基于LabVIEW的轨道交通数据监控与处理系统设计

种兴静 冷子文 高军伟 盖宏宇

摘要： 为了更方便对轨道交通列车监测和辅助逆变器的维护管理，本文基于LabVIEW设计了一种实时显示的轨道交通列车辅助逆变监控系统。以计算机和NI cRIO 9075数据采集卡搭建硬件系统，采用LabVIEW开发平台建立可视化人机界面，结合数据库管理系统等平台在智能系统实验室进行仿真模拟实验。仿真结果表明，该监控系统可以准确显示环境温度和电流等物理量，实现了数据的显示和存储，实时监测辅助逆变电压的变化，并从时域和频域对数据进行分析，提取有用信号。该研究为进一步故障信号诊断分析奠定了理论基础。

关键词： LabVIEW; 辅助逆变; 数据采集; 监控系统

中图分类号： TP274; TP277  文献标识码： A

辅助逆变器是轨道交通列车上不可或缺的重要部件，为列车交流负载提供稳定电源，是辅助供电的核心系统，但辅助逆变器故障直接影响到列车交流负载，甚至会导致列车不能正常工作。由于传统辅助逆变器监测设备使用复杂，不能及时监控到辅助逆变器的故障信号，对轨道交通列车的安全运行存在一定隐患[1]。因此，智能化的辅助逆变器监控系统在很大程度上方便了对辅助逆变器的实时监控和正常的维护管理，相对于传统的监测设备具有很大优势。随着人工智能的发展，虚拟仪器得到了更广泛应用[2]。由于LabVIEW图形化的开发语言简单易懂，对后续软件的调整与维护便利。因此，本文利用LabVIEW虚拟仪器开发平台，建立一个简单、友好的可视化人机交互界面，设计了一种实时显示的轨道交通列车辅助逆变器监控系统。该系统通过LabVIEW可视化的编程技术，对轨道交通车辆运行过程中电压、电流等物理量数据进行采集和监控，上位机通过对采集到的数据信号进行处理和分析，建立人机交互界面[34]。该辅助逆变监控系统通过实时监测轨道交通列车运行状态，能够及时发现故障，并对其进行诊断分析，具有一定的实际应用价值。

1 数据监控与处理系统的设计

1.1 数据监控与处理系统总体设计

该系统采用美国国家仪器公司NI所研发的LabVIEW开发平台，并配以实时控制器Compact RIO系统，完成多通道数据采集及信号处理[5

6]。系统总体设计由各类传感器、信号调理电路、数据采集系统[7

8]及上位机等模块组成。系统总体设计如图1所示。辅助逆变器各类物理量信号，通过相应的传感器进行信号采集，转换为电

图1 系统总体设计信号，采集到的电信号经由信号调理电路进行预处理，然后通过数据采集系统中模拟输入模块和NI cRIO 9075模块进行信号转换，采用以太网连接控制器的方式将采集到的数字信号传到计算机，通过虚拟仪器LabVIEW平台对系统进行设计，实现辅助逆变器信号在人机界面的显示和存储。系统总体设计如图1所示。1.2 数据监控与处理系统硬件设计

硬件部分由数据采集设备和计算机组成，数据采集系统将信号调理电路预处理后的模拟信号转化为数字电信号，然后利用PC机进行后续处理。本文采用的CompactRIO系统，由一个包含处理器和用户可编程FPGA控制器及NI或第3方提供的一个或多个信号调理I/O模块组成[911]。数据采集设备包括各类传感器及信号调理电路，通过各类传感器将采集到的温度及电压的物理信号经过信号调理电路进行预处理，并将这些物理信号再转换为电信号。

本文采用一款适用于高级控制和监控应用的嵌入式控制器NI cRIO 9075，配以4通道C系列电压输入模块NI 9215和8通道C系列电流输入模块，通过C模块将标准电信号输入到NI cRIO 9075中。其中，NI 9215模块具有4路同步采样电压输入，每个通道的输入信号经缓冲调理后，由模数转换器对其采样。NI 9203提供8个模拟输入通道，每个通道都连接电流信号端子，而且都过压保护。数据采集系统通过网络TCP/IP协议与上位机进行通信，对采集到的数据进行存储，实现数据传输及监控功能[12]。

1.3 数据监控与处理系统软件设计

该系统人机界面友好，实现数据的实时采集显示、信号的分析处理及数据存储等功能[1315]，便于操作和维护。软件设计主要包括数据采集与数据分析[16]，数据采集通过对采样频率和通道等参数进行设置，将数据经数据采集系统送至上位机，并利用数据库管理系统对采集的数据进行存储、删除等操作[1718]。数据主要通过时域分析、频域分析及时域和频域联合分析處理。时域分析主要是波形及其特征数据的显示，包含自相关分析和限幅滤波;频谱及其特征数据的显示为频域分析，主要包括功率谱分析及快速傅里叶变换（fast fourier transform，FFT）。程序结构如图2所示。

软件运行环境为Windows 10下的LabVIEW 2014，由前面板和程序框图组成。为实现监控系统的功能，创建HOST.VI程序框图，HOST.VI程序框图如图3所示。系统通过采集模块对信号进行采集，并将采集到的信号分析处理进行显示，最后将数据保存，数据库模块对数据结果进行管理[19]。本系统软件设计设置温度和电流信号采样间隔，通过共享变量功能，获取采集到的温度和电流信号，并将数据写入测量文件函数，结合数据库管理系统，将采集到的数据保存到数据库中[20]。系统设定温度、电流最大值与最小值，当采集的信号超出设定范围，触发报警功能。

2 仿真实验及分析

通过控制面板对实验场所的温度等物理量信号进行检测，调用子程序，实现辅助逆变器输出电压信号的显示，以便直观的观测温度、电流等物理量的变化情况，控制界面如图4所示。通过多通路测量，实时显示温度等物理量的变化情况，并以波形的方式直观显示。当温度超过设定的最大温度时，触发温度报警装置。

通过仿真实验，对采集到的数据进行频域分析，信号处理框图如图5所示。图5a为功率谱分析，它可以显示在一定的区域中信号功率随着频率变化的分布情况。其分别将信号类型、频率、幅值等参数通过波形发生器VI输出原始电压信号，然后经过功率谱VI得到功率谱的波形显示，信号进行自相关分析后，再进行快速傅里叶变换。图5b为快速傅里叶变换分析，将测得的正弦波形进行复合得到原始电压信号，原始电压信号通过“快速傅里叶变换”函数将其变换，再通过“复数至极坐标转换”函数将变换得到的复数转换成实部和虚部，便于谐波分析。

通过数据调用运行数据分析模块，信号数据分析如图6所示。图6a为原始电压信号，设置采样间隔为1 s，逆变器的输出电压为220×（1±005）V;图6b为功率谱分析，显示信号功率的变化情况，在频域范围内提取有用信号;图6c为快速傅里叶变换波形显示图，实现对信号的谐波分析，实部与虚部分别表示振幅与相位的变化。通过频域分析，为信号诊断奠定基础。

本文基于LabVIEW设计了轨道交通数据监控与处理系统，该系统能够实现轨道交通列车辅助逆变器数据的采集，对采集到的数据进行处理。经过实验表明，该设计能够精确测量温度变化，实时显示电压变化情况，稳定可靠，满足轨道交通列车数据监控的要求。相较于简单监控系统，本系统能够实时显示数据波形并处理。该系统还可应用于辅助逆变器的故障诊断，对保证列车可靠、安全的运行具有重要的应用价值和研究意义。

参考文献：

[1] 郑依. LabVIEW环境下的便携式地铁辅助逆变器采集分析系统[D]. 青岛： 青岛大学， 2017.

[2] 陈树学， 刘萱. LabVIEW宝典[M]. 2版. 北京： 电子工业出版社， 2017.

[3] 王世阳， 毕祥军， 王平. 基于LabVIEW多通道应变采集系统设计[J]. 国外电子测量技术， 2017， 36（8）： 8387.

[4] 裴清福. 数据采集及处理系统的LabVIEW程序设计和界面设计[J]. 微型电脑应用， 2018， 34（7）： 5558.

[5] 桑志國. 基于LabVIEW的数据采集系统的研究及设计[J]. 工业控制计算机， 2018， 31（10）： 6869， 76.

[6] 李士钊. 基于LabVIEW的多通道数据采集分析系统设计分析[J]. 通信电源技术， 2016， 33（3）： 9596.

[7] 王昆. 基于LabVIEW的数据采集与信号处理系统设计与实现[J]. 电子设计工程， 2018， 26（15）： 9497.

[8] 王梦谦， 姜建国. 基于LabVIEW和DSP的数据采集与监测系统[J]. 化工自动化及仪表， 2017， 44（8）： 778781， 786.

[9] 秦志一， 吕丹桔， 赵月月， 等. 基于Labview的声卡数据采集与处理系统设计与实现[J]. 计算机科学与应用， 2015， 5（9）： 331335.

[10] 张光华， 栗健， 赵玲. LabVIEW平台上的温度自动检测装置研究[J]. 自动化仪表， 2017， 38（6）： 7174.

[11] 刘小虎， 唐勇. 一种基于LabVIEW的数据采集系统的实现[J]. 舰船电子工程， 2019， 39（2）： 115117， 145.

[12] 纳杰斯， 丁明惠. 基于LabVIEW的通用且可定制的数据采集处理软件设计[J]. 计算机测量与控制， 2018， 26（11）： 158161.

[13] 宋佩利， 赵春祥， 连蓉. 基于LabVIEW的数据采集及处理系统设计[J]. 现代工业经济和信息化， 2018， 8（3）： 4346， 48.

[14] 武睿. 虚拟仪器软件Labview和数据采集[J]. 现代经济信息， 2017（19）： 330331.

[15] 郑锐， 付雷杰， 刘振涛， 等. 基于LabVIEW的多数据采集器自动监控软件设计与开发[J]. 计算机测量与控制， 2017， 25（6）： 107111.

[16] 白晓， 尹俊， 郑洋德， 等. 基于FPGA和LabVIEW的多通道数据采集系统设计[J]. 核电子学与探测技术， 2018， 38（3）： 319325.

[17] 孙春虎， 方愿捷. 基于Labview的多通道数据采集系统设计[J]. 滁州学院学报， 2016， 18（5）： 7577.

[18] 刘景峰. 基于LabVIEW的数据采集与多功能分析系统设计[D]. 太原： 中北大学， 2015.

[19] 夏妍， 孙硕. 基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J]. 电子技术与软件工程， 2018（12）： 252253.

[20] 董鹏， 鲍印虎， 张占美. 单片机和LabVIEW下多路数据采集系统的设计研究[J]. 科技传播， 2018， 10（9）： 106107.