈相机供电方式相比具有噪音低、效率高、节能、三相交流输出电压稳定且平衡等优点。因而采用辅助变流器供电已经成为今后机车辅助系统的发展趋势。

电力机车辅助系统中辅助变流器的整流器电路主要有两种形式，一种是相控桥式整

流电路，另一种是脉冲整流电路。相控桥式整流电路技术比较成熟，应用时间较长，但存在输入侧功率因数低的缺点，对电网的污染严重。脉冲整流电路是为解决相控桥式整流电路存在的缺点而于近些年首先在电力机车上发展起来的由于这种脉冲整流器能很方便地在整流或逆变的4个象限运行，所以也称为四象限变流器，它可以从电网上获取与网压同相位的近似正弦波的交流电流，使电网的污染减到最小限度。

韶山7E型电力机车上首次采用TGF11型四象限辅助变流器，取代劈相机，它采用交直交变流技术，将机车辅助绕组提供的单相 AC 337.8 V 变换成三相 AC 380 V（PWM波），为机车的三相交流辅助电动机、机车空调和各种电热装置提供电源。

1.2.2 辅助变流器测试系统的发展概况

在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不开测试系统。在工程技术中广泛应用的自动控制技术也和测试系统有着密切的关系，测试系统是自动控制系统中的感觉器官和信息来源，对确保自动化系统的正常运行起着重要作用。

一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。测试过程中传感器将反映被测对象特性的物理量（如压力、加速度、温度等）检出并转换为电量，然后传输给中间变换装置；中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行计算，再将处理结果以电信号或数字信号的方式传输给显示记录装置；最后由显示记录装置将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由多个模块组成。

在电力机车中采用TGF11型四象限辅助变流器已经成为今后机车辅助系统发展的趋势，而辅助变流器为机车的三相交流辅助电机、机车空调和各种电加热装置提供电源，是电力机车辅助系统的重要组成部分。因此为了确保电力机车能够正常运行，辅助变流器生产厂家必须对辅助变流器进行检测，以确保产品的合格。通过测试系统软件进行测试已经成为目前科技发展的潮流。

随着辅助变流器在电力机车上的普遍运用，针对辅助变流器的测试系统的开发也越来越成熟，但测试系统的优越性大多取决于所采用的硬件，如：交流电压传感器、数据采集模块、工控机等。因而选用这些硬件便成为测试系统设计的重点，选用不同的硬件所设计测试系统稳定性、频率保持性的影响不同。

在本课题的研究过程中，经过多次查阅资料，了解相关硬件厂家的产品信息，最终选定了2 种型号的交流电压传感器和一个数据采集模块。以目前测试硬件的发展水平，

尽可能保证所设计的测试系统的稳定性和频率保持性。

1.3 主要研究内容

了解SS7E型电力机车辅助变流器整体结构及工作原理，掌握电器控制以及数据采集等工控原理，在此基础上，开发设计出以便携式计算机为核心的辅助变流器参数测试仪。通过开发设计，掌握电气原理图的设计发方法以及试验测试仪器的基本设计方法，采取VB、C++或其他语言作为开发工具，掌握工控测试软件系统的一般编程方法。

重点研究问题如下：

1. 本系统应采用结构式模块化设计，完成多个参数的测试；

2. USB高速数据采集；

3. 电压波形输出。

本课题设计的测试软件实现的功能如下：

1. 三相电压幅值测试；

2. 三相电压峰值测试；

3. 三相电压上升率测试；

4. 三相电压频率测试；

5. 三相电压波形输出。

2. 设计方案选择

2.1 硬件

本课题需要对韶山7E型电力机车的辅助变流器的几个主要技术参数进行测试，其测试系统主要实现三相电压幅值、峰值、上升率、频率的测试以及三相电压波形的输出。因此，对于硬件的选择就需要考虑可以采集交流电压信号的并且可以输出交流电压波形的数据采集卡，然后根据数据采集卡所需要的输入电压信号，选择所需的交流电压传感器。其硬件连接过程是辅助变流器的电压信号通过交流电压传感器将电压转换为可以由数据采集卡采集的交流电压信号，数据采集卡将数据进一步处理后，通过USB数据线连接到计算机。其硬件连接框图如下：

2.1 软件

考虑到VB不需要编写大量代码去描述界面元素的外观和位置，只要把预先建立好的对象拖放到屏幕上相应的位置即可，可以大大缩短软件设计时间，而且VB简单、易学，对于我们这些不是专业的软件设计人员来说是最好的软件设计编程语言。其次，所采用的数据采集卡提供的函数可以采用VB编程，还提供了很多函数。因此，本课题的软件设计采用VB编程。

3. 相关硬件介绍与选型

3.1

3.1.1 传感器

传感器是一种获取信息的装置。它的定义是:借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换的大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器定义为，把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。所以一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号继续输送给后续的配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等等。在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。

人通过感官来接收外界的信号，并将所接收的信号送人大脑，进行分析处理后获取有用的信息。对现有的或者正在发展中的机械电子装置来说，电子计算机相当于人的大脑 (即常称电脑)，而相应于人的感官部分的装置就是传感器。所以说，传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。在自动控制领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。

传感器是整个测试系统的首要环节，其作用类似于人的感觉器官。它将被测物理量，如力、位移、温度等，转化为可测信号后，传送给测试系统的中间转换器，供作分、处理，以便得到所需的测量数据，或变换为相应的控制信号。传感器介绍

3.1.2 传感器的分类

传感器的种类繁多，在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测;而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。

传感器的分类方法很多，概括起来，可按以下几个方面进行分类。

1. 按被测物理量来分，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器J力传感器、温度传感器等。

2. 按传感器工作的物理原理来分，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式等。

3. 按信号变换特征来分，可分为物性型和结构型。

所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温。是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。

所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。

4. 按传感器与被测量之间的关系来分，可分为能量转换型和能量控制型。能量转换型传感器 (或称无源传感器)，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。

5. 另外，按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式两种，前者的输出量为连续变化的模拟量，而后者的输出量为数字量。由于计算机在工程测试中的应用，数字式传感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模-数转换变为数字量。

3.1.3 传感器静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

1. 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。

2. 灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。应该注意的是，装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。

3. 迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。

4. 重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

5. 漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，次现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。

3.1.4 传感器选用原则

了解传感器的结构及其发展后，如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，也是需要认真考虑的问题。下面就传感器的选用问题作一些简介。

选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

1. 灵敏度

一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。

其一，当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号;又能使噪声干扰小，要求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。

其二，与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。

其三，当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好，如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。

2. 响应特性

传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。此外，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽;而结构型传感器，

如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。

3. 线性范围

任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。

然而，对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。

4. 稳定性

稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。

为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题。其一，根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质。其二;要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。

5. 精确度

传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。如前所述，传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。

然而，在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好，这还需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。

在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确。如果是定量分析，那么必须获得精确量值。但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精

度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.1—0.01m范围内，欲测得这样的精确量值，必须有高精确度的传感器。

6. 测量方式

传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。

在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。

在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏性检验。然而有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法。例如，涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益，因此应尽可能选用非破坏性检测方法。

在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠，必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、千涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方面。

除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。

3.2 传感器选型

根据上一小节介绍，从传感器的灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面来选择本课题所需的传感器。

本课题需要对韶山7E型电力机车的辅助变流器的几个主要技术参数进行测试，其辅助变流器的输出电压有效值为AC 380 V。因此，对于传感器的选择首先要考虑传感器对输入信号的要求。其次，考虑到本课题需要将交流电压的幅值波形及跟随电压波形输出并显示。为了减少对传感器选用的不浪费，可以考虑选择真有效电压传感器和跟踪电压传感器两种类型的电压传感器。其作用分别是为了测出辅助变流器的交流电压幅值和跟随波形。

根据查阅资料，最终选用绵阳市维博电子有限责任公司的交流电压传感器。其相关使用说明如下：

1. WB V411U07交流电压传感器（负责输出跟踪电压，以便测量跟随电压波形）

1) WB V411U07相关特性如下：

输入范围：0-1000 V AC；

输出规格：0-5 V AC；

输出类型：跟踪电压；

线性范围：0%～120%标称输入；

频率响应：25Hz～5kHz；

输入阻抗：当被测电压Ux≥10V时，Ri＝Ux×1kΩ/V；

当被测电压Ux＜10V时，Ri＝Ux×10kΩ/V；

过载能力：2倍标称输入值，可持续；

精度等级：0.1；

响应时间：< 15μs；

静态电流：5mA；

负载能力：5mA；

温漂：150 ppm/℃；

辅助电源：±12 V；

环境温度：商业级：0℃～50℃，工业级：-25℃～+70℃；

2) 传感器端子定义图（俯视图），如图3.1：

负辅助电源 (-E)

注：图中未定义的端子不能作为它用

图3.1

2．

效值波形）

1) WB V411U07相关特性如下：

输入范围：0-500 V AC；

输出规格：0-5 V DC；

输出类型：跟踪电压；

线性范围：0%～120%标称输入；

频率响应：25Hz～5kHz；

输入阻抗：当被测电压Ux≥10V时，Ri＝Ux×1kΩ/V；

当被测电压Ux＜10V时，Ri＝Ux×10kΩ/V；

过载能力：2倍标称输入值，可持续；

精度等级：0.2；

响应时间：< 100 ms；

静态电流：5mA；

负载能力：5mA；

温漂：50 ppm/℃；

辅助电源：± 12V；

环境温度：商业级：0℃～50℃，工业级：-25℃～+70℃；

2) 传感器端子定义图（俯视图），如图3.2

负辅助电源 (-E)

WB V415U01 交流电压传感器（负责输出真有效电压，以便测量电压的有注：图中未定义的端子不能作为它用

图3.2

3.3 USB数据采集卡介绍、

数据采集是信息处理系统的最前端,它是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术,主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业,具有很强的实用性.随着大规模集成电路与计算机科学技术的发展,数据采集技术已在通信、遥感、语音处理、智能仪器、以及工业自动化等众多领域得到广泛的应用。

目前,国内外的数据采集系统常用的接口方式有多种,如RS232串行口、并行口、ISA总线、PC总线等.这些总线接口虽各具优点,但也都有其难以克服的缺点.一种新的总线接口方式——通用串行总线(USB)具有连接方便,无需外接电源,即插即用,支持热插拔,动态加载驱动程序等特有优点,在主机和数据采集系统之间可以实现简单、快捷、可靠的连接和通讯.所以,基于USB总线的数据采集方式非常适用于数据采集系统。

3.3.1 数据采集卡

数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析、处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号，包括对其进行增益或衰减和隔离、放大、滤波等。对待某些传感器，还需要提供激励信号。

数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等总线接入个人计算机。

3.3.2 数据采集卡原理

在今天，计算机广泛应用的时代，数据采集的是十分重要的，可以把它看成是实体与虚拟的连接线。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。

先来看采样频率、抗混叠滤波器和样本数。

假设现在对一个模拟信号 x(t) 每隔 Δt 时间采样一次。时间间隔 Δt 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数 1/Δt 被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0,Δt ,2Δt , 3Δt 等等， x(t) 的数值就被称为采样值。所有 x(0),x(Δt),x(2Δt ) 都是采样值。这样信号 x(t) 可以用一组分散的采样值来表示：如图3.3显示了一个正弦模拟信号的采样后的输出波形。采样间隔是Δt（注意采样点在时域上是分散的）。

图3.3

如果采样点足够多，即Δt足够小。那么采样波形就会呈现如图3.4的波形：

图3.4

根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。

采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。

这种信号畸变叫做

混叠（alias）。出现的混频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。

假设采样频率fs是 100HZ, ，信号中含有25、70、160和510 Hz 的成分。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（ fs/2=50 Hz ）的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ 的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30 、40和10 Hz 的畸变频率 F2、F3 和 F4 。

计算混频偏差的公式是：

混频偏差＝ ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率）

其中 ABS 表示“绝对值”，例如：

混频偏差 F2 = |100 – 70| = 30 Hz

混频偏差 F3 = |(2)100 – 160| = 40 Hz

混频偏差 F4 = |(5)100 – 510| = 10 Hz

为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（ A/D ）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图3的例子中，这个滤波器的截止频率自然是 25HZ。这个滤波器称为抗混叠滤波器。

采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。

通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如 FFT 等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5～10个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数 x(n) 和采样频率。这是我们测量与分析的唯一依据。

3.3.3 USB2.0简介

USB的全称是Universal Serial Bus，USB支持热插拔，即插即用的优点，所以USB接口已经成为MP3的最主要的接口方式。USB有两个规范，即USB1.1和USB2.0。

USB1.1是目前较为普遍的USB规范，其高速方式的传输速率为12Mbps，低速方式的传输速率为1.5Mbps（b是Bit的意思），1MB/s（兆字节/秒）=8MBPS（兆位/秒），12Mbps=1.5MB/s。目前，大部分MP3为此类接口类型。

USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps，折算为 MB为60MB/s，足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0中的“增强主机控制器接口”（EHCI）定义了一个与USB 1.1相兼容的架构。它可以用USB 2.0的驱动程序驱动USB

1.1设备。也就是说，所有支持USB 1.1的设备都可以直接在USB 2.0的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。

使用USB为数据采集卡应用带来的变化则是速度的大幅度提升，USB接口提供了12Mbps的连接速度，相比并口速度提高达到10倍以上，在这个速度之下打印文件传输时间大大缩减。USB 2.0标准进一步将接口速度提高到480Mbps，是普通USB速度的20倍，更大幅度降低了打印文件的传输时间。

USB的优点：

1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机--将并口或串口电缆接上—再开机”这样的动作，而是直接在PC开机时，就可以将USB电缆插上使用。

2、携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘会是首要之选了。

3、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与PC连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机，等等。

4、可以连接多个设备。USB在PC上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有4个端口的USB HUB时，就可以再连上4个USB设备，以此类推，尽可以连下去，将你家的设备都同时连在一台PC上而不会有任何问题(注：最高可连接至127个设备)。

3.4 USB数据采集卡的选型

一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入，模拟输出，数字I/O，计数器/计时器等。模拟输入是采集卡的最基本的功能。它一般由多路开关(MUX)，放大器(Amplifier)，采样保持电路(S/H)以及模数转换器(ADC)来实现。一个模拟信号通过上述各部分后可以转化为数字信号。ADC的性能和参数直接影响着采集数据的质量，应根据实际测量所需要的精度来选择合适的ADC。模拟输出通常是为采集系统提供激励信号。输出信号受数模转换器(DAC)的建立时间，分辨率等因素影响。建立时间反映了输出信号幅值改变的快慢，例如建立时间短的DAC可以提供频率较高的信号。应该根据实际需要考虑DAC的参数指标。例如，如果用DAC的输出信号驱动一个加热器，则不需要速度很快的DAC，

因为加热器的温度本来就难以快速的跟踪电压的变化。

USB数据采集设备是各种应用的理想之选，从简单的数据记录到嵌入式OEM系统，非常广泛。因此，USB DAQ设备从低价位、单功能到高速、16位多功能，应有尽有。因为USB接口的广泛普及，您可在台式机或笔记本计算机上自由开发应用程序而不论您最终使用何种平台。

USB接口技术在计算机接口领域应该称是划时代的技术。它的出现，让设备接入有了一个统一和规范。让计算机的外围设备可以随时移除，有着良好的移动和迁移性能。所以，数据采集卡、数据采集仪、数据采集模块都接入了USB接口。让使用数据采样时更方便、更具有可移植性。

选择数据采集卡基本就是通道数、采样率、分辨率等几个重要指标。

首先，考虑到本课题所采集的信号为交流电压信号，且输出为跟随电压信号的实际波形。在选择数据采集卡时就要考虑其输入输出信号的类型是否为交流电压信号。

其次，在本课题的研究中，需要实现三相交流电压有效值和三相交流电压实际波形的输出。因此，选用的数据采集卡的采集通道数应不少于6个。

最后在本课题研究中，为了是所采集到的波形在PC机上显示的不失真并且更加圆滑，美观。就要使数据采集卡的采样频率很高，应不小于20 KHz 。

根据以上分析，查询相关厂家的数据采集卡的技术参数。最终选择北京中泰研创科技有限公的数据采集模块，其型号是USB7360A 。下面一节将对所采用的数据采集模块USB7360A进行进一步的介绍。

3.4.1 USB7360A数据采集模块

USB7360A多功能数据采集模块适用于提供了USB 接口的PC系列微机，具有真正的热插拔、即插即用（PnP）功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高稳定性的Unix等多种操作系统以及专业数据采集分析系统Lab VIEW、Lab Windows CVI等软件环境。在硬件的安装上非常简单，使用时只需将USB7360的USB接口插入计算机内任何一个USB接口插座中，其模入、模出、I／O信号、脉冲输入及脉冲输出信号均由模块上的双排针型插头与外部信号源及设备连接。

其主要技术参数如下：

1、处理器及USB接口芯片： CY7C68013

2、通讯方式： USB接口

3、通讯距离：小于5米

4、通讯协议： USB2.0

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