【正文】 .....................................................................47第四章 程序設(shè)計顯示 ...........................................................................................................484．1 前面板設(shè)計 .............................................................................................................................................484．2 程序的總框圖 .........................................................................................................................................484．3 程序?qū)傩栽O(shè)置及調(diào)試結(jié)果 .....................................................................................................................494．4 小結(jié) .........................................................................................................................................................51第五章 總結(jié)與展望 ...............................................................................................................52謝 辭 .....................................................................................................................................53參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................54致 謝 .......................................................................................................................................563第一章：緒論1．1 虛擬儀器概述1．1．1 虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)。第二代數(shù)字化儀器，這類儀器現(xiàn)在相當(dāng)普遍，這類儀器將模擬信號的測量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果，適用于快速響應(yīng)和較高準(zhǔn)確度的測量，如數(shù)字萬用表、數(shù)字頻率計等。虛擬儀器（Virtual VI）的概念，是美國國家儀器公司（National Instruments NI）于 1986 年提出的。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計算機的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統(tǒng)測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。虛擬儀器技術(shù)的實質(zhì)是充分利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。它不僅可以用于電子測量、測試、分析、計量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過程自動化。顯示器信號分析及處理器入機接口 各類接口A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號調(diào)理器信號調(diào)理器輸入信號 D/A 轉(zhuǎn)換器信號調(diào)理器信號輸出圖 11 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：5（1） PCDAQ 插卡式的 VI這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。因個人計算機數(shù)目非常龐大，插卡式儀器價格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業(yè)測控現(xiàn)場、各種實驗室和教學(xué)部門使用。它的出現(xiàn)使電子測量由獨立的單臺的手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展。GPIB 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，造價較低，主要市場在臺式儀器市場。經(jīng)過多年的發(fā)展，VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢，適用于組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合，但 VXI 系統(tǒng)要求有專用的機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便的將虛擬儀器組成計算機網(wǎng)絡(luò)。（7） USB 接口方式的 VIUniversal Serial Bus（USB）因為其在 PC 機上的廣泛使用、即插即用的易用性和 高達(dá) 480Mbits/s 的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)。無論哪種 VI 系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺式微機和工作站等各種計算機平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。（2）利用計算機豐富的軟件資源，一方面，實現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件話，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、實時、直接的對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過圖形用戶界面（Graph User 7Interface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機交互。（5）基于計算機的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。表 11 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器開放、靈活，可與計算機技術(shù)保持同步發(fā)展 封閉性、儀器間相互配合較差關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序即可。美國的斯福坦大學(xué)的機械工程系要求三、四年級的學(xué)生在實驗時應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實驗控制。Lab windows/CVI是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSI C 開發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開發(fā)軟件之外，美國 HP 公司的 HPVEE 和 HPTIG 平臺軟件，美國Tektronix 公司的 EzTest 和 TekTNS 軟件，以及美國的 HEM Data 公司的 SnapMaster 平臺軟件，也是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。美國 NI 公司在 1997 年 9月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺 PXI，這是與 Compact PCI 完全兼容的系統(tǒng)。1．2．2 國內(nèi)現(xiàn)狀在國內(nèi)已有部分院校的實驗室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲智能火車車輪測試系統(tǒng)系列、任意波形發(fā)生器及頻率計系列、多通道大容量波形—記錄系列。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動測試與電子測試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向?！皼]有測量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)。我國還基本處于傳統(tǒng)儀器與計算機化儀器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國這個巨大的市場進(jìn)軍。隨著計算機硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。它的設(shè)計與開發(fā)是利用高效靈活的軟件來完成的，用戶可根據(jù)實際需要自己構(gòu)建儀器的功能、操作和顯示界面?；疖嚨能囕啝顟B(tài)是否完好關(guān)系到火車的安全運行，為了保障行車安全，提高運輸能力，鐵道部門必須經(jīng)常對火車車輪狀態(tài)進(jìn)行檢測。 本文的研究內(nèi)容虛擬儀器系統(tǒng)由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。本課題以 labview 軟件進(jìn)行了信號的仿真生成、濾波和各類處理。第二章，基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計的原理：首先講述通用智能火車車輪測試系統(tǒng)的原理，進(jìn)而講述了基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計的原理。第五章，總結(jié)與展望：對設(shè)計的基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)，并對將來的發(fā)展趨勢給出了展望。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創(chuàng)建開發(fā)原型（明確實質(zhì)要解決的問題） 、分析程序的可行性（包括成本、性能、風(fēng)險和技術(shù)障礙）等。程序開發(fā)人員不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)的問題，目前的 LABVIEW是一個支持多個系統(tǒng)平臺的軟件，Windows、Power Macintosh、Sun SPARCA 工作站、HP 工作站、Linux 上都可以運行。如果沒有現(xiàn)成的驅(qū)動程序，用戶也可以自己編寫。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。拿到一個設(shè)計任務(wù)后，首先要分解任務(wù)，把待設(shè)計任務(wù)分割成幾個大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函數(shù)的程度；然后是尋求例程，參考例程可以避免重復(fù)前人做過的工作；接下來就是根據(jù)項目的特點選擇程序設(shè)計方法，自上而下或者自下而上。測試中還要特別關(guān)注全局變量對程13序的影響。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。所有的控制都是建立在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上的，沒有數(shù)據(jù)采集就沒有控制。取樣定理，采樣信號的頻率 fs 和輸入模擬信號的最高頻率 fimax 之間必須滿足下述條件: fs≥2fimax 因為每次把取樣電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。把輸出數(shù)字量為 1 時對應(yīng)的輸入模擬電壓稱為量化單元，記做。滿意設(shè)計: 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計14編碼是把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。輸入為雙極性時：輸出一般采用二進(jìn)制補碼表示。 ）多個帶通信號的欠采樣方法及其應(yīng)用解決了多個射頻信號直接帶通采樣問題和寬帶數(shù)字下變頻的高效實現(xiàn)問題。對于正弦信號干擾下的帶通信號，如何無混疊地進(jìn)行測量是一個有待解決的問題。如果依據(jù)香農(nóng)定理對信號進(jìn)行采樣沒有問題，但是代價也許比較大，如必須使用高速 A／D 轉(zhuǎn)換器等。普通模擬信號指的是電子模擬信號可連續(xù)發(fā)生變化的電壓或電流?？梢姅?shù)字信號只能表示有限種可能狀態(tài)，它的分辨率是有限的，由數(shù)字位數(shù)決定。17 圖 采 樣取樣定理：為保證從取樣信號恢復(fù)被取樣信號，必須滿足 ?sf2(max)i（在實際的取樣保持電路中有一個取樣控制信號，它的頻率就是取樣信號頻率。對 A/D 轉(zhuǎn)換器來說，出采樣、量化外還要進(jìn)行編碼。A/D 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍廣，發(fā)展迅速。按這樣分類法 A/D 轉(zhuǎn)換可分為三大類：直接比較型，間接比較型和復(fù)合型。試碼是從最高（權(quán)）砝碼開始到最低（權(quán)）砝碼依次逐一進(jìn)行，最低砝碼試畢轉(zhuǎn)換結(jié)束。各環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。控制環(huán)節(jié)：協(xié)調(diào)個單元動作完成轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換精度主要是由 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度決定。逐次比較反饋編碼型 A/D 轉(zhuǎn)換盡管存在著不可忽視的缺點，但是由于它具有一定的優(yōu)越的性能還是獲得廣泛的應(yīng)用。線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理圖，如圖 所示。轉(zhuǎn)換原理圖如圖 所示： 圖 階梯波電壓比較型A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) （1）分辨率 21分辨率——說明 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。常用最低有效位的倍數(shù)表示。并行比較 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器次之；間接 A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。滿意設(shè)計: 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計22圖 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器由四部分組成：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；求和放大器；模擬開關(guān)；參考電源；任務(wù)：求出輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量 d3d2d1d0 間的關(guān)系。任意節(jié)點向左看的等效電阻皆為R。權(quán)電流型D/A 轉(zhuǎn)換器可解決這一問題。分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分 0~2n1 共 2n 個輸入數(shù)字量。轉(zhuǎn)換誤差有時也稱為線性誤差。25（2）輸出電壓滿刻度 FSR(Full Scale Range)的百分?jǐn)?shù)。(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差。4）轉(zhuǎn)換速度用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間－－建立時間 tset－－來衡量。外接運放時，轉(zhuǎn)換時間還應(yīng)加上運放的上升（下降）時間。它有如下方便的性能：（1）即插即用功能PCI6221 完全符合 PCI 規(guī)格 標(biāo)準(zhǔn)，支持即插即用。該電路能代替軟件控制采樣期間多路開關(guān)的切換。當(dāng) FIFO 半滿時，PCI6221 會產(chǎn)生一個中斷。其中有一個計數(shù)器作為事件計數(shù)器，用于對輸入通道的事件進(jìn)行計數(shù)。這樣能使信號間的交叉干擾降到最小，并使 EMI/EMC 問題得到了最終的解決。 硬件的安裝第一步：關(guān)掉計算機，將您的板卡插入到計算機后面空閑的 PCI 插槽中 （ 注意：在您手持板卡之前觸摸一下計算機的金屬機箱殼以免手上的靜電損壞板卡。PCI 總線的板卡插好后計算機操作系統(tǒng)會自動識別，Device Manager 在 Installed Devices 欄中 My Computer 下也會自動顯示出所插入的器件，這一點和 ISA 總線的板卡不同，如上圖所示。 測試（1）模擬輸出功能測試 在測試界面中點擊模擬輸出標(biāo)簽，彈出圖 所示界面。圖 數(shù)字量輸入功能測試用戶可以方便地通過數(shù)字量輸入通道指示燈的顏色，得到相應(yīng)數(shù)字量輸入通道輸入的是低電平還是高電平（紅色為高，綠色為低） 。測量