基于LabVIEW的變壓器溫升數據采集系統

摘 要： 變壓器產品出廠前，為了驗證變壓器性能好壞，需要對其進行溫升試驗。溫升即變壓器油、繞組、鐵心等位置的溫度與環境溫度之差。在此以LabVIEW作為軟件開發平臺，開發一款軟件，該軟件主要通過取幾個環境溫度點的平均值，然后每個通道的溫度與平均值做差，得到溫升曲線。最終得到一款包括溫度、溫升實時顯示，通道配置以及數據、圖像保存等功能的軟件。

關鍵詞： 串口； VISA； 34901A； LabVIEW； 數據采集

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0155?04

變壓器產品在出廠前，都必須做溫升試驗。只有達到國家安全標準的變壓器產品才可以合格出廠[1]。在該試驗中，采用agilent34970A數據采集控制箱作為硬件設備來進行溫升數據的采集[2]。但Agilent公司自帶的軟件系統過于繁雜，而且僅有溫度曲線的實時顯示，沒有溫升曲線，溫升數據還需要后續工程技術人員手動計算，使用非常不便[3]。從方便工程技術人員使用的角度出發，即打開軟件界面就能使用，該項目利用LabVIEW作為軟件開發平臺，開發了一個簡單易用的溫升數據采集系統[4]。

1 溫升試驗硬件組成

1.1 溫升試驗系統總體結構

上位機軟件在LabVIEW中編寫，通過USB接口，經過一條USB轉RS 232串口的數據線連接到Agilent 34970A，Agilent 34970A后面有三個插槽，可以插接3個34901A數據采集板卡，每個采集板卡可輸入20路數據，即可以對外布置60個測點。

1.2 硬件介紹

1.2.1 Agilent 34970A數據采集、切換單元主機

控制箱內包含三個插槽，分別標記為100，200，300。與外部通信接口包括RS 232，GPIB兩種。本文采用RS 232方式進行通信，主要對其波特率、奇偶校驗和電流控制模式進行設置，從而實現LabVIEW軟件平臺與Agilent 34901A數據采集卡的聯系與通信，見圖2。

1.2.2 Agilent 34901A數據采集卡

該插件模塊是包含20個通道的電樞多路復用器。可將該采集卡插入主機箱后面插槽內，見圖3。

1.2.3 T型熱電偶

由于變壓器溫升試驗溫度范圍在300 ℃以下，所以選擇康銅T型熱電偶，該熱電偶在所有廉價金屬熱電偶中精確度等級最高。共有60路溫度信號經過T型熱電偶被采集卡采集，如圖4所示。

1.2.4 USB轉串口線

變壓器溫度信號采集，需要將采集到的信息傳輸到電腦界面顯示出來。這就需要在安捷倫34970A和PC之間進行數據通信，筆記本上通常帶有較多的USB接口，34970A后面擁有串口和GPIB兩種。鑒于溫度信號采集一般在1 min采1次，所以對傳輸速度要求不高，本課題選擇用一條USB轉串口線將USB接口和串口連接起來，實現上位機和下位機之間的通信。本課題選擇臺灣ATEN公司的UC?232A轉換線。

2 上位機軟件設計

2.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是美國國家儀器公司開發的基于C語言的數據采集、輸出控制大型平臺。用戶可以根據自己的需要，在此平臺下，編寫不同的程序來進行數據的采集，比如加速度信號、溫度信號等。根據采集卡硬件的不同，NI公司開發了一系列針對不同硬件的驅動程序包。只需要將驅動程序包在自己編寫的程序中調用，就可以完成硬件和軟件的結合使用。無需用戶再自己編寫底層驅動，這樣大大節省了開發時間，是一款非常適合工業測試、學校學習的通用數據采集軟件[5]。

在該課題中，LabVIEW選擇2012破解版，Windows XP和Windows 7系統均可以安裝相關驅動程序來實現軟硬件的結合。

2.2 VISA簡介

VISA（Visual Instrument Software Architecture）是一種通用的用于軟件和硬件之間通信的架構。包括硬件設備的打開、關閉、讀取、寫入等基本控件。可以利用這些控件，通過簡單的連線編程，建立軟件LabVIEW和Agilent 34970A的通信[6]。

2.3 程序前面板設計

程序前面板主要包括三大部分（見圖5）。

（1） 數據采集前的參數設置。主要包括環境溫度測點的選擇，該部分用一個下拉列表框控件來設計，測點通道可以實現多選。一般情況下，變壓器溫升試驗中需要選擇4個點來測量環境溫度。還有筆記本電腦USB端口的選擇，采集間隔時間的設定。

（2） 溫度實時顯示和溫升實時顯示。該部分可以實現60個通道的溫度實時顯示和溫升實時顯示。并可以通過復選框，具體讓某幾條曲線顯示，這里根據需要具體選擇。

（3） 數據的保存，曲線的保存。

2.4 程序后面板設計

程序后面板主要包括幾大模塊：通信模塊，采樣時間控制模塊，通道配置模塊，取環境平均溫度模塊，數據存儲模塊，曲線顯示模塊，數據導出模塊。下面主要介紹通信模塊、通道擴展和數據轉換模塊。

2.5 通信模塊

LabVIEW作為一款數據采集軟件平臺，必須與硬件結合起來才能真正發揮其作用。但是對于不熟悉軟硬件的工程技術人員來說，將軟件和硬件設備結合起來工作是一件困難的事。雖然LabVIEW包含了對數據采集卡、相關儀器設備的控制模塊，但是還有一些其他的硬件設備控制驅動模塊LabVIEW是沒有的。這就要求自己來安裝驅動。

以LabVIEW為軟件平臺，與Agilent 34970A進行連接通信。中間選擇一條USB轉串口的轉換線。其中USB轉串口的轉換芯片就需要驅動程序來完成，該部分驅動程序可以根據操作系統、轉換芯片類型從官網或者論壇下載相應驅動。

在建立了USB轉串口的驅動后，需要PC對USB進行驅動。LabVIEW軟件功能十分強大，NI公司設計開發了VISA（Visual Instrument Software Architecture），該架構包含了對USB、GPIB、串口、VXI、PXI、以太網的驅動，即可以通過LabVIEW將控制數據采集卡或者相關儀器設備的命令以及儀器設備反饋回來的信息和數據進行雙向傳遞。所以還需要安裝VISA驅動程序，該程序可以到NI官網下載[7]。通信模塊如圖6所示。

建立好以上驅動后，就可以向Agilent 34970A發送控制命令了。本課題涉及到的對安捷倫Agilent 34901A的控制主要包括以下命令：

CONF：TEMP TC，T，（@101：120，201：220，301：320）

/*配置傳感器為T型熱電偶，通道為101～320，測量溫度

UNIT：TEMP C，（@101：120，201：220，301：320）

/*配置溫度單位為℃

Read？ /*向34970A發送掃描通道的命令

2.6 通道擴展和數據轉換模塊

采用for循環，將一維數組內的數據進行循環輸出。for循環內部有條件結構，共有60個通道，按照for循環的循環計數參數依次選擇0～59。利用for循環結構可以實現通道數目的擴展。

采集回來的數據在LabVIEW中有多種顯示，有二進制、十六進制、字符顯示。手動選擇字符顯示，得到的數據格式為“+1.177 600 00E+02，-2.962 300 00E+01，……”，根據ASCII對照表，將1，3，4，5，6，14位的字符取出，并與48相減，可得十進制顯示的溫度數據。數據保存和數據轉換子程序面板如圖7～圖9所示。

其余模塊不再贅述。

2.7 程序設計過程中的關鍵點

2.7.1 接收字節數

在利用VISA架構實現筆記本電腦和Agilent通信的時候，其中讀數據的控件有一個參數——接收字節數。通過串口采集位于采集卡數據緩沖區的數據，Agilent 34970A可以插3板卡，共采集60路數據，根據采集到數據的格式“+1.177 600 00E+02，-2.962 300 00E+01，…”得到，每個通道有16個字符，共60個通道，總計60×16=960個字符，加上數據結束終止符LF，共計961個字符。只要所取的接收字節數值大于等于961即可，取整1 000作為接收字節數。如果所填數值小于961，則造成讀取數據不完整。

2.7.2 串口延時時間

發送read？命令給儀器后，不要立即讀取數據緩存區的值，因為通道數高達60個，所以需要給3個采集卡一定的緩沖時間，使其可以在接收到read？命令后按順序依次讀取完60個通道的數據。具體時間可以自己嘗試逐漸增加來驗證。該課題中，延時達到1.8 s即可將數據全部采集后存放在數據緩沖區供串口讀取。

2.7.3 數據保存

存放在波形圖表中的數據必須選擇自動調整x，y標尺，這樣才能將波形圖表中緩存的數據全部讀出，但是波形圖表可供緩存的數據有限，默認為1 024個采樣時間點，具體讀者可自行驗證。該課題中，基本上讀取數據速率為2 min 1次，實驗時長為8 h，所以總計采樣次數為240。波形圖表完全滿足要求。如果需要波形圖由右向左依次顯示，并將左側圖形逐步覆蓋，則不要選擇自動調整x，y標尺。

另外，導出的數據很有可能是多個重復數據，因為一次采樣結束后，數據保持一個采樣周期。該課題中解決辦法是將重復數據歸零處理，然后將非零數據輸出到新建波形圖表中。

2.7.4 其他

編程過程中，實時性要求好的地方盡量不要選擇用局部變量。因為LabVIEW按照數據流來工作，沒有連線的程序并不確定是什么時間運行的，這也造成程序的不穩定，最好的解決辦法是從原控件引出數據。如果要實現兩個波形圖表各部分內容對應顯示，最好的辦法是復制，而不是重新建立一個新的波形圖表。調試程序時候要善于取出其中的中間值進行驗證，按數據流查看哪一步出現了問題。善于利用LabVIEW自帶的即時幫助、范例和VI子程序，這樣可以大大減輕編程人員工作量。

3 結 語

通過以上設計編程，做出一套Agilent 34970A儀器控制軟件，不僅實現了變壓器溫升數據采集的任務，還可以通過簡單的儀器命令改寫，很方便地用來測溫度、電壓、電阻、電流、頻率等信號。可擴展性很強。后面可以通過將通信模塊改成GPIB架構，實現多臺儀器的聯合控制。

參考文獻

[1] 楊帆.變壓器溫升實驗微機系統的實現[J].應用科技，2001，28（11）：28?30.

[2] 孫佳龍.變壓器溫升試驗的監測與控制系統[D].保定：河北農業大學，2012.

[3] 于灝.變壓器溫升試驗的監測與控制系統[J].科學中國人，2014（8）：43?47.

[4] 關吉.基于LabVIEW的溫度控制系統[J].東南傳播，2014（3）：149?151.

[5] 賀希.基于LabVIEW的遠程溫度采集系統設計[J].湖南工業大學學報，2013，27（6）：89?93.

[6] 蔡永華.基于安捷倫數據采集器的變壓器測試系統設計[J].自動化儀表，2009，30（6）：52?56.

[7] 郭亮.基于虛擬儀器的低壓電器溫升測試系統[J].工業控制計算機，2009，22（10）：25?27.