煤礦井下基于LabVIEW平臺(tái)的電磁干擾測試方法研究

王丹

【摘要】本文基于煤礦井下電磁兼容和電磁干擾的現(xiàn)狀，提出了采用LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行電磁干擾的測試研究。充分利用

虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，為煤礦井下的電磁干擾的測試和分析提供了一種新的方法。

【關(guān)鍵詞】電磁干擾信號(hào)測試煤礦安全LabVIEW

Method and Research for Electromagnetic Interference based on LabVIEW platform under Coal Mine

Wang Dan

（Shenyang Branch of China Coal Science and Industry Group，F(xiàn)ushun 113122，China）

Abstract：In this paper， LabVIEW platform is used to test and research electromagnetic compatibility and interference based on current situation under coal mine. The paper provides a new method for the analysis of electromagnetic interference by making full use of the advantages of virtual instrument under coal mine.

Keywords：electromagnetic interference，signal testing，mine safety，Labview

一、引言

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，電子設(shè)備在煤礦井下必然導(dǎo)致在其周圍產(chǎn)生的電磁場電平不斷增加，造成對其它設(shè)備的干擾，同時(shí)也受到來自其他電子設(shè)備的干擾，因而不可避免的涉及到電磁兼容性的問題。電磁兼容性是指“設(shè)備、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。包括以下兩個(gè)方面：設(shè)備、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，可按規(guī)定的安全裕度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作性能、且不因電磁干擾而受損或產(chǎn)生不可接受的降級(jí)；設(shè)備、系統(tǒng)在預(yù)定的電磁環(huán)境中正常地工作且不會(huì)給環(huán)境（或其它設(shè)備）帶來不可接受的電磁干擾。”因此科學(xué)有效地進(jìn)行電磁干擾的測試和分析為控制和消除電磁干擾提供了重要的判據(jù)，有利于煤礦安全的發(fā)展。

虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾?xiàng)目需要。本文提出了采用基于LabVIEW平臺(tái)的電磁干擾測試新方法。

二、關(guān)于LabVIEW

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念。因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW這一顯著特點(diǎn)使之非常適合作為煤礦井下電磁干擾的測試平臺(tái)。

2.1輸入信號(hào)采集

在模擬電路范圍，信號(hào)頻率以Hz或周期來測量，但在數(shù)字系統(tǒng)中我們使用數(shù)字頻率，它是模擬頻率與采樣頻率之比，如下所示：數(shù)字頻率=模擬頻率/采樣頻率。在許多信號(hào)產(chǎn)生子程序模塊中，我們使用數(shù)字頻率，因?yàn)殡y以確定采樣頻率。為了得到模擬頻率輸出，我們必須確定采樣頻率。

可以先產(chǎn)生一個(gè)指定頻率的正弦波，給定頻率和和幅值以及相位。所下圖所示，在連接到正弦波之前，信號(hào)頻率已經(jīng)被采樣頻率相除。也就是說正弦波的信號(hào)輸入為數(shù)字頻率。利用一個(gè)捆綁控件可以把頻率和正弦波集合成一個(gè)簇，最后輸出如圖1所示。這樣LabVIEW就可以采集到所需要的波形。

2.2波形調(diào)理

由于有諧波干擾和白噪聲干擾，導(dǎo)致輸出的波形雜亂無章，為了得到更好的波形，將在這個(gè)虛擬儀器中加入濾波器，把這些干擾波形濾掉。

在LabVIEW中可以用數(shù)字濾波器控制濾波器順序、截止頻率、脈沖個(gè)數(shù)和阻帶衰減等參數(shù)，雙擊濾波器，可在控制界面設(shè)置濾波器的各種參數(shù)。

2.3信號(hào)分析

信號(hào)分析的最基本方法就是利用傅立葉級(jí)數(shù)對非正弦連續(xù)時(shí)間周期函數(shù)進(jìn)行分析。在LabVIEW中，要實(shí)現(xiàn)FFT變換，需要加入頻譜測量模塊。在程序框圖中，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵打開函數(shù)選板，選擇信號(hào)處理中的波形測量子VI，在其中可以找到頻譜測量模塊，如圖2所示。

點(diǎn)擊后在程序框圖中生成頻譜測量模塊如圖3示，可以設(shè)定頻譜測量的內(nèi)部參數(shù)，包括信號(hào)的峰值、均方根、功率譜等參數(shù)。

2.4波形顯示

在LabVIEW軟件中，有專門供觀測波形的模塊，可方便地觀測信號(hào)的時(shí)域抑或是頻域的波形。在LabVIEW的前面板中點(diǎn)擊右鍵打開前面板中的控件菜單，在系統(tǒng)子菜單中找到圖形，下級(jí)菜單中就有波形圖，如圖4、圖5所示。

三、電磁干擾測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)軟件總體框架是整個(gè)測試系統(tǒng)的核心，也是主要組成部分。LabVlEW函數(shù)庫中集成了常用的函數(shù)模塊，這些模塊為開發(fā)者完成數(shù)據(jù)采集、分析、顯示等任務(wù)，提供了極大的方便。本部分所述的程序模塊以及它們之間層次關(guān)系如圖6所示。

利用LabVlEW提供的各種函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對被測信號(hào)的發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而供計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析處理。數(shù)據(jù)處理部分主要完成對采集信號(hào)的顯示、分析。數(shù)據(jù)分析利用軟件平臺(tái)中豐富的信號(hào)分析函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)以常見的差模信號(hào)干擾和共模干擾為例，說明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的搭建。

差模干擾信號(hào)是通過電子設(shè)備兩根電源輸送線傳輸?shù)模材８蓴_信號(hào)是通過電子設(shè)備電源線對大地傳輸?shù)?EMC標(biāo)準(zhǔn)對測試儀器、測試方法以及測試場地布置做了嚴(yán)格的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)性EMI測試系統(tǒng)中，線阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）與被測設(shè)備（EUT）之間需要3根線相連，火線L、中線N及共同的地線E“3根線系統(tǒng)”，共模噪聲干擾信號(hào)在火線對地線（L-E）、中線對地線（N-E）流通；差模噪聲干擾信號(hào)在火線和中線（L-N）之間傳輸，最終由噪聲接收端LISN測量到被測設(shè)備EUT產(chǎn)生的傳導(dǎo)性電磁干擾EMI噪聲的混合信號(hào)，包括共模噪聲信號(hào)和差模噪聲信號(hào)。

目前的傳導(dǎo)干擾測試系統(tǒng)存在著種種問題，很多設(shè)備僅僅給出總干擾噪聲圖，導(dǎo)致工程師無法獲取具體的共模和差模分量而進(jìn)行電路修正和問題解決。引入分離網(wǎng)絡(luò)后，又會(huì)由于新部件的引入以及硬件本身的不足，帶來更大的誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果的不真實(shí)。但是利用虛擬儀器就可以用過數(shù)據(jù)運(yùn)算和條件選擇框的組合如圖7來完成差模與共模的分離。

為了更清晰的觀察干擾信號(hào)的檢測結(jié)果，就需要使用濾波器把不需要觀測的頻率信號(hào)濾除。根據(jù)濾波器的各種狀態(tài)，例如如果采用常用的巴沃特斯濾波器，設(shè)計(jì)程序可如圖8所示。濾波器的采樣率要與信號(hào)生成的采樣率相同。最后要通過前面提到的波形顯示器件就能直觀看到測試和分析結(jié)果。

四、結(jié)語

當(dāng)前，電磁干擾問題已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)問題，而電磁干擾的測試也是其中的重點(diǎn)。以LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)的虛擬儀器測試方法因?yàn)槠浞奖恪⒑喴缀蛯?shí)時(shí)性好，已經(jīng)逐漸成為諧波分析和測量的主要手段。將它運(yùn)用到煤礦井下的電磁干擾測量中，可以大大提高測量和分析的速度和準(zhǔn)確性，具有很大實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張勇.基于虛擬儀器技術(shù)的注入敏感度自動(dòng)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).上海交通大學(xué). 2006.9

[2]劉培國.電磁兼容基礎(chǔ).電子工業(yè)出版社. 2008.7

[3]李敬怡.傳導(dǎo)干擾測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).北京交通大學(xué). 2008.6

[4]沈雪梅.傳導(dǎo)性電磁干擾噪聲診斷與抑制綜合方法研究.南京師范大學(xué). 2007.5

[5]鄧重一.基于虛擬儀器的電磁干擾自動(dòng)測試系統(tǒng).工控儀器儀表應(yīng)用，2005.9

[6]趙金奎.共模干擾和差模干擾及其抑制技術(shù).電子質(zhì)量. 2006.5

[7]候國屏.王坤，葉齊鑫. LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2005，2