【正文】 4．2 程序的總框圖 .........................................................................................................................................484．3 程序?qū)傩栽O(shè)置及調(diào)試結(jié)果 .....................................................................................................................494．4 小結(jié) .........................................................................................................................................................51第五章 總結(jié)與展望 ...............................................................................................................52謝 辭 .....................................................................................................................................53參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................54致 謝 .......................................................................................................................................563第一章：緒論1．1 虛擬儀器概述1．1．1 虛擬儀器的產(chǎn)生虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。第一代模擬儀器，這類儀器在某些實(shí)驗(yàn)室里還能看到，它是以電磁感應(yīng)基本定律為基礎(chǔ)的指針式儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。第三代智能儀器，這類儀器內(nèi)置微處理器，可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理功能，可能代替部分腦力老公，習(xí)慣上稱為智能儀器。第四代虛擬儀器，它是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)試技術(shù)高速發(fā)展孕育出的一項(xiàng)革命性技術(shù)，其導(dǎo)致了傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)都發(fā)生了巨大的變革，它的出現(xiàn)使得人類的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。NI 公司同時(shí)也提出了“軟件即儀器”的口號(hào)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起了儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。虛擬儀器，它既具有傳統(tǒng)儀器的功能，又有別于其他傳統(tǒng)儀器。1．1．2 虛擬儀器的概念虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡(jiǎn)稱前面板）來操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲(chǔ)等。虛擬一起突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 所示。它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)。隨著基于 PC 的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PCDAQ 方式存在的缺點(diǎn)已經(jīng)和正在被克服。（2） 并行口式的 VI最新發(fā)展的可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，其硬件集成在一個(gè)采集盒里或探頭上，軟件裝在計(jì)算機(jī)上，可以完成各種 VI 功能。（3） GPIB 總線方式的 VIGPIB（General Purpose Interface Bus）技術(shù)是 IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)的 VI 早期的發(fā)展階段。典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái) PC 機(jī)，一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) GPIB 儀器通過 GPIB 電纜連接而成。GPIB 技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式，很方便的把多臺(tái)機(jī)器組合起來，形成大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。適用于精確度要求高，但對(duì)計(jì)算機(jī)速率要求和總線控制實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。（5） PXI 總線形式的 VI滿意設(shè)計(jì): 基于 LABVIEW 的虛擬示波器設(shè)計(jì)6PXI 總線是 PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是 PCI 在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展。（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(cè)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。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。由此可見，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景?，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(cè)量?jī)x器連接到整個(gè)系統(tǒng)中。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(duì)排線的距離也有一定的限制。 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。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。（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） 。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、控制過程的網(wǎng)絡(luò)化。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)。下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門服務(wù)。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。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(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。LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)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） 。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)。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。虛擬儀器的開發(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)分析庫和開發(fā)工具庫（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)。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。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。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。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。國內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。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。1．2．3 發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。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。 ”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。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。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。VXI 總線將成為未來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。 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)。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。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(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)。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(cè)方面，在線檢測(cè)相對(duì)較少。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。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。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)的目的來說，性價(jià)比以及實(shí)用程度顯的不高。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。 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。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。2．1 虛擬儀器創(chuàng)建過程創(chuàng)建虛擬儀器的過程大體分為以下五步：（1）需求分析。在創(chuàng)建開發(fā)原型的過程中，開發(fā)人員要與程序的最終使用人員進(jìn)行充分的交流。（2）軟、硬件的選擇。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。在 LABVIEW 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫中已經(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。（3）設(shè)計(jì)用戶界面。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。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。（4）程序設(shè)計(jì)。（5）程序測(cè)試。測(cè)試應(yīng)該從底層的 VI 開始，然后再測(cè)試較大的模塊，最后進(jìn)行整體測(cè)試。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。 數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問題要解決。數(shù)據(jù)的采集是一切控制的基礎(chǔ)。 采樣定理采樣：把在時(shí)間上是連續(xù)的輸入模擬信號(hào) ui 轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上是斷續(xù)的信號(hào)，輸出脈沖波的包絡(luò)仍反映輸入信號(hào)幅度的大小。在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。 量化。當(dāng)輸出數(shù)字量為 D 時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為 D ，即量化單元的整數(shù)倍。這就是量化。把編碼后的二進(jìn)制代碼輸出就得到A/D 轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)，對(duì)同一正弦波，若 S 越小，誤差將越小，編碼時(shí)所需二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多，對(duì)器件要求也越高。下圖說明了兩種量化方