【正文】 素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以 DAQ 板和信號調(diào)理為儀器硬件而組成的 PCDAQ 測試系統(tǒng)，或已 GPIB， VXI，Serial 和 Field bus 等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統(tǒng)、 VXI 系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等多種形式。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對數(shù)據(jù)的分析處本科生畢業(yè)論文 5 理、表達(dá)以及圖形化用戶接口， 把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如 A/D、 D/A、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、信號調(diào)理等）的測試能力和控制能力結(jié)合起來。隨著現(xiàn)在硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化成為各級實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式 存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。電子測量儀器發(fā)展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能一起和虛擬儀器。它推動著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理 器，可以進(jìn)行自動測試和數(shù)據(jù)處理功能，可能代替部分腦力老公，習(xí)慣上稱為智能儀器。 NI公司同時(shí)也提出了“軟件即儀器”的口號，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起了儀器和自動化工業(yè)的一場革命。 1． 1． 2 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，用戶可 以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡稱前面板）來操作這臺計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺個(gè)人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲等。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦 勘探 、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、 故障診斷及教學(xué) 科研等多個(gè)方面。它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)。 （ 2） 并行口式的 VI 最新發(fā)展的可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測 試裝置，其硬件集成在一個(gè)采集盒里或探頭上，軟件裝在計(jì)算機(jī)上，可以完成各種 VI 功能。典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺 PC 機(jī)，一塊 GPIB 接口卡和若干臺 GPIB 儀器通過 GPIB 電纜連接而成。適用于精確度要求高，但對計(jì)算機(jī)速率要求和總線 控制實(shí)時(shí)性要求不高的場合應(yīng)用。 本科生畢業(yè)論文 7 （ 5） PXI 總線形式的 VI PXI 總線是 PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是 PCI 在 VI領(lǐng)域的擴(kuò)展。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置不同 功能的 設(shè)備 聯(lián)系在一起，使昂 貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的 USB 接口越來越多，也使得工程師可以很方便的將基于 USB 的測量儀器 連接到整個(gè)系統(tǒng)中。 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、可一機(jī)多用、可重復(fù)開發(fā)等。 （ 3） 基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線， 使 儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便的構(gòu)建模塊化儀器（ Instrument on a Card）。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。 關(guān)鍵是硬件，升級成本較高，且升級必須上門服務(wù)。 本科生畢業(yè)論文 9 近年來，世界各國的虛擬儀器 公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，以便使用者利用這些公司提供的開發(fā)平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件。 當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 RS232 串行總線、 GPIB 通用接口總線、 VXI 總線，以及已經(jīng)被 PC機(jī)廣泛采用的 USB 串行總線和 IEEE1394 總線（即 Fire wire，也叫做火線）。這種虛擬儀器模塊化主流平臺 PXI/Compact PCI 的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到 100Mb/s。 近一、兩年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。主要檢測發(fā)動機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。國內(nèi)專家預(yù)測：未來幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。 1． 2． 3 發(fā)展趨勢 虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展?！碧摂M儀器將會在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。結(jié) 合我國的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。 本科生畢業(yè)論文 11 課題背景和課題目的 在當(dāng)代信息發(fā)展迅速的情況下 ,各類通信方式為人們提供著強(qiáng)大的支柱。圖形化編程語言 LabVIEW是當(dāng)今國內(nèi)外設(shè)計(jì)虛擬儀器最為流行的軟件，整個(gè)儀控系統(tǒng)都完全可以使用它來開發(fā)與執(zhí)行。就目前現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外所做的努力都是把精力放在車輪的生產(chǎn)或修復(fù)環(huán)節(jié)的缺陷檢測方面，在線檢測相對較少。硬件平臺主要完成對被測信號的進(jìn)行調(diào)理和采集。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 12 虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快 30 年的歷史， 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、 工業(yè)監(jiān)控 等領(lǐng)域不可缺少的一部分。 第三章， 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng)軟件 的設(shè)計(jì)：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細(xì)講述了軟件選擇 LABVIEW。 本科生畢業(yè)論文 13 第二章 方案及 關(guān)鍵 技術(shù) 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 由好幾 部分組成。在創(chuàng)建開發(fā)原型的過程中，開發(fā)人員要與程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。針對一些特殊的任務(wù)， LABVIEW 還提供一些附加的工具包，非常方便。 （ 3）設(shè)計(jì)用戶界面。一致性包括： ① 一個(gè) VI程序的 GUI 之間要保持一致； ② VI 的 GUI 要與平時(shí)大家用的應(yīng)用程序色調(diào)一致。 （ 5）程序測試。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。各種類型信號采集的難易程度差別很大。數(shù)據(jù)的采集是一切控制的基礎(chǔ)。在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。當(dāng)輸出數(shù)字量為 D 時(shí)，對應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為 D ，即量化單元的整數(shù)倍。把編碼后的二進(jìn)制代碼輸出就得到A/D 轉(zhuǎn)換的輸出信號，對同一正 弦波，若 S越小，誤差將越小，編碼時(shí)所需二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多，對器件要求也越高。可用圖 表示： 符號位 二進(jìn)制補(bǔ)碼 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 16 圖 二進(jìn)制補(bǔ)碼表示法 AD 采樣時(shí)必須滿足采樣定理。對于含有無窮高次諧波的信號，在一定條件下，可 以用有限采樣頻率進(jìn)行采樣，而信號不會出現(xiàn)失真。 幾乎所有的測量、控制或通訊信號都會不同程度地受到其它信號的干擾，特別是電網(wǎng)產(chǎn)生的工頻干擾。為了滿足采樣定理，一般情況下，人們總是采取隔離、屏蔽等措施，并在采樣前加上一級模擬低通或帶阻濾波器以削弱工頻干擾的影響。在理想條件下模擬信號可以精確的表示它所代表的物理量，也就是說它喲無限高的分辨率。 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù) A/D 轉(zhuǎn)換的基本原理 在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，由于輸入模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出數(shù)字信號是離散的，所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對輸入模擬信號采樣，然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)字量。） 顯然要滿足 ： (m ax)(m ax)(m ax)2isiis ff fff ? ?? 取樣－保持電路 L? 為高電平時(shí)，場效應(yīng)管 T 導(dǎo)通 ,進(jìn)行取樣 IFIO RR?? ?? L? 為低電平時(shí)， T截止。正因?yàn)檫@樣，有時(shí)又把 A/D轉(zhuǎn)換器叫做編碼器。轉(zhuǎn)換器的種類繁多，分類方法也不統(tǒng)一。 本科生畢業(yè)論文 19 直接比較型 A/D 轉(zhuǎn)換的具體形式多種多樣，下面介紹幾種形式。試碼過程中 ，每次加碼是保持還是撤掉，要由加碼后天平的失衡狀況來決定。 圖 逐次比較反饋編碼型 A/D 轉(zhuǎn)換 比較環(huán)節(jié)：鑒別各步試碼狀態(tài)，決定新加碼的“取”或“舍”。 逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)： 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 20 （ 1）轉(zhuǎn)換速度高。通常 D/A 轉(zhuǎn)換器容易獲得高精度，從而這種形式的 A/D 轉(zhuǎn)換的精度較高。 （二）線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換 線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換中，用作比較 的參考電壓 Vr 是一個(gè)線性增長（或下降）的斜變電壓（鋸齒波電壓），因此這種轉(zhuǎn)換又叫做斜坡型，單斜（單積分）型A/D 轉(zhuǎn)換它雖然也是通過兩個(gè)電壓直接比較對輸入電壓進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換，但是與逐次比較反饋編碼技術(shù)不同，不是在比較測量過程中直接進(jìn)行量化和編碼，而是通過中間量 —— 時(shí)間間隔間接進(jìn)行的。 本科生畢業(yè)論文 21 圖 線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理圖 比較器對輸入電壓和參考電壓 Vr進(jìn)行比較，并通過門控電路控制計(jì)數(shù)器門。 一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。 例如，相對誤差≤177。 D/A 轉(zhuǎn)化技術(shù) D/A 轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出，起到解碼作用，故又稱為譯碼或解碼器。 ??? iRFo? )( 0123 IIIIR F ????? )2222(2 30211203 ddddRVR R E F ????? )2222(2 001122334 ddddV R E F ????? )2222(2 00112211 ddddV nnnnnREFo ????????? ????? DV nREF2?? ： ，結(jié)構(gòu)簡單； ，差別大，不易集成。 ： 電阻種類少，便于集成；開關(guān)切換時(shí)，各點(diǎn)電位不變。 圖 權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器 FO Ri??? )( 02122232 432 ddddR IIIIF ???? )2222(2 001122334 ddddIR F ???? 電阻 REi 的種類多。 表示方法： （ 1)用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如 8 位。它表示實(shí)際的 D/A 轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。 如： ％ FSR。 O? DV nREF2?? (2)運(yùn)放零點(diǎn)漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差。 建立時(shí)間：從輸入信號變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2LSB 范圍以 內(nèi)的時(shí)間。 RsTR SVtT (m ax)0(m ax) ?? 其中： (max)TRT 為轉(zhuǎn)換時(shí)間， st 為建立時(shí)間， SR 為運(yùn)放輸出轉(zhuǎn)換速率。在安裝插卡時(shí)，用戶不需要設(shè) 置任何跳線和 DIP 撥碼開關(guān)?？ㄉ系?SRAM 存儲了每個(gè)通道不同的增益值及配置。該特性提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)輸入及 Windows 下更可靠的性能。另外兩個(gè)級聯(lián)在一起，用作脈沖觸發(fā)的 32 位定時(shí)器。 安裝與測試 軟件的安裝： 第一步：將啟動光盤插入光驅(qū)； 第二步：安裝執(zhí)行程序?qū)詣訂影惭b 。） 第二步：檢查板卡是否安裝正確，可以通過右擊 “我的電腦 ”，點(diǎn)擊 “屬性 ”，彈出 “系統(tǒng)屬性 ”框；選中 “硬件 ”頁面，點(diǎn)擊 “設(shè)備管理器 ”；將彈出畫面，如圖 所示：從圖中可以看到板卡已經(jīng)成功安裝。 點(diǎn)擊 “Setup”彈出下圖，可設(shè)置模擬輸入通道是單端 輸入或是差分輸入以及兩個(gè)模擬輸出通道 D/A 轉(zhuǎn)換的參考電壓。 圖 模擬輸出功能測試 個(gè)模擬輸出通道可以通過軟件設(shè)置選擇輸出正弦波、三角波、方波，您也可以設(shè)置輸出波頻率以及輸出電壓幅值。例如，將通道 0對應(yīng)管腳 DI0與數(shù)字地 DGND 短接，則通道 0對應(yīng)的狀態(tài)指示燈 (Bit0)變綠，在 DI0 與數(shù)字地之間接入 +5V 電壓，則指示燈變紅。差分輸入需要兩根線分別接到兩個(gè)輸入通道上，測量的是兩個(gè)輸入端的電壓差。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 34 模擬信號輸出連接及外圍電路 （ 1） PCI6221 有兩個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換通道， AO0OUT、 AO1OUT，您可以使用內(nèi)部提供的 5V/10V 的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生 0到 +5/+10 的模擬量輸出，您也可以使用外部基準(zhǔn)電壓 AO0REF、 AO1REF，外部基準(zhǔn)電壓范圍是 10V/+10V，比如外部參考電壓是 7V則輸出 0V到 +7V 的輸出電壓。美國國家儀器公司提出的“軟件即儀器”（ The Software is the Instrument）形象的概況了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。主要有 Microsoft公司的 Visual Basic與 Visual C++，本科生畢業(yè)論文 35 Borland 公司的 Delphi， Sybase 公司的 Power Builder。設(shè)計(jì)一個(gè)簡易 基于LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) ，在設(shè)計(jì)中必須考慮以下因素：開發(fā)成本低、執(zhí)行效率佳、程序彈性大、開放性架構(gòu)易于擴(kuò)充。 LABVIEW 將軟件的界面設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開來，修改人機(jī)界面無需對整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整， LABVIEW 是利用數(shù)據(jù)流框圖接 受指令，使程序簡單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)