【正文】 示：本章給出了基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統(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車輪測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性和優(yōu)越性。（2）軟、硬件的選擇。前面板必須簡潔、易懂、設(shè)計(jì)時應(yīng)該滿足復(fù)雜工作要求。測試應(yīng)該從底層的 VI 開始，然后再測試較大的模塊，最后進(jìn)行整體測試。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問題要解決。 量化。下圖說明了兩種量化方法： 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，必然產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。在大多數(shù)情況下，人們感興趣的是從采樣信號中恢復(fù)有用的信號。滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)16 模擬信號與數(shù)字信號 模擬信號：在幅值、時間上均可連續(xù)發(fā)生變化的信號稱為模擬信號。如圖 所示。式中使用了近似符號是因?yàn)锳/D 轉(zhuǎn)換過程中不可避免的存在量化誤差。轉(zhuǎn)換相當(dāng)于“稱量”電壓的試碼過程。比較基準(zhǔn)：提供各級砝碼，進(jìn)行試碼累計(jì)（加碼累計(jì)） 。（3）轉(zhuǎn)換的控制方式及線路復(fù)雜，使用元件較多。這種技術(shù)又叫做數(shù)字斜坡技術(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度——可用轉(zhuǎn)換時間表示,指從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。23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)：模擬開關(guān) Si 不論接何位置，都相當(dāng)于接地。 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度1）轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。如：1LSB。非線性誤差有時導(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。該板卡的主要性能如下：◆ 16 路模擬信號輸入通道，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 32 位定時計(jì)數(shù)器；◆ NIDAQmx 測試軟件和硬件配置支持；◆ NIMCal 校準(zhǔn)支持；◆ NIST 校準(zhǔn)證書和多于 70 多種的信號調(diào)理模塊選擇。27（3） 卡上 FIFO(先入先出)存儲器PCI6221 卡上有一個 FIFO 緩沖器,它能存儲 4K 的 A/D 采樣值。該電纜采用雙絞線，并且模擬信號線和數(shù)字信號線是分開屏蔽的。 計(jì)算機(jī)上已經(jīng)安裝好某個產(chǎn)品的驅(qū)動程序后，它前面將沒有紅色叉號, 說明驅(qū)動程序已經(jīng)安裝成功。 （2）數(shù)字量輸入功能測試 在測試界面中點(diǎn)擊數(shù)字量輸入標(biāo)簽，彈出圖 所示界面。為了避免共模干擾，您可以將信號地連到低電壓輸入端。只有選擇了合適的軟硬件才能快速的開發(fā)出應(yīng)用軟件，才能事半功倍。LABVIEW 的前面板可以包括旋鈕、刻度盤、開關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。LABVIEW 是至今唯一帶有可以生產(chǎn)最佳編碼的編譯器的圖形化開發(fā)環(huán)境，運(yùn)行速度等同于編好的 C 或 C++程序。3．3 LABVIEW 簡介 LABVIEW 是（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺）是一個程序開發(fā)環(huán)境。LABVIEW 具有許多特性，能使測量和自動化應(yīng)用方案完成適用于用戶企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營，能將應(yīng)用方案以網(wǎng)頁的形式發(fā)表，或在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。無論是使用基于計(jì)算機(jī)的插入式儀器設(shè)備，還是使用 GPIB，VXI，Ether 接口或是串口的獨(dú)立儀器設(shè)備，LABVIEW 內(nèi)置的驅(qū)動程序庫和具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備驅(qū)動軟件都可以對儀器系統(tǒng)進(jìn)行全面的控制。 程序的流程圖上位虛擬儀器程序流程圖如圖所示：初始化數(shù)據(jù)采集讀取數(shù)據(jù)濾波處理數(shù)據(jù)分析停止 ？停止YN讀取消息隊(duì)列停止 ？Y停止N發(fā)送到消息隊(duì)列流程圖簡介：程序運(yùn)行后，先并行的讀采集卡的數(shù)據(jù)，然后送到消息隊(duì)列。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。如 HP 公司的 HPVEE，NI 公司的 LABVIEW Lab windows/CVI 等。 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。沒有地端的信號源稱為“浮動”信號源,在這種模式下， PCI6221 為外部浮動信號源提供一個參考地。 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)行板卡測試。第三步: 點(diǎn)擊 CONTINUE,出現(xiàn)圖 界面: 圖 驅(qū)動安裝第四步:選擇點(diǎn)擊您所安裝的板卡型號,然后按照提示就可一步一步完成驅(qū)動程序的安裝。計(jì)數(shù)器芯片為 82C54 或與其兼容的芯片，它包含了三個 16 位的 10MHz 時鐘的計(jì)數(shù)器。（2）單端或差分混合的模擬量輸入PCI6221 有一個自動通道/增益掃描電路。不包含運(yùn)放的 DAC 建立時間可達(dá) 。但具有不同的特點(diǎn)。nREFV2：)1(?n= 2n2）轉(zhuǎn)換誤差：由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來表示實(shí)際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。（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，若模擬開關(guān)不是理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降將影響轉(zhuǎn)換精度。（一） 、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，如圖 所示。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。它具有直接比較型轉(zhuǎn)換的共同特點(diǎn)——瞬時值轉(zhuǎn)換。（2）轉(zhuǎn)換精度高。圖 所示為逐次比較反饋編碼型 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。目前較普遍的是按比較原理進(jìn)行分類。模擬信號要經(jīng)過采樣、量化過程才能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)字信號：數(shù)字信號無論在時間上還是幅值上都不能連續(xù)發(fā)生變化，即都經(jīng)過了“量化” 。很顯然已有的采樣定理還沒有很好地回答這個問題。帶通信號采樣定理要求采樣頻率 fs 滿足不等式：2fH／N≤fs≤ 2fL／（N－1） （其中 fH 為帶通信號的頻率上限，fL 為帶通信號的頻率下限。這就是量化。 采樣定理采樣：把在時間上是連續(xù)的輸入模擬信號 ui 轉(zhuǎn)換成在時間上是斷續(xù)的信號，輸出脈沖波的包絡(luò)仍反映輸入信號幅度的大小。 數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識在計(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。（4）程序設(shè)計(jì)。在 LABVIEW 的設(shè)備驅(qū)動程序庫中已經(jīng)包含了上千個免費(fèi)的驅(qū)動程序（這些驅(qū)動程序支持 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)動程序。2．1 虛擬儀器創(chuàng)建過程創(chuàng)建虛擬儀器的過程大體分為以下五步：（1）需求分析。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，發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究內(nèi)容。本自動化檢測系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：精確快速地檢測微弱損壞信號；在火車正常運(yùn)行情況下直接獲取數(shù)據(jù)；實(shí)時的采集分析數(shù)據(jù)從而提高檢測速度并簡化編程。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。如何使用戶進(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)成簡單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測試內(nèi)容，如何幫助用戶對測試結(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。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。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“航空電臺二線綜合測試儀”將 8 臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。虛擬儀器開發(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用的總線系統(tǒng)。在美國虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。因此，利用 VI技術(shù)可方便的構(gòu)建自動測試系統(tǒng)（ATS，Automatic Test System） ，實(shí)現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。比如說 USB 的排線沒有工業(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 對排線的距離也有一定的限制。（6） 網(wǎng)絡(luò)接口方式的 VI盡管 Inter 技術(shù)最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備連接在一起，不過 NI 等公司已經(jīng)開發(fā)了通過 Web 瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過 Inter 操作儀器設(shè)備。GPIB 技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺機(jī)器組合起來，形成大的自動測試系統(tǒng)。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。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、存儲等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。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。第一代模擬儀器，這類儀器在某些實(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，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。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(jì)等。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。它不僅可以用于電子測量、測試、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)過程自動化。因個人計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。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。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)。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(jī)和工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。（5）基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。美國的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。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)。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機(jī)的出廠檢驗(yàn)。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。我國還基本處于傳統(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)品商家都在向中國這個巨大的市場進(jìn)軍。它的設(shè)計(jì)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(shí)際需要自己構(gòu)建儀器的功能、操作和顯示界面。 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。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(jì)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(jì)的原理。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(shí)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(xiǎn)和技術(shù)障礙）等。如果沒有現(xiàn)成的驅(qū)動程序，用戶也可以自己編寫。拿到一個設(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(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。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。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?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間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)14編碼是把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。 ）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(shí)現(xiàn)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?？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。對 A/D 轉(zhuǎn)換器來說，出采樣、量化外還要進(jìn)行編碼。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。各環(huán)節(jié)構(gòu)成了一個負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換精度主要是由 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度決定。線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理圖，如圖 所示。常用最低有效位的倍數(shù)表示。滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)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。權(quán)電流型D/A 轉(zhuǎn)換器可解決這一問題。轉(zhuǎn)換誤差有時也稱為線性誤差。(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差。外接運(yùn)放時，轉(zhuǎn)換時間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時間。該電路能代替軟件控制采樣期間多路開關(guān)的切換。其中有一個計(jì)數(shù)器作為事件計(jì)數(shù)器，用于對輸入通道的事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。 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。 測試（1）模擬輸出功能測試 在測試界面中點(diǎn)擊模擬輸出標(biāo)簽，彈出圖 所示界面。測量單端模擬信號輸入，標(biāo)準(zhǔn)連接方法，如圖 所示: 圖 單端模