【正文】 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。 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。 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。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)。該電路能代替軟件控制采樣期間多路開(kāi)關(guān)的切換。 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。 (1)參考電源引起的誤差稱(chēng)為比例系數(shù)誤差。 轉(zhuǎn)換誤差有時(shí)也稱(chēng)為線性誤差。權(quán)電流型 D/A轉(zhuǎn)換器可解決這一問(wèn)題。 本科生畢業(yè)論文 23 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(kāi)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。常用最低有效位的倍數(shù)表示。 線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理圖，如圖 所示。轉(zhuǎn)換精度主要是由 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度決定。各環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。按這樣分類(lèi)法 A/D 轉(zhuǎn)換可分為三大類(lèi)：直接比較型，間接比較型和復(fù)合型。對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，出采樣、量化外還要進(jìn)行編碼?？梢?jiàn)數(shù)字信號(hào)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。如 果依據(jù)香農(nóng)定理對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣沒(méi)有問(wèn)題，但是代價(jià)也許比較大，如必須使用高速 A／ D轉(zhuǎn)換器等。 ） 多個(gè)帶通信號(hào)的欠采樣方法及其應(yīng)用解決了多個(gè)射頻信號(hào)直接帶通采樣問(wèn)題和寬帶數(shù)字下變頻的高效實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 本科生畢業(yè)論文 15 編碼是把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。取樣定理，采樣信號(hào)的頻率 fs 和輸入模擬信號(hào)的最高頻率 fimax 之間必須滿(mǎn)足下述條件 : fs≥ 2fimax 因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng) 的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。拿到一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)后，首先要分解任務(wù)，把待設(shè)計(jì)任務(wù)分割成幾個(gè)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(guò)的工作；接 下來(lái)就是根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)選擇程序設(shè)計(jì)方法，自上而下或者自下而上。如果沒(méi)有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序，用戶(hù)也可以自己編寫(xiě)。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創(chuàng)建開(kāi)發(fā) 原型 （明確實(shí)質(zhì)要解決的問(wèn)題） 、分析程序的可行性（包括成本、性能、風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)障礙）等。 第二章， 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車(chē)車(chē)輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 的原理：首先講述通用 智能火車(chē)車(chē)輪測(cè)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(chē)車(chē)輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 的原理。 本文的研究?jī)?nèi)容 虛擬儀器 系統(tǒng) 由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。它的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)是利用高效靈活的軟件來(lái)完成的，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要自己構(gòu)建儀器的功能、操作和顯示界面。我國(guó)還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)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(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。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(dòng)測(cè)試與電子測(cè)試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 10 系統(tǒng)，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。美國(guó) NI 公司在 1997 年 9月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺(tái) PXI，這是與 Compact PCI 完全兼容的系統(tǒng)。美國(guó)的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí) 驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。 （ 5） 基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。 無(wú)論哪種 VI 系統(tǒng) ，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺(tái)式微機(jī)和工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，主要市場(chǎng)在臺(tái)式儀器市場(chǎng)。因個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)目非常龐大，插卡式儀器價(jià)格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門(mén)使用。它不僅可以用于電子測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)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(guò)程自動(dòng)化。它能夠充分利用和發(fā)揮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，使儀器的測(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。第二代數(shù)字化儀器，這類(lèi)儀器現(xiàn)在相當(dāng)普遍，這類(lèi)儀器將模擬信號(hào)的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(cè)量，如數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字頻率計(jì)等。第一代模擬儀器，這類(lèi)儀器在某些實(shí)驗(yàn)室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬(wàn)用表 、晶體管電壓表、指針式電流表等。虛擬儀器，它 既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。隨著基于 PC 的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， PCDAQ 方式存在的缺點(diǎn)已經(jīng)和正在被克服。 GPIB 技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺(tái)機(jī)器組合起來(lái)，形成大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 （ 6） 網(wǎng)絡(luò)接口方式的 VI 盡管 Inter 技術(shù)最初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過(guò) NI 等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了通過(guò) Web 瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過(guò) Inter 操作儀器設(shè)備。比如說(shuō) USB 的排線沒(méi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失，此外， USB 對(duì)排線的距離也有一定的限制。因此，利用 VI技術(shù)可 方便的構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ ATS， Automatic Test System），實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化。在美國(guó)虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門(mén)必修課程。 虛擬儀器開(kāi)發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)各種通用計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專(zhuān)用的總線系統(tǒng)。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”將 8 臺(tái)儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì) 逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。如何使用戶(hù)進(jìn)行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡(jiǎn)單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容，如何幫助用戶(hù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，在智能化程序、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性及功能擴(kuò)展等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：精確快速地檢測(cè)微弱損壞信號(hào)；在火車(chē)正常運(yùn)行情況下直接獲取數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)的采集分析數(shù)據(jù)從而提高檢測(cè)速度并簡(jiǎn)化編程。本論文具體 內(nèi)容安排如下： 第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其優(yōu)勢(shì)，發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究?jī)?nèi)容。 2． 1 虛擬儀器創(chuàng)建過(guò)程 創(chuàng)建虛擬儀 器的過(guò)程大體分為以下五步： （ 1） 需求分析。在 LABVIEW 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)中已經(jīng)包含了上千個(gè)免費(fèi)的驅(qū)動(dòng)程序（這些驅(qū)動(dòng)程序支持 NI 公司的硬件產(chǎn)品），還包括 了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的 LABVIEW 驅(qū)動(dòng)程序。 （ 4）程序設(shè)計(jì)。 數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí) 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。 采樣定理 采樣：把在時(shí)間上是連續(xù)的輸入模擬信號(hào) ui轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上是斷續(xù)的信號(hào)，輸出脈沖波的包絡(luò)仍反映輸入信號(hào)幅度的大小。這就是量化。帶通信號(hào)采樣定理要求采樣頻率 fs 滿(mǎn)足不等式 ： 2fH／ N≤fs≤2fL／（ N－ 1） （ 其中 fH為帶通信號(hào)的頻率上限， fL 為帶通信號(hào)的頻率下限。很顯然已有的采樣定理還沒(méi)有很好地回答這個(gè)問(wèn)題。 數(shù)字信號(hào)：數(shù)字信號(hào)無(wú)論在時(shí)間上還是幅值上都不能連續(xù)發(fā)生變化，即都經(jīng)過(guò)了“量化”。 模擬信號(hào)要經(jīng)過(guò)采樣、量化過(guò)程才能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。目前較普遍的是按比較原理進(jìn)行分類(lèi)。 圖 A/D 轉(zhuǎn)換的原理框圖，其主要由比較環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)、比較基準(zhǔn)及累積三大部分構(gòu)成。 （ 2）轉(zhuǎn)換精度高。它具有直接比較型轉(zhuǎn)換的共同特點(diǎn) —— 瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 22 轉(zhuǎn)換誤差 ——它表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。 （一）、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器 ，如圖 所示。 （三）、權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器 如圖 所示，在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器和倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器中，若模擬開(kāi)關(guān)不是理想開(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降將影響轉(zhuǎn)換精度。 nREFV2 ： )12(2 ?nnREFV = 121?n 2）轉(zhuǎn)換誤差： 由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來(lái)表示實(shí)際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。但具有不同的特點(diǎn)。 不包含運(yùn)放的 DAC 建立時(shí)間可達(dá) 。 （ 2）單端或差分混合的模擬量輸入 PCI6221 有一個(gè)自動(dòng)通道 /增益掃描電路。計(jì)數(shù)器芯片為 82C54 或與其兼容的芯片，它包含了三個(gè) 16位的 10MHz 時(shí)鐘的計(jì)數(shù)器。 第三步 : 點(diǎn)擊 CONTINUE,出現(xiàn)圖 界面 : 本科生畢業(yè)論文 29 圖 驅(qū)動(dòng)安裝 第四步 :選擇點(diǎn)擊您所安裝的板卡型號(hào) ,然后按照提示就 可一步一步完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝。 到此， PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡的軟件和硬件已經(jīng)安裝完畢 ,可進(jìn)行板卡測(cè)試。沒(méi)有地端的信號(hào)源稱(chēng)為“浮動(dòng) ”信號(hào)源 ,在這種模式下， PCI6221 為外部浮動(dòng)信號(hào)源提供一個(gè)參考地。 設(shè)計(jì) 軟件比較 在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。如 HP 公司的 HPVEE， NI 公司的 LABVIEW Lab windows/CVI 等。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì)，這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩。 LABVIEW 的前面板可以包括旋鈕、刻度盤(pán)、開(kāi)關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。只有選擇了合適的軟硬件才能快速的開(kāi)發(fā)出應(yīng)用軟件，才能事半功倍。為了避免共模干擾，您可以將信號(hào)地連到低電壓輸入端。 （ 2）數(shù)字量輸入功能測(cè)試 本科生畢業(yè)論文 31 在測(cè)試界面中點(diǎn)擊數(shù)字量輸入標(biāo)簽，彈出圖 所示界面。 計(jì)算機(jī)上已經(jīng)安裝好某個(gè)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)程序后，它前面將沒(méi)有紅色叉號(hào) , 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 30 說(shuō)明驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)安裝成功。該電纜采用雙絞線，并且模擬信號(hào)線和數(shù)字信號(hào)線是分開(kāi)屏蔽的。 （ 3） 卡上 FIFO(先入先出 )存儲(chǔ)器 PCI6221 卡上有一個(gè) FIFO 緩沖器 ,它能存儲(chǔ) 4K的 A/D 采樣值。該板卡的主要性能如下： ◆ 16路模擬信號(hào)輸入通道，采樣率為 250kS/s，輸入范圍為 10V～ +10V； ◆ 2路模擬量輸出通道，分辨率為 16 位； ◆ 24路數(shù)字 I/O，數(shù)字觸發(fā)； ◆ 2個(gè) 32位定時(shí)計(jì)數(shù)器； ◆ NIDAQmx 測(cè)試軟件和硬件配置支持； 本科生畢業(yè)論文 27 ◆ NIMCal 校準(zhǔn)支持； ◆ NIST 校準(zhǔn)證書(shū)和多于 70 多種的信號(hào)調(diào)理模塊選擇。非線性誤差有時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換特性局部非單調(diào)性，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。如： 1LSB。 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 1）轉(zhuǎn)換精度 本科生畢業(yè)論文 25 通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。 圖 倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器 1. 電阻網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)： 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 24 模擬開(kāi)關(guān) Si 不論接何位置，都相當(dāng)于接地。 （ 2）轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度 ——可用轉(zhuǎn)換時(shí)間表示 ,指從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。這種技術(shù)又 叫做數(shù)字斜坡技術(shù)。 （ 3）轉(zhuǎn)換的控制方式及線路復(fù)雜，使用元件較多。 比較基準(zhǔn)：提供各級(jí)砝碼，進(jìn)行試碼累計(jì)（加 碼累計(jì)）。轉(zhuǎn)換相當(dāng)于“稱(chēng)量”電壓的試碼過(guò)程。式中使用了近似符號(hào)是因?yàn)锳/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可避免的存在量化誤差。如圖 所示。 本科生畢業(yè)論文 17 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào)：在幅值、時(shí)間上均可連續(xù)發(fā)生變化的信號(hào)稱(chēng)為模擬信號(hào)。在大多數(shù)情況下，人們感興趣的是從采樣信號(hào)中恢復(fù)有用的信號(hào)。下圖說(shuō)明了兩種量化方法： 圖 兩種量化 量化誤差＝△ 量化誤差＝△ /2 當(dāng)輸入電壓不為的整數(shù)倍時(shí)，必然產(chǎn)生誤差，稱(chēng)為量化誤差。 量化。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問(wèn)題要解決。測(cè)試應(yīng)該從底層的 VI 開(kāi)始，然后再測(cè)試較大的模塊，最后進(jìn)行整體測(cè)試。前面板必須簡(jiǎn)潔、易懂、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿(mǎn)足復(fù)雜工作要求。 （ 2）軟、硬件的選擇 。 第 四 章， 程序設(shè)計(jì)顯示 ：本章給出了 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車(chē)車(chē)輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)性能的具體指標(biāo)，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車(chē)車(chē)輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 的實(shí)用性和優(yōu)越性。 目前市場(chǎng)上的 A/D 采集卡