【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)一臺(tái)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(wú)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(kāi)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(chǔ)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(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、實(shí)時(shí)、直接的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過(guò)圖形用戶界面（Graph User 7Interface）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(kù)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，F(xiàn)ield 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(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。（5）基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jí)方便，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序即可。關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)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(wú)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(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低 開(kāi)發(fā)和維護(hù)開(kāi)銷高技術(shù)更新周期短（12 年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（510 年）數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印 數(shù)據(jù)無(wú)法編輯1．2 虛擬儀器的現(xiàn)狀1．2．1 國(guó)外現(xiàn)狀虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)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(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)生的一門必修課程。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。近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)8者利用這些公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。最早和最具有影響力的開(kāi)發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW 軟件和 Lab windows/CVI開(kāi)發(fā)軟件。LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。Lab windows/CVI是為熟悉 C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSI C 開(kāi)發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)軟件之外，美國(guó) HP 公司的 HPVEE 和 HPTIG 平臺(tái)軟件，美國(guó)Tektronix 公司的 EzTest 和 TekTNS 軟件，以及美國(guó)的 HEM Data 公司的 SnapMaster 平臺(tái)軟件，也是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開(kāi)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(guó)的公司，特別是美國(guó) NI 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開(kāi)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。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用的總線系統(tǒng)。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)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái) 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(kāi)發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)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(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)（例如測(cè)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(cè)、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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。1．2．2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀在國(guó)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(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開(kāi)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(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開(kāi)發(fā)成果在網(wǎng)上公開(kāi)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(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。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。一臺(tái)9發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告。此外，國(guó)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(chǔ)智能火車車輪測(cè)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(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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。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。1．2．3 發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測(cè)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(cè)量課題和測(cè)量需要?！皼](méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)。 ”虛擬儀器將會(huì)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(tái)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(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。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。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開(kāi)發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn)國(guó)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(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù)硬件，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。VXI 總線將成為未來(lái)虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，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。 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。虛擬儀滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)10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(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。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)。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(yǔ)言LabVIEW 是當(dāng)今國(guó)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(lái)開(kāi)發(fā)與執(zhí)行。目前，虛擬儀器技術(shù)在測(cè)量方面的應(yīng)用已日趨成熟，它已成為測(cè)試及測(cè)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)鐵路處于低裝備率、高利用率、高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)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(duì)火車車輪狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。就目前現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)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(cè)方面，在線檢測(cè)相對(duì)較少?；谶@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(kāi)發(fā)環(huán)境下，運(yùn)用 LabVIEW 的逐點(diǎn)分析庫(kù)，研發(fā)了火車車輪狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。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)稱硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)主要完成對(duì)被測(cè)信號(hào)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(hào)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(chǎng)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(lái)說(shuō)，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(hào)的仿真生成、濾波和各類處理。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(cè)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(kāi)發(fā)了一臺(tái)基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng)設(shè)11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(shì)，發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究?jī)?nèi)容。第二章，基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理：首先講述通用智能火車車輪測(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車輪測(cè)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(cè)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(guò)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(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車輪測(cè)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(duì)設(shè)計(jì)的基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)給出了展望。滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)12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(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)由好幾部分組成。本章將詳細(xì)討論對(duì)基于 LabVIEW 虛擬儀器的智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)幾種方案的比較。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。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。在創(chuàng)建開(kāi)發(fā)原型的過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員要與程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。在此基礎(chǔ)上，程序開(kāi)發(fā)人員對(duì)所要解決的問(wèn)題有了大致的了解，甚至可以畫出一個(gè)系統(tǒng)的框圖，之后還要進(jìn)行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價(jià)比、開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等。（2）軟、硬件的選擇。程序開(kāi)發(fā)人員不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)的問(wèn)題，目前的 LABVIEW是一個(gè)支持多個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的軟件，Windows、Power Macintosh、Sun SPARCA 工作站、HP 工作站、Linux 上都可以運(yùn)行。針對(duì)一些特殊的任務(wù)，LABVIEW 還提供一些附加的工具包，非常方便。選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ甙鼘?huì)達(dá)到事半功倍的效果。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。如果沒(méi)有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序，用戶也可以自己編寫。（3）設(shè)計(jì)用戶界面。 用戶界面也稱 GUI，即 graphical user interface。前面板必須簡(jiǎn)潔、易懂、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足復(fù)雜工作要求。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：①一個(gè) VI 程序的 GUI 之間要保持一致；②VI 的 GUI 要與平時(shí)大家用的應(yīng)用程序色調(diào)一致。鮮明就是說(shuō)：需要強(qiáng)調(diào)的部分一定要用顏色加以突出，體現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)程序的特點(diǎn)，減少用戶操作過(guò)程中犯錯(cuò)誤機(jī)會(huì)。（4）程序設(shè)計(jì)。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