【正文】 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。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。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。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。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。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。 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?；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)?；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)。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。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。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)。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。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。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。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?！皼](méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)。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。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)。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。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。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)。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。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。是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。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)。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)。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。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。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。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。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。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。（5）基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。（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)。（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。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。無(wú)論哪種 VI 系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺(tái)式微機(jī)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。但是 USB 在儀器控制方面上亦有一些缺點(diǎn)。（7） USB 接口方式的 VIUniversal 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，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。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)。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在 PCI 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時(shí)的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，適用于組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，但 VXI 系統(tǒng)要求有專用的機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。（4） VXI 總線方式的 VI VXI 總線是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的縮寫，是高速計(jì)算機(jī)總線 VME 在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 RFI/EMI 屏蔽。GPIB 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，主要市場(chǎng)在臺(tái)式儀器市場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 GPIB 接口卡可帶多達(dá) 14 臺(tái)的儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá) 20m。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)的手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。它的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式 PC 相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。因個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)目非常龐大，插卡式儀器價(jià)格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門使用。這種方式受 PC 機(jī)機(jī)箱、總線限制，存在電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無(wú)屏障，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點(diǎn)。顯示器信號(hào)分析及處理器入機(jī)接口 各類接口A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)調(diào)理器輸入信號(hào) D/A 轉(zhuǎn)換器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)輸出圖 11 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種：5（1） PCDAQ 插卡式的 VI這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器系統(tǒng)。1．1．3 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以 DAQ 板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的 PCDAQ 測(cè)試系統(tǒng)，或已GPIB，VXI，Serial 和 Field bus 等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統(tǒng)、VXI 系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。它不僅可以用于電子測(cè)量、測(cè)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(guò)程自動(dòng)化。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器以透明的方式，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)4理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如 A/D、D/A、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等）的測(cè)試能力和控制能力結(jié)合起來(lái)。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(cè)試和測(cè)量及自動(dòng)化工業(yè)的系統(tǒng)測(cè)試和監(jiān)控變得異常方便和快捷。隨著現(xiàn)在硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器的智能化和虛擬化成為各級(jí)實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)發(fā)展的方向。虛擬儀器（Virtual VI）的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments NI）于 1986 年提出的。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式存在，無(wú)論是開(kāi)發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。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(hào)的測(cè)量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，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(cè)量，如數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字頻率計(jì)等。電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能一起和虛擬儀器。1第一章：緒論 ...........................................................................................................................31．1 虛擬儀器概述 ...........................................................................................................................................31． 1． 1 虛擬儀器的產(chǎn)生 ............................................................................................................................31． 1． 2 虛擬儀器的概念 ............................................................................................................................31． 1． 3 虛擬儀器的構(gòu)成 ............................................................................................................................4 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) ................................................................................................................................61．2 虛擬儀器的現(xiàn)狀 .......................................................................................................................................71． 2． 1 國(guó)外現(xiàn)狀 ........................................................................................................................................71． 2． 2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 ........................................................................................................................................81． 2． 3 發(fā)展趨勢(shì) .............