【文章內(nèi)容簡介】 （ 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。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)。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?，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。由此可見，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。 （ 7） USB 接口方式的 VI Universal Serial Bus（ USB）因?yàn)槠湓?PC 機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用性和 高達(dá) 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(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。但是 USB 在儀器控制方面上亦有一些缺點(diǎn)。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。 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。 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。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、存儲等方面的限制 ，大大增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)配置。 （ 2） 利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源， 一方面，實(shí)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(yīng)的數(shù)值算法、實(shí)時(shí)、直基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 8 接的對測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)交互。 （ 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）。 （ 4） 基于計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)庫及報(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)。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。 （ 5） 基于計(jì)算機(jī)的開放式標(biāo)準(zhǔn)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(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。 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(shí)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(jì)算機(jī)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(luò)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(wù)。 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 軟件使得開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低 開發(fā)和維護(hù)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(shè)計(jì)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(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。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(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)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(shí)用的開發(fā)軟件。 Lab windows/CVI是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) 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(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。 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）。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(yīng)上述各種總線的配置，開發(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(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)。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(dá)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(kuò)大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)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(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等），使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)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(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。 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。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測試實(shí)驗(yàn)室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。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。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)檢測基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 10 系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測發(fā)動機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。一臺發(fā)動機(jī)檢測完后，就可打印出完整的檢測報(bào)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(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達(dá)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(jì)系列、多通道大容量波形 — 記錄系列。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。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。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。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(gè)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(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅 速發(fā)展和科學(xué)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(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)?！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。 圖形化編程平臺的進(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。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。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(gè)巨大的市場進(jìn)軍。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。一方面，大力引進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)及測控技術(shù)硬件，縮短與國際先進(jìn)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(jià)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(jì)算機(jī)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(luò)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(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。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(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。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。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。目前，虛擬儀器技 術(shù)在 測量方面的應(yīng)用已日趨成熟，它已成為測試及測量領(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)域中的開發(fā)與應(yīng)用。 長期以來，我國鐵路處于低裝備率、高利用率、高強(qiáng)度運(yùn)動狀態(tài)，特別是隨著火車運(yùn)行速度的一再提高，更加重了火車車輪的負(fù)擔(dān)?；疖嚨能囕啝顟B(tài)是否完好關(guān)系到火車的安全運(yùn)行，為了保障行車安全，提高運(yùn)輸能力，鐵道部門必須經(jīng)常對火車車輪狀態(tài)進(jìn)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(fù)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(shè)計(jì)方法，在 LabVlEW 虛擬儀器開發(fā)環(huán)境下，運(yùn)用 LabVIEW 的逐點(diǎn)分析庫，研發(fā)了火車車輪狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。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(shí)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(yīng)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(jìn)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(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。 目前市場上的 A/D 采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，其價(jià)格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的來說，性價(jià)比以及實(shí)用程度顯的不高。 本課題以 labview 軟件進(jìn)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(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。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(shè)計(jì) 。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(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。 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。 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)過程。 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。 第 五 章， 總結(jié) 與 展望：對設(shè)計(jì)的 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 進(jìn)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(shè)計(jì) 由好幾