【文章內(nèi)容簡介】 件 的重要組成部分。 虛擬儀器技術 最主要的 是軟件， 它的 結構 在軟件上的體現(xiàn) 如圖 所示 。 用戶可以開發(fā)自己的應用軟件的各種編程所需要的軟件。 現(xiàn)在 美國 NI 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 是最流行的虛擬平臺開發(fā)軟件 。 這些 NI開發(fā)平臺提供了 很多 的 前面板使用 工具和各種數(shù)據(jù) 分析 工具， 另外 虛擬儀器硬件廠商 生產(chǎn) 的各種硬件的驅動程序模塊， 使虛擬儀器的設計變得簡單很多 。 隨著軟件技術的迅速成熟，模塊化，可重用的軟件，模塊化，標準驅動的檢測儀的軟、硬件，更快速的虛擬儀器軟件開發(fā)。 虛擬儀器伴隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，它的硬件設施也開始漸漸的完善和調(diào)整。用戶界面是最典型的代表。用戶的個人信息的安全保密工作是相對比較完善的部分。數(shù)據(jù)處理的要求也開始變得越來越高。速度、準確度、精度是數(shù)據(jù)處理的進一步的要求。硬件驅動程序是相對比較重要的部分。它實現(xiàn)了軟件與硬件的相互連接。 南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 10 硬 件 驅 動 程 序數(shù) 據(jù) 處 理用 戶 界 面 圖 虛擬儀器軟件結構 圖 虛擬儀器的開發(fā)軟件 —— Labview LABVIEW 是以程序框圖為基本單元并進行繪制的軟件 ，通過前面板來顯示想要實現(xiàn)的功能。利用調(diào)用不同控件，并將其空間的端點相互連接來實現(xiàn)不同的功能。而虛擬儀器則是 接收 指令，該指令來自于程序框圖。所以，想用 labview想要實現(xiàn)不同功能，只需調(diào)用對應的函數(shù)方塊并將它們通過規(guī)定的連接方式連接，就可以實現(xiàn)對應的功能，不必要局限于語法細節(jié)的編寫。前面板、程序框圖、圖標 /接線端口三個部分 構成了 一個 labview。 前面板是用來模擬真實儀器控制面板； 程序框圖是圖形語言到前面板控件的使用（分為對照組和表示兩個量）控制； 圖標 /接線端口用于把 LabVIEW 程序定義成一個子程序，從 而實現(xiàn)模塊化編程。 具體界面如圖 所示。 圖 Labview的驅動界面 目前，基于試驗和工業(yè)控制軟件，上位機 LabVIEW的市場占有率僅次于 C++/C語言。 LabVIEW 具備 一系列 無可比擬 的 長處 ： 第一 ， LabVIEW 作為圖形化語言編南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 11 程， 利用流程圖的方式來 編程， 使用的工具 圖 形 與科學家、工程師們 熟悉 的大部分圖標基本 相同 ，這使得編程 程序 和思維 極為類似 ； 同時， LabVIEW 提供虛擬圖書館和儀表板材料庫豐富， 庫內(nèi) 的近 600 種設備（擴大）如 GPIB VXI 總線設備的控制，控制，串口控制，和數(shù)據(jù)分析，顯示和 存儲 。 因此， 越來越多工程師、科學家對 LabVIEW 有了 不少 的依賴 。 Labview 軟件應用介紹 所有的 LabVIEW 應用程序，即虛擬儀器 (VI)， 它包括前面板（面板），流程圖（框圖）和圖標 /連接器（圖標 /連接器）三 個部分。 ：前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面板后還有一個與之對應的流程圖。 ：流程圖提供 VI的圖形化源程序。在流程圖 中對 VI 編程， 通過控制并且定義 操縱在前面板上的輸入和輸出 的 功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結構和連線等。 /連接設計：這部分的設計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設計的思想。 在大型全自動檢測系統(tǒng)的一步完成一個復雜的系統(tǒng)的設計是非常困難的設計。 而在 LabVIEW 中提供的圖標 /連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設計而準備的。設計者可把一個復雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。這樣設計的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾方面： ① 把一個復雜自動檢測系統(tǒng)分 為多個子系統(tǒng)，程序設計思路清晰，給設計者調(diào)試程序帶來了諸多的方便 。 在為未來系統(tǒng)的維護，同時提供了一個方便的。 ② 一個 繁雜 的自動檢測系統(tǒng)分為 好幾 個子系統(tǒng)，每 一 個子系統(tǒng)是一個 完備的功用 模塊， 因此檢測 功能的詳細，易于 完成 軟件復用， 減短了 軟件開發(fā)周期，提高系統(tǒng)設計的可靠性。 ③ 這是很容易實現(xiàn)的“集成測試與虛擬儀器庫”的思考。同時提供的虛擬儀器的設計靈活性的前提下實現(xiàn)的。 南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 12 第三章 信號采集系統(tǒng)硬件介紹及 應用 原理 系統(tǒng)硬件選擇 PC機 本機配置： 處理器： Intel(R)Core(TM)i54200U CPU @ 內(nèi)存 ： 4GB 硬盤： 500GB 顯卡： 2GB 傳感器 傳感器 所用的型號是 801s 振動信號傳感器。 它 的內(nèi)部結構相當于一個金屬球固定在一個特殊的彈簧上作為一極，他的周圍是另外一極，振動達到一定的幅度后兩極接通，后面的調(diào)理電路作用應該是消除干擾信號，整形輸出。 具體原理如 圖 所示。 圖 振動傳感器 801S 原理圖 NI PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡 NI PCI6024 是 NI 公司的 E 系列多功能數(shù)據(jù)采集卡， 依靠 的是一個 A/D 轉換器，多路采集，實際上是分時 采集 的，所有在多路同時工作時采樣率會成倍降低。該板卡的主要性能如下： ◆ 16 路模擬信號輸入通道，采樣率為 200kS/s，輸入范圍為 10V～ +10V； ◆ 2 路模擬量輸出通道，分辨率為 12 位； ◆ 8 路數(shù)字 I/O，數(shù)字觸發(fā)； ◆ 2 個 32 位定時計數(shù)器； ◆ NIDAQmx 測試軟件和硬件配置支持 ； 南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 13 采集系統(tǒng)的應用原理 現(xiàn)在計算機普遍運用 ，數(shù)據(jù)采集的重要性是 相當明顯 的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時， 要注意一些計算的準則，來解決一些實際中遇到的問題。 如果此刻 對一個模擬信號 x(t)每隔△ t間隔 采樣一次。時間間隔△ t被 叫做采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù) l/△ t 被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù) /每秒。t＝ 0，△ t， 2△ t， 3△ t??等等， x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。 所有的 x（ 0），X（△ T）， X（ 2 T）的采樣值。 所以數(shù)據(jù)信息所表示的離散的點 可以用一組分散的采樣值來表示： {x(0)， x(△ t)， x(2△ t)， x(3△ t)，?， x(k△ t)，? } 單個模擬信號和它采樣后的采樣值如圖 所示。采樣間隔是△ t，注意，采樣 所得到的 點在時域 圖 上 表示的 是離散的。 圖 模擬信號采樣圖 假如 對 數(shù)據(jù)信息 x(t)采集 N 個點，那么 x(t)就可以用下面這個數(shù)列表示： X={x[0]， x[l]， x[2]， x[3]，?， x[N－ l]} 信號 x(t)的數(shù)字化或者采樣顯示 在此顯現(xiàn)出來 。 只是用下標變量在圖 中顯示，而沒有表示任何關于時間間隔的信息。以此假如 只 了解 該 數(shù)據(jù)信息 的采樣值，并不能 了解 它的采樣率，缺少了 （ △ t） ，也 不能夠了解數(shù)據(jù)信息 x(t)的頻率。 根據(jù)采樣定理，最小采樣頻率必須兩倍的信號頻率 。 換句話說，假如 設 定了采樣 的 頻率，那么能夠 表現(xiàn)的最為準確沒有發(fā)生任何改變的 最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣 的 頻率的一半。 假如數(shù)據(jù)信息 中 有 頻率 比 奈奎斯特頻率 高 的成分， 數(shù)據(jù)信息 將在直流和恩奎斯特頻率之間 相互交替 。圖 和圖 表示 了一個 數(shù)據(jù)信息 用 兩種方式顯示出來的結果，一種是 合適的采樣率和 另一種是 過低的采樣率進行 采樣。 南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 14 圖 合適采樣率采樣波形圖 圖 采樣率過低采樣波形圖 采樣率太低是信號頻率的降低看起來不同于原始信號。該信號稱為混疊失真。 為了 防止 這種情況的 再次出現(xiàn) ， 一般會 在 數(shù)據(jù)信息 被采集 (A/D)之前， 利用一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的 數(shù)據(jù)信息成份刪 去 理論設定采樣頻率是 2 倍的最高頻率分量的信號被收集到足夠的，但事實上，項目選擇的 510倍，有時為了更好地恢復波形，甚至更多。 數(shù)據(jù)采集 結構如圖 所示。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，程序將初始化 該采集卡，卡和內(nèi)存緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)采集和存儲的中間環(huán)節(jié)。 需要注意的兩個問題是： 是否使用緩沖，是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作。 B u f f e r( F I F O )驅動程序L a b v i e w程 序信 號D A Q 板 卡A / D外 觸 發(fā)內(nèi) 存B u f f e r硬 件顯 示 圖 數(shù)據(jù)采集結構圖 1．緩沖 (Buffers) 南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 15 這里的緩沖指的是 PC內(nèi)存的一個區(qū)域 (不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 緩沖 )，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。 例如，你需要收集第二收集數(shù)以千計的數(shù)據(jù)，在第二顯示或圖形數(shù)據(jù)是困難的。但采集卡的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，你可以下載他們的快速存儲，稍后再取回它顯示和分析。請注意，緩沖和收集的運行速度 和容量。 不要使用緩沖裝置的每個數(shù)據(jù)必須及時處理（圖形分析等）。 下列情況需要使用 Buffer I/O： ① 需要收集或產(chǎn)生許多樣品，率超過實際的顯示，存儲硬件，速度和實時性分析。 ② 需要不斷收集或產(chǎn)生交流數(shù)據(jù)（ 10 樣本 /秒），并在同一時間或表現(xiàn)出一定的數(shù)據(jù)分析。 ③ 采樣周期必須準確，一致通過樣本數(shù)據(jù)。 下列情況可以不使用 Buffer I/O： ① 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 ② 需要縮減存儲器的開支。 2．觸發(fā) (Triggering) 觸發(fā) 有關于 初始化、終止或同步采集事件 的方式得到了有關應用 。觸發(fā)器 一般都是由數(shù)字或模擬信號組成的 ， 它的顯示可以來表明 狀態(tài)的觸發(fā) 。 軟件觸發(fā)最容易，你可以使用該軟件，如布爾控制面板的使用啟動 /停止數(shù)據(jù)采集。 硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進一步分為外部觸發(fā)和 在內(nèi)部 觸發(fā)。 當模擬信號輸出一個指定的輸出電壓時，該電壓讓采集卡輸出一個固定脈沖， 這 就 是內(nèi)部 的 觸發(fā)。 采集卡等外部設備，數(shù)字脈沖到達初始化數(shù)據(jù)采集卡，這是一個外部觸發(fā)。 很多 儀器 表示 數(shù)字輸出用于觸發(fā)特定的儀器，在這里， 便是 數(shù)據(jù)采集卡。 下列情況使用 軟件觸發(fā)： 用戶需要的所有集合操作的顯式控制，和事件的時間不需要很精確的。 下列情況使用硬件觸發(fā)： ① 采集事件定時需要非常準確。 ② 用戶需要削減軟件開支。 ③ 采集事件需要與外部裝置同步。 在進行數(shù)據(jù)采集前，必須對要采集的信號有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測信號，才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)。 一個任意的信號在時間上是一個物理量的變化。在正常情況下，攜帶信息的南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 16 信號是非常廣泛的， 比如：狀態(tài) (State)、速率 (Rate)、電平 (Level)、形狀 (Shape)、頻率成分 (Frequency Content)。 通過對數(shù)據(jù)信息的傳播方式的不同， 信號 可以被分成 模擬 信號和 數(shù)字信號 兩種 。數(shù)字信號 還包含兩種不同的類別，它們是 開關信號和脈沖信號。模擬信號 就可以表現(xiàn)為 為直流、時域、頻域信號。 1．數(shù)字信號 (Digital) 第一類數(shù)字信號是開關信號 (OnOff)，開關信號如圖 所示。 一個開關信號攜帶的信息和信號的瞬時狀態(tài)。 TTL 信號是一個開關信號， TTL 信號如果 至 的，我們把它定義為邏輯高，如果是 0到 之間，被定義為邏輯低。 O nO f ftS t a t e 圖 開關信號 圖 第二類數(shù)字信號是脈沖信號（脈沖），脈沖信號，如圖 所示。 很大一部分的狀態(tài)分析都包含在這些數(shù)據(jù)信號里面 ，信息就包含在狀態(tài)轉化發(fā)生的數(shù)目、轉換速率、一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里。 tR a t e 圖 脈沖信號 圖 2．模擬信號 (Analog) 模 擬直流信號（直流）是一個模擬信號在休息或變化很慢，模擬直流信號 如圖 所示。 南京工程學院汽車與軌道交通學院畢業(yè)設計（論文） 17 tL e v e l 圖 模擬直流信號 圖 在給定的區(qū)域內(nèi)圖形所顯示的幅度是直流信號所表現(xiàn)出來的最重要的額信息 。 溫度，速度，壓力， 應變共同的直流信號 等。 采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號時， 對應的精度要足夠高才能得到精確地電平信號 。 模擬時域信號 (Time Domain)運載的信息不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化，模擬時域信號如圖 所示。 在一個時域信號或