【文章內(nèi)容簡介】 （ 6） 網(wǎng)絡接口方式的 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備的產(chǎn)品，使人們可以通過 Inter 操作儀器設備。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。利用計算機網(wǎng)絡將分散在不同地理位置不同 功能的 設備 聯(lián)系在一起，使昂 貴的硬件設備、軟件在網(wǎng)絡上得以共享，減少了設備重復投資?，F(xiàn)在，有關(guān) MCN（ Measurement and Control Networks ）方面的標準正在積極進行，并取得一定的進展。由此可見，網(wǎng)絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。 （ 7） USB 接口方式的 VI Universal 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 480Mbits/s 的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)?，F(xiàn)在計算機上的 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 連接到整個系統(tǒng)中。但是 USB 在儀器控制方面上亦有一些缺點。比如說 USB 的排線沒有工業(yè)標準的規(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。 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用軟件而構(gòu)成的。 虛擬儀器的優(yōu)點 一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實現(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，如使用靈活方便、功能豐富、價格低廉、可一機多用、可重復開發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下幾個優(yōu)點： （ 1） 融合了計算機強大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等方面的限制 ，大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標準配置。 （ 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)和相應的數(shù)值算法、實時、直基于 LABVIEW的虛擬示波器設計 8 接的對測量數(shù)據(jù)進行各種分析和處理；另一方面，通過圖形用戶界面（ Graph User Interface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機交互。 （ 3） 基于計算機總線和模塊化儀器總線， 使 儀器的硬件實現(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）。 （ 4） 基于計算機 數(shù)據(jù)庫及報表技術(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)總線標準。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），實現(xiàn)測量、控制過程的網(wǎng)絡化。 （ 5） 基于計算機的開放式標準體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。 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)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時間。 下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 。 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)絡下載升級程序即可。 關(guān)鍵是硬件，升級成本較高，且升級必須上門服務。 價格低廉，儀器間資源可重復利用率高 價格昂貴，儀器間一般無法相互利用 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 及周邊設備方便互連 與其他設備儀器的連接十分有限 軟件使得開發(fā)和維護費用降至最低 開發(fā)和維護開銷高 技術(shù)更新周期短（ 12年） 技術(shù)更新周期長（ 510年） 數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印 數(shù)據(jù)無法編輯 1． 2 虛擬儀器的現(xiàn)狀 1． 2． 1 國外現(xiàn)狀 虛擬儀器技術(shù)目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（ NI 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設計的商品化儀器產(chǎn)品。在美國虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已作為各大學理工科學生的一門必修課程。美國的斯福坦大學的機械工程系要求三、四年級的學生在實 驗時應用虛擬儀器進行數(shù)據(jù)采集和實驗控制。 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。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW 軟件和 Lab windows/CVI開發(fā)軟件。 LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。 Lab windows/CVI是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準備的、在 windows 環(huán)境下的標準 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，也是國際上公認的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。 當今虛擬儀器的系統(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 機廣泛采用的 USB 串行總線和 IEEE1394 總線（即 Fire wire，也叫做火線）。世界各國的公司，特別是美國 NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不同復雜程度的虛擬儀器自動檢測系統(tǒng)。 虛擬儀器開發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應各種通用計算機總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。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)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺 PXI/Compact PCI 的傳輸速度已經(jīng)達到 100Mb/s。 是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。 虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達模塊及其變換方面也做了很多工作，發(fā)布 了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和開發(fā)工具庫（例如測量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢測、波形發(fā)生噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運算、時域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復雜自動檢測系統(tǒng)的儀器系統(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)，上海復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學、華中理工大學、四川聯(lián)合大學等。 近一、兩年來這些學校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研。其中，華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。四川聯(lián)合大學的教師基于虛擬儀器的設計思想，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。清華大學利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測基于 LABVIEW的虛擬示波器設計 10 系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。主要檢測發(fā)動機的功率特性、負荷特性等。一臺發(fā)動機檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。此外，國內(nèi)已有幾家 企業(yè)在研制 PC 虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達到一定的批量。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。國內(nèi)專家預測：未來幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設備的運行狀況進行實時監(jiān)測。隨著微型計算機的發(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。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標志著二十一世紀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。 1． 2． 3 發(fā)展趨勢 虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。 虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟性，因而特別適應于當代科學技術(shù)迅 速發(fā)展和科學研究不斷深化所提出的更高跟新的測量課題和測量需要?！皼]有測量就沒有鑒別，科學技術(shù)就不能前進?！碧摂M儀器將會在科學技術(shù)的各個領(lǐng)域得到廣泛的應用。 圖形化編程平臺的進一步發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一個重要方向。如何使用戶進行少量的學習甚至不需要學習就可使用功能強大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成簡單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復雜的測試內(nèi)容，如何幫助用戶對測試結(jié)果進行分析和判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。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軍。結(jié) 合我國的實際情況，我們必須走引進與自行開發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計算機的插卡式硬件模塊為主的測控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計算機及測控技術(shù)硬件，縮短與國際先進水平的差距。 VXI 總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺，這是由 VXI總線的性能決定的；另一方面，基于 PCIDAQ 的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價比高、靈活性好而受到大多數(shù)用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。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)絡化方向 發(fā)展。 本科生畢業(yè)論文 11 課題背景和課題目的 在當代信息發(fā)展迅速的情況下 ,各類通信方式為人們提供著強大的支柱。虛擬儀器技術(shù)是計算機和傳統(tǒng)的儀器技術(shù)融合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。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、可操作性及功能擴展等方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。它的設計與開發(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。圖形化編程語言 LabVIEW是當今國內(nèi)外設計虛擬儀器最為流行的軟件，整個儀控系統(tǒng)都完全可以使用它來開發(fā)與執(zhí)行。目前，虛擬儀器技 術(shù)在 測量方面的應用已日趨成熟，它已成為測試及測量領(lǐng)域的工業(yè)標準 ，故此，本文主要探討虛擬儀器技術(shù)在遠程控制領(lǐng)域中的開發(fā)與應用。 長期以來，我國鐵路處于低裝備率、高利用率、高強度運動狀態(tài)，特別是隨著火車運行速度的一再提高，更加重了火車車輪的負擔?；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)進行檢測。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)或修復環(huán)節(jié)的缺陷檢測方面，在線檢測相對較少。 基于這種情形，本文引入虛擬儀器技術(shù)的思想和設計方法，在 LabVlEW 虛擬儀器開發(fā)環(huán)境下，運用 LabVIEW 的逐點分析庫，研發(fā)了火車車輪狀態(tài)實時檢測系統(tǒng)。本自動化檢測系統(tǒng)有如下特點：精確快速地檢測微弱損壞信號；在火車正常運行情況下直接獲取數(shù)據(jù)；實時的采集分析數(shù)據(jù)從而提高檢測速度并簡化編程。 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）和應用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺主要完成對被測信號的進行調(diào)理和采集。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（含信號調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換器 、數(shù)字 I/O、定時器、 D/A 轉(zhuǎn)換器等 ） ，或者是帶標準總線接口的儀 器，如 GPIB、 VXI、 PXI、 STD、 PCI 總線儀器和網(wǎng)絡化儀器等。 目前市場上的 A/D 采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標準總線接口的儀器等，其價格均不菲，以畢業(yè)設計的目的來說，性價比以及實用程度顯的不高。 本課題以 labview 軟件進行了信號的仿真生成、濾波和各類處理。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設計 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) 設計 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。本論文開發(fā)了一臺 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設計 。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。 第二章， 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設計 的原理：首先講述通用 智能火車車輪測試系統(tǒng)的原理 ，進而講述了 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設計 的原理。 第三章， 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng)軟件 的設計：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細講述了軟件選擇 LABVIEW。 軟件模塊設計是 本章 重點，詳細講述了各個功能模塊具體的實現(xiàn)過程。 第 四 章， 程序設計顯示 ：本章給出了 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設計 系統(tǒng)性能的具體指標，進行了系統(tǒng)調(diào)試，驗證了 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng) 設計 的實用性和優(yōu)越性。 第 五 章， 總結(jié) 與 展望：對設計的 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng)設計 進行了總結(jié)，并對將來的發(fā)展趨勢給出了展望。 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) 設計 由好幾