【正文】 R。權(quán)電流型 D/A轉(zhuǎn)換器可解決這一問(wèn)題。 分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分 0~2n1共 2n 個(gè)輸入數(shù)字量。 轉(zhuǎn)換誤差有時(shí)也稱為線性誤差。 （ 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(shí)間－－建立時(shí)間 tset－－來(lái)衡量。 外接運(yùn)放時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時(shí)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(kāi)關(guān)的切換。當(dāng) FIFO 半滿時(shí)，PCI6221 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷 。其中有一個(gè)計(jì)數(shù)器作為事件計(jì)數(shù)器，用于對(duì)輸入通道的事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。這樣能使信號(hào)間的交叉干擾降到最小，并使 EMI/EMC 問(wèn)題得到了最終的解決。 硬件的安裝 第一步：關(guān)掉計(jì)算機(jī)，將您的板卡插入到計(jì)算機(jī)后面空閑的 PCI 插槽中 （ 注意：在您手持板卡之前觸摸一下計(jì)算機(jī)的金屬機(jī)箱殼以免手上的靜電損壞板卡。 PCI總線的板卡插好后計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別， Device Manager 在 Installed Devices 欄中 My Computer 下也會(huì)自動(dòng)顯示出所插入的器件，這一點(diǎn)和 ISA 總線的板卡不同，如上圖所示。 測(cè)試 （ 1）模擬輸出功能測(cè)試 在測(cè)試界面中點(diǎn)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(cè)試 用戶可以方便地通過(guò)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(cè)量單端模擬信號(hào)輸入，標(biāo)準(zhǔn)連接方法，如圖 所示 : 本科生畢業(yè)論文 33 圖 單端模擬輸入連接 （ 2） 差分式模擬輸入連接 PCI6221 有 16個(gè)模擬輸入通道，可 以設(shè)置成 8對(duì)差分式輸入通道。連接方式如圖 所示： 圖 差分式模擬輸入連接 通過(guò)這種連接方式，可以消除在信號(hào)源和板卡地之間的共模干擾電壓 V（ CM）。軟件為用戶提供了集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。 對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫(xiě)，大致可以分為兩種方式： （ 1）通用編程軟件進(jìn)行編寫(xiě) 。 具體選用哪一種軟件，應(yīng)該由編程者根據(jù)實(shí)際情況選擇。 LABVIEW 具有模塊化特性，有利于程序的可重用性。 LABVIEW 雖然是為計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的， 但它的函數(shù)包。這就大大縮短了虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過(guò)程。 LABVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛 擬儀器工 作平臺(tái)（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。 （ 2）用專業(yè)圖形化編程軟件開(kāi)發(fā)。所以正確選擇軟硬件對(duì)程序開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。連接方法如圖 所示： 圖 模擬信號(hào)輸出連接及外圍電路 （ 2）外部觸發(fā)源連接 PCI6221 也支持外部觸發(fā)源觸發(fā) A/D 轉(zhuǎn)換，當(dāng) +5V 連接到 TRGGATE 時(shí)，就允許外部觸發(fā)，當(dāng) EXTTRG有一個(gè)上升沿時(shí)觸發(fā)一次 A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng) TRGGATE連接到 DGND時(shí)，不允許外部觸發(fā)。如果信號(hào)源連有參考地，則 PCI6221 的地端和信號(hào)源的地端之間會(huì)存在電壓差，這個(gè)電壓差會(huì)隨信號(hào)源輸入到輸入端，這個(gè)電壓差就是共模干擾。 （注：其它功能的測(cè)試就不再做介紹） 信號(hào)連接 管腳圖 PCI6221 的管腳圖如圖 所示： 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 32 圖 管腳圖 輸入連接 （ 1 ）單端模擬輸入連接 PCI6221 提供 16 路模擬量輸入通道，當(dāng)測(cè)量一個(gè)單端信號(hào)時(shí)，只需一根導(dǎo)線將信號(hào)連接到輸入端口，被測(cè)的輸入電壓以公共地為參考。例如，要使通道 0輸出 電壓，在 “Manual Output”中設(shè)置輸出值為 ，點(diǎn)擊 “Out”按紐，即可 在管腳 AO0_OUT 與 AO_GND 之間輸出 電壓，這個(gè)值可用萬(wàn)用表測(cè)得。設(shè)置完成后點(diǎn)擊 “OK”即可。 圖 硬件檢測(cè)圖 第三步：從開(kāi)始菜單 /程序 /Advantech Device Driver Manager,打開(kāi) Advantech Device Manager。 注意：如果您的計(jì)算機(jī)沒(méi)有啟用自動(dòng)安裝，可在 H：盤(pán)文件中點(diǎn)擊 文件啟動(dòng)安裝程。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 28 （ 5） 用于降低噪聲的特殊屏蔽電纜 PCL10168 屏蔽電纜是專門(mén)為 PCI6221 所設(shè)計(jì)的，它用來(lái)降低模 2 PCI6221 快速安裝使用手冊(cè) 擬信號(hào)的輸入 噪聲。 （ 4）卡上可編程計(jì)數(shù)器 PCI6221 提供了可編程的計(jì)數(shù)器，用于為 A/D 變換提供可觸發(fā)脈沖。這種設(shè)計(jì)能讓您對(duì)不同通道使用不同增益，并自由組合單端和差分輸入來(lái)完成多通道的高速采樣。實(shí)際上，所有與總線相關(guān)的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡慨述 NI PCI6221 是 NI公司的 M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，采用的是一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，雖然是多路采集，實(shí)際上是分時(shí)工作的，所 有在多路同時(shí)工作時(shí)采樣率會(huì)成倍降低。 輸入信號(hào)由全 0 變?yōu)槿?1 所需時(shí)間最長(zhǎng)。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 26 (3)模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。 3）轉(zhuǎn)換誤差分析 D/A 轉(zhuǎn)換器的四個(gè)組成部分，均可引起轉(zhuǎn)換誤差。 轉(zhuǎn)換誤差的表示形式： （ 1）最低有效位的倍數(shù)。 (2)用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。因此，經(jīng)常用倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，速度快。 （二）、倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器，如圖 所示。 D/A 轉(zhuǎn)換器。 LSB/2，就表明實(shí)際輸出 的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。線性電壓發(fā)生器輸出線性斜變的參考電壓 Vr Vr=Kt （三）階梯波電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換 這種方式與線性電壓比較型的轉(zhuǎn)換原理相同，差別僅在于用等增量的階梯波電壓代替線性增長(zhǎng)的斜坡電壓作為比較基準(zhǔn)。從轉(zhuǎn)換的角度看這是一種間接轉(zhuǎn)換，或者更確切地說(shuō)是直接比較間接轉(zhuǎn) 換。初看起來(lái)只要增加 D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，就可以提高逐次比較型的精度，事實(shí)上由于這種形式的轉(zhuǎn)換抗干擾能力低以及電路結(jié)構(gòu)等方面的原因，目前一般只達(dá)到五位讀數(shù)，實(shí)際精不夠高。轉(zhuǎn)換過(guò)程試碼是按權(quán)躍變進(jìn)行的，每一個(gè)十進(jìn)位只要四個(gè)節(jié)拍即可完成試碼。但 Vx﹥ 0 時(shí)， 若△ V=VxVf≥ 0 則加碼保持，編碼器計(jì)為 1；若△ V=VxVf＜ 0 則加碼撤掉，編碼器計(jì)為 0。最后保留的砝碼總和即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。 （一）逐次比較反饋編碼型 A/D 轉(zhuǎn)換 這種模型類似一架自動(dòng)“電壓天平”，其“砝碼”是一組不都量值的參考電壓。如可按轉(zhuǎn)換速度分類，也可按轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換位數(shù)、轉(zhuǎn)換原理等進(jìn)行分類。一個(gè)理想的 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系可用下式表示： D≈ ( a1+a2+a3+? +an)Vr=DVr 式中的 D是轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出， Vr 為基準(zhǔn)電壓。取樣電容 CH上的電荷無(wú)泄放回路，將保持。 A/D 轉(zhuǎn)換的基本步驟： 采樣（取樣）；保持；量化；編碼。實(shí)際上每個(gè) 信號(hào)總要疊加上噪音，這就使模擬信號(hào)的精度受到限制。盡管如此，采樣得到的信號(hào)有時(shí)候仍然含有一定的工頻干擾成分。這種帶有干擾的有效信號(hào)（低通或帶通），它除了含有有效的帶限信號(hào)頻譜外，在干擾信號(hào)頻率點(diǎn) f0處有一單一頻率的譜線，即含有工頻周期干擾信號(hào)的頻譜。采樣定理的出發(fā)點(diǎn)是從采樣數(shù)據(jù)中能夠完全恢復(fù)原始信號(hào)。 香農(nóng)采樣定理給出了低通型帶限信號(hào)的最低采樣頻率，即采樣頻率 fs必須大于被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍，采樣后的信號(hào)才不會(huì)出現(xiàn)混頻現(xiàn)象。 量化和編碼是在同一個(gè)電路中完成的。因此，對(duì)于任意輸入模擬電壓 , 首先 應(yīng)把它量化為 的整數(shù)倍。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用 S 表示。所以在此做數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)的講解。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來(lái)一些麻煩。對(duì)于高級(jí)程序員來(lái)說(shuō)，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應(yīng)的要求以及內(nèi)存的使用情況。測(cè)試過(guò)程是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的重要組成部分。鮮明就是說(shuō)：需要強(qiáng)調(diào)的部分一定要用顏色加以突出，體現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)程序的特點(diǎn)，減少用戶操作過(guò)程中犯錯(cuò)誤 機(jī)會(huì)。 用戶界面也稱 GUI，即 graphical user interface。選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ甙鼘?huì)達(dá)到事半功倍的效果。在此基礎(chǔ)上，程序開(kāi)發(fā)人員對(duì)所要解決的問(wèn)題有了大致的了解，甚至可以畫(huà)出一個(gè)系統(tǒng)的框圖，之后還要進(jìn)行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價(jià)比、開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等。本章將詳細(xì)討論對(duì) 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 時(shí)幾種方案的比較。 軟件模塊設(shè)計(jì)是 本章 重點(diǎn)，詳細(xì)講述了各個(gè)功能模塊具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本論文開(kāi)發(fā)了一臺(tái) 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路（含信號(hào)調(diào)理電路、 A/D轉(zhuǎn)換器 、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、 D/A 轉(zhuǎn)換器等 ） ，或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀 器，如 GPIB、 VXI、 PXI、 STD、 PCI 總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。 基于這種情形，本文引入虛擬儀器技術(shù)的思想和設(shè)計(jì)方法，在 LabVlEW 虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境下，運(yùn)用 LabVIEW 的逐點(diǎn)分析庫(kù)，研發(fā)了火車車輪狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。目前，虛擬儀器技 術(shù)在 測(cè)量方面的應(yīng)用已日趨成熟，它已成為測(cè)試及測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ，故此，本文主要探討虛擬儀器技術(shù)在遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)的儀器技術(shù)融合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。一方面，大力引進(jìn)國(guó)外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù)硬件，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。 圖形化編程平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開(kāi)發(fā)成果在網(wǎng)上公開(kāi)展示。 是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。世界各國(guó)的公司，特別是美國(guó) NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開(kāi)發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。最早和最具有影響力的開(kāi)發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW 軟件和 Lab windows/CVI開(kāi)發(fā)軟件。 價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高 價(jià)格昂貴，儀器間一般無(wú)法相互利用 用戶可定義儀器功能 只有廠家能定義儀器功能 可 以與網(wǎng)絡(luò) 及周邊設(shè)備方便互連 與其他設(shè)備儀器的連接十分有限 軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低 開(kāi)發(fā)和維護(hù)開(kāi)銷高 技術(shù)更新周期短（ 12年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（ 510年） 數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印 數(shù)據(jù)無(wú)法編輯 1． 2 虛擬儀器的現(xiàn)狀 1． 2． 1 國(guó)外現(xiàn)狀 虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)國(guó)家儀器公司（ NI 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。 因此，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時(shí)間。 （ 4） 基于計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)庫(kù)及報(bào)表技術(shù) 和接口技術(shù)，使 VI 系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持諸如 CAN， Field Bus， PROFIBUS 等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制 ，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。但是 USB 在儀器控制方面上亦有一些缺點(diǎn)?，F(xiàn)在，有關(guān) MCN（ Measurement and Control Networks ）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得一定的進(jìn)展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是 在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時(shí)的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。 （ 4） VXI 總線方式的 VI VXI 總線是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的縮寫(xiě)，是高速計(jì)算機(jī)總線 VME 在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格 的 RFI/EMI 屏蔽。 在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 GPIB 接口卡可帶多達(dá) 14 臺(tái)的儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)20m。它的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式 PC相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和 便攜式兩用，非常方便。這種方式受 PC機(jī)機(jī)箱、總線限制，存在電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無(wú)屏障，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點(diǎn)。 1． 1． 3 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器從構(gòu)成要