火车车轮测试论文(本科设计论文)基于LABVIEW的虚拟示波器设计

本科生毕业论文本科生毕业论文基于LABVIEW的虚拟示波器设计第一章：绪论311 虚拟仪器概述3111 虚拟仪器的产生3112 虚拟仪器的概念3113 虚拟仪器的构成41.1.4 虚拟仪器的优点612 虚拟仪器的现状7121 国外现状7122 国内现状8123发展趋势91.3课题背景和课题目的101.4本文的研究内容10第二章 方案及关键技术1221 虚拟仪器创建过程122.2数据采集基础知识132.2.1 采样定理132.2.2 模拟信号与数字信号162.2.3 A/D转换技术162.2.4 D/A转化技术212.3 PCI6221数据采集卡慨述252.4安装与测试272.4.1 硬件的安装282.4.2 测试292.5 信号连接302.5.1 管脚图302.5.2输入连接312.5.3 模拟信号输出连接及外围电路332.6设计软件比较332.7 总体设计35第三章 软件模块的设计363.1 程序的流程图3632 程序的结构图3633 LABVIEW 简介37331 G语言简介38332 LABVIEW 程序组成3834 数据采集393.4.1 DAQmx介绍393.4.2 程序整体设计403.4.3 程序框图403.5 滤波及分析423.5.1 滤波分析423.5.2 数据分析433.6多线程技术443.6.1 Windows的多线程机制443.6.2 LabVIEW与多线程453.6.3 多线程技术在本设计中的应用453.6.4并行处理4637小结47第四章 程序设计显示4841 前面板设计4842 程序的总框图4843 程序属性设置及调试结果4944 小结51第五章 总结与展望52谢 辞53参考文献54致 谢56第一章：绪论11 虚拟仪器概述111 虚拟仪器的产生虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力老公，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。虚拟仪器（Virtual Instruments.简称VI）的概念，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出的。NI公司同时也提出了“软件即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现在硬件和软件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化成为各级实验室以及研究机构发展的方向。虚拟仪器，它既具有传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。112 虚拟仪器的概念虚拟仪器是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块和仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板，简称前面板）来操作这台计算机就像在操作自己定义、自己设计的一台个人仪器一样，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数字存储等。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，把计算机资源（如微处理器、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测试能力和控制能力结合起来。虚拟一起突破了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传统仪器的数据的分析、处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛用于电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。113 虚拟仪器的构成虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成分式上讲则由以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，或已GPIB，VXI，Serial和Field bus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图1.1所示。显示器信号分析及处理器入机接口各类接口A/D转换器数据发生器信号调理器信号调理器输入信号D/A转换器信号调理器信号输出图1-1 虚拟仪器的结构目前，虚拟仪器的构成方式有以下几种：（1） PC-DAQ插卡式的VI这种方式用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构成各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，其关键在于A/D转换技术。这种方式受PC机机箱、总线限制，存在电源功率不足，机箱内噪声电平较高、无屏障，插槽数目不多、尺寸较小等缺点。随着基于PC的工业控制计算机技术的发展，PC-DAQ方式存在的缺点已经和正在被克服。因个人计算机数目非常庞大，插卡式仪器价格便宜，因此其用途广泛，特别适用于工业测控现场、各种实验室和教学部门使用。（2） 并行口式的VI最新发展的可连接到计算机并行口的测试装置，其硬件集成在一个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种VI功能。它的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC相连，实现台式和便携式两用，非常方便。（3） GPIB总线方式的VIGPIB（General Purpose Interface Bus）技术是IEEE488标准的VI早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台的手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机，一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20m。GPIB技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，代替传统的人工操作方式，很方便的把多台机器组合起来，形成大的自动测试系统。GPIB测试系统的结构和命令简单，造价较低，主要市场在台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求和总线控制实时性要求不高的场合应用。（4） VXI总线方式的VI VXI总线是VMEbus eXtension for Instrumentation的缩写，是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比拟的优势，适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，但VXI系统要求有专用的机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。（5） PXI总线形式的VIPXI总线是PCI eXtension for Instrumentation 的缩写，是PCI在VI领域的扩展。这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有多板同步触发、精确定时的星形触发、相邻模块间高速通讯的局部总线以及高度的可扩展性等优点，适用于大型高精度集成系统。（6） 网络接口方式的VI尽管Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已经开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便的将虚拟仪器组成计算机网络。利用计算机网络将分散在不同地理位置不同功能的设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN（Measurement and Control Networks ）方面的标准正在积极进行，并取得一定的进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。（7） USB接口方式的VIUniversal Serial Bus（USB）因为其在PC机上的广泛使用、即插即用的易用性和USB2.0高达480Mbits/s的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术。现在计算机上的USB接口越来越多，也使得工程师可以很方便的将基于USB的测量仪器连接到整个系统中。但是USB在仪器控制方面上亦有一些缺点。比如说USB的排线没有工业标准的规格，在恶劣的环境下，可能造成数据的丢失，此外，USB对排线的距离也有一定的限制。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑，台式微机和工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。1.1.4 虚拟仪器的优点一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下几个优点：（1）融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。（2）利用计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件话，节省了物质资源，增加了系统的灵活性；一方面，通过软件技术和相应的数值算法、实时、直接的对测量数据进行各种分析和处理；另一方面，通过图形用户界面（Graph User Interface）技术，真正做到界面友好，人机交互。（3）基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统的尺寸，可方便的构建模块化仪器（Instrument on a Card）。（4）基于计算机数据库及报表技术和接口技术，使VI系统具有方便、灵活的互联能力，广泛支持诸如CAN，Field Bus，PROFIBUS等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便的构建自动测试系统（ATS，Automatic Test System），实现测量、控制过程的网络化。（5）基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要选择不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维修的时间。下表是虚拟仪器与传统仪器的比较。表1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较差关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级程序即可。关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门服务。价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便互连与其他设备仪器的连接十分有限软件使得开发和维护费用降至最低开发和维护开销高技术更新周期短（1-2年）技术更新周期长（5-10年）数据可编辑、存储、打印数据无法编辑12 虚拟仪器的现状121 国外现状虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司（NI公司）为代表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯福坦大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具有影响力的开发软件，是NI公司的LABVIEW软件和Lab windows/CVI开发软件。LABVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab windows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在windows 环境下的标准ANSI C开发环境，除了上述优秀的开发软件之外，美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS软件，以及美国的HEM Data公司的Snap-Master平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB串行总线和IEEE1394总线（即Fire wire，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活的组建不同复杂程度的虚拟仪器自动检测系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与Compact PCI 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/Compact PCI的传输速度已经达到100Mb/s。是目前已经发布的最高传输速度。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模块及其变换方面也做了很多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数据滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动检测系统的仪器系统。122 国内现状在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内已有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字存储智能火车车轮测试系统系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录系列。国内专家预测：未来几年内，我国将有50%的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。虚拟仪器技术的提出和发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测试仪器领域技术发展的一个重要方向。123发展趋势虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高跟新的测量课题和测量需要。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。”虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛的应用。图形化编程平台的进一步发展和完善是虚拟仪器发展的一个重要方向。如何使用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器，如何使用构成简单的虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对测试结果进行分析和判断等内容，是虚拟仪器技术努力的方向。我国还基本处于传统仪器与计算机化仪器互相分离的状态，世界各大相关的产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我国的实际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器方面的生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际先进水平的差距。VXI总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由VXI总线的性能决定的；另一方面，基于PCI-DAQ的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户的青睐，将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。1.3课题背景和课题目的在当代信息发展迅速的情况下,各类通信方式为人们提供着强大的支柱。虚拟仪器技术是计算机和传统的仪器技术融合的产物，是现代测试技术与系统的发展趋势。虚拟仪器与传统仪器相比，在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性及功能扩展等方面都具有明显的技术优势。它的设计与开发是利用高效灵活的软件来完成的，用户可根据实际需要自己构建仪器的功能、操作和显示界面。图形化编程语言LabVIEW是当今国内外设计虚拟仪器最为流行的软件，整个仪控系统都完全可以使用它来开发与执行。目前，虚拟仪器技术在测量方面的应用已日趋成熟，它已成为测试及测量领域的工业标准，故此，本文主要探讨虚拟仪器技术在远程控制领域中的开发与应用。长期以来，我国铁路处于低装备率、高利用率、高强度运动状态，特别是随着火车运行速度的一再提高，更加重了火车车轮的负担。火车的车轮状态是否完好关系到火车的安全运行，为了保障行车安全，提高运输能力，铁道部门必须经常对火车车轮状态进行检测。就目前现状来看，国内外所做的努力都是把精力放在车轮的生产或修复环节的缺陷检测方面，在线检测相对较少。基于这种情形，本文引入虚拟仪器技术的思想和设计方法，在LabVlEW虚拟仪器开发环境下，运用LabVIEW的逐点分析库，研发了火车车轮状态实时检测系统。本自动化检测系统有如下特点：精确快速地检测微弱损坏信号；在火车正常运行情况下直接获取数据；实时的采集分析数据从而提高检测速度并简化编程。1.4本文的研究内容虚拟仪器系统由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分构成。硬件平台主要完成对被测信号的进行调理和采集。仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路（含信号调理电路、A/D转换器、数字I/O、定时器、D/A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB、VXI、PXI、STD、PCI总线仪器和网络化仪器等。目前市场上的A/D采集卡和数据采集卡以及带标准总线接口的仪器等，其价格均不菲，以毕业设计的目的来说，性价比以及实用程度显的不高。本课题以labview 软件进行了信号的仿真生成、滤波和各类处理。虚拟仪器的发展已经具有快30年的历史，基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计作为虚拟仪器中的一种典型仪器，是仪器仪表、工业监控等领域不可缺少的一部分。本论文开发了一台基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计。本论文具体内容安排如下：第一章，绪论：介绍虚拟仪器的概念、构成及其优势，发展的现状，和本文的研究内容。第二章，基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计的原理：首先讲述通用智能火车车轮测试系统的原理，进而讲述了基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计的原理。第三章，基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统软件的设计：本章讲解了软、硬件的选取方案，详细讲述了软件选择LABVIEW。软件模块设计是本章重点，详细讲述了各个功能模块具体的实现过程。 第四章，程序设计显示：本章给出了基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计系统性能的具体指标，进行了系统调试，验证了基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计的实用性和优越性。第五章，总结与展望：对设计的基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计进行了总结，并对将来的发展趋势给出了展望。第二章 方案及关键技术基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计由好几部分组成。本章将详细讨论对基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计时几种方案的比较。21 虚拟仪器创建过程创建虚拟仪器的过程大体分为以下五步：（1）需求分析。需求分析是借用软件工程中的概念，其含义包括创建开发原型（明确实质要解决的问题）、分析程序的可行性（包括成本、性能、风险和技术障碍）等。在创建开发原型的过程中，开发人员要与程序的最终使用人员进行充分的交流。在此基础上，程序开发人员对所要解决的问题有了大致的了解，甚至可以画出一个系统的框图，之后还要进行程序的可行性分析，考虑选用器件的性价比、开发风险等。（2）软、硬件的选择。程序开发人员不必担心操作系统的问题，目前的LABVIEW是一个支持多个系统平台的软件，Windows、Power Macintosh、Sun SPARCA工作站、HP工作站、Linux上都可以运行。针对一些特殊的任务，LABVIEW还提供一些附加的工具包，非常方便。选择适当的工具包将会达到事半功倍的效果。在LABVIEW的设备驱动程序库中已经包含了上千个免费的驱动程序（这些驱动程序支持NI公司的硬件产品），还包括了世界上各大仪器厂商的大部分仪器的LABVIEW驱动程序。如果没有现成的驱动程序，用户也可以自己编写。（3）设计用户界面。 用户界面也称GUI，即graphical user interface。前面板必须简洁、易懂、设计时应该满足复杂工作要求。前面板上使用的颜色方案，要兼顾一致和鲜明。一致性包括：一个VI程序的GUI之间要保持一致；VI的GUI要与平时大家用的应用程序色调一致。鲜明就是说：需要强调的部分一定要用颜色加以突出，体现测控系统程序的特点，减少用户操作过程中犯错误机会。（4）程序设计。拿到一个设计任务后，首先要分解任务，把待设计任务分割成几个大的模块，然后把大的模块再分解为一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函数的程度；然后是寻求例程，参考例程可以避免重复前人做过的工作；接下来就是根据项目的特点选择程序设计方法，自上而下或者自下而上。（5）程序测试。测试过程是项目开发的重要组成部分。测试应该从底层的VI开始，然后再测试较大的模块，最后进行整体测试。测试中还要特别关注全局变量对程序的影响。此外，局部变量和属性节点也要引起注意。对于高级程序员来说，还要考虑程序的性能如何，能否满足速度与响应的要求以及内存的使用情况。2.2数据采集基础知识在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。所有的控制都是建立在数据采集的基础上的，没有数据采集就没有控制。数据的采集是一切控制的基础。所以在此做数据采集基础的讲解。2.2.1 采样定理采样：把在时间上是连续的输入模拟信号ui转换成在时间上是断续的信号，输出脉冲波的包络仍反映输入信号幅度的大小。取样定理，采样信号的频率fs和输入模拟信号的最高频率fimax之间必须满足下述条件: fs2fimax 因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用S表示。 量化。把输出数字量为1时对应的输入模拟电压称为量化单元，记做。当输出数字量为D时，对应的输入模拟电压应为D ，即量化单元的整数倍。因此，对于任意输入模拟电压, 首先 应把它量化为 的整数倍。这就是量化。编码是把量化的数值用二进制代码表示。把编码后的二进制代码输出就得到A/D转换的输出信号，对同一正弦波，若S越小，误差将越小，编码时所需二进制代码的位数就越多，对器件要求也越高。量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量化方法： 图2.5两种量化量化误差 量化误差/2 当输入电压不为的整数倍时，必然产生误差，称为量化误差。输入为双极性时：输出一般采用二进制补码表示。可用图2.6表示：符号位二进制补码 图2.6二进制补码表示法AD采样时必须满足采样定理。香农采样定理给出了低通型带限信号的最低采样频率，即采样频率fs必须大于被测信号最高频率的两倍，采样后的信号才不会出现混频现象。带通信号采样定理要求采样频率fs满足不等式：2fHNfs2fL（N1） （其中fH为带通信号的频率上限，fL为带通信号的频率下限。）多个带通信号的欠采样方法及其应用解决了多个射频信号直接带通采样问题和宽带数字下变频的高效实现问题。对于含有无穷高次谐波的信号，在一定条件下，可以用有限采样频率进行采样，而信号不会出现失真。采样定理的出发点是从采样数据中能够完全恢复原始信号。在大多数情况下，人们感兴趣的是从采样信号中恢复有用的信号。对于正弦信号干扰下的带通信号，如何无混叠地进行测量是一个有待解决的问题。几乎所有的测量、控制或通讯信号都会不同程度地受到其它信号的干扰，特别是电网产生的工频干扰。这种带有干扰的有效信号（低通或带通），它除了含有有效的带限信号频谱外，在干扰信号频率点f0处有一单一频率的谱线，即含有工频周期干扰信号的频谱。很显然已有的采样定理还没有很好地回答这个问题。如果依据香农定理对信号进行采样没有问题，但是代价也许比较大，如必须使用高速AD转换器等。为了满足采样定理，一般情况下，人们总是采取隔离、屏蔽等措施，并在采样前加上一级模拟低通或带阻滤波器以削弱工频干扰的影响。尽管如此，采样得到的信号有时候仍然含有一定的工频干扰成分。2.2.2 模拟信号与数字信号 模拟信号：在幅值、时间上均可连续发生变化的信号称为模拟信号。普通模拟信号指的是电子模拟信号可连续发生变化的电压或电流。在理想条件下模拟信号可以精确的表示它所代表的物理量，也就是说它哟无限高的分辨率。实际上每个信号总要叠加上噪音，这就使模拟信号的精度受到限制。数字信号：数字信号无论在时间上还是幅值上都不能连续发生变化，即都经过了“量化”。可见数字信号只能表示有限种可能状态，它的分辨率是有限的，由数字位数决定。2.2.3 A/D转换技术1、A/D转换的基本原理在A/D转换器中，由于输入模拟信号在时间上是连续的，而输出数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入模拟信号采样，然后再把这些采样值转换成输出数字量。A/D转换的基本步骤：采样（取样）；保持；量化；编码。如图2.7所示。 图2.7 采 样取样定理：为保证从取样信号恢复被取样信号，必须满足（在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样信号频率。）显然要满足 ：取样保持电路为高电平时，场效应管T导通,进行取样为低电平时，T截止。取样电容CH上的电荷无泄放回路，将保持。模拟信号要经过采样、量化过程才能转化为数字信号。对A/D转换器来说，出采样、量化外还要进行编码。正因为这样，有时又把A/D转换器叫做编码器。一个理想的A/D转换器的输入、输出关系可用下式表示： D( a1+a2+a3+an)Vr=DVr式中的D是转换器的数字输出，Vr为基准电压。式中使用了近似符号是因为A/D转换过程中不可避免的存在量化误差。A/D转换器的应用范围广，发展迅速。转换器的种类繁多，分类方法也不统一。如可按转换速度分类，也可按转换精度、转换位数、转换原理等进行分类。目前较普遍的是按比较原理进行分类。按这样分类法A/D转换可分为三大类：直接比较型，间接比较型和复合型。直接比较型A/D转换的具体形式多种多样，下面介绍几种形式。（一）逐次比较反馈编码型A/D转换这种模型类似一架自动“电压天平”，其“砝码”是一组不都量值的参考电压。转换相当于“称量”电压的试码过程。试码是从最高（权）砝码开始到最低（权）砝码依次逐一进行，最低砝码试毕转换结束。试码过程中，每次加码是保持还是撤掉，要由加码后天平的失衡状况来决定。最后保留的砝码总和即为转换结果。图2.8所示为逐次比较反馈编码型A/D转换的原理框图，其主要由比较环节、控制环节、比较基准及累积三大部分构成。各环节构成了一个负反馈闭环系统。 图2.8 逐次比较反馈编码型A/D转换比较环节：鉴别各步试码状态，决定新加码的“取”或“舍”。但Vx0时，若V=Vx-Vf0则加码保持，编码器计为1；若V=Vx-Vf0则加码撤掉，编码器计为0。比较基准：提供各级砝码，进行试码累计（加码累计）。控制环节：协调个单元动作完成转换。逐次比较型A/D转换的特点：（1）转换速度高。转换过程试码是按权跃变进行的，每一个十进位只要四个节拍即可完成试码。（2）转换精度高。转换精度主要是由A/D转换器的精度决定。通常D/A转换器容易获得高精度，从而这种形式的A/D转换的精度较高。初看起来只要增加D/A转换器的位数，就可以提高逐次比较型的精度，事实上由于这种形式的转换抗干扰能力低以及电路结构等方面的原因，目前一般只达到五位读数，实际精不够高。（3）转换的控制方式及线路复杂，使用元件较多。逐次比较反馈编码型A/D转换尽管存在着不可忽视的缺点，但是由于它具有一定的优越的性能还是获得广泛的应用。（二）线性电压比较型A/D转换线性电压比较型A/D转换中，用作比较 的参考电压Vr是一个线性增长（或下降）的斜变电压（锯齿波电压），因此这种转换又叫做斜坡型，单斜（单积分）型A/D转换它虽然也是通过两个电压直接比较对输入电压进行测量转换，但是与逐次比较反馈编码技术不同，不是在比较测量过程中直接进行量化和编码，而是通过中间量时间间隔间接进行的。从转换的角度看这是一种间接转换，或者更确切地说是直接比较间接转换。它具有直接比较型转换的共同特点瞬时值转换。线性电压比较型A/D转换器的原理图，如图2.9所示。 图2.9 线性电压比较型A/D转换器的原理图比较器对输入电压和参考电压Vr进行比较，并通过门控电路控制计数器门。线性电压发生器输出线性斜变的参考电压Vr Vr=Kt（三）阶梯波电压比较型A/D转换这种方式与线性电压比较型的转换原理相同，差别仅在于用等增量的阶梯波电压代替线性增长的斜坡电压作为比较基准。这种技术又叫做数字斜坡技术。转换原理图如图2.10所示： 图2.10 阶梯波电压比较型A/D转换2、A/D转换器的主要技术指标 （1）分辨率 分辨率说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。 一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。转换误差它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，相对误差LSB/2，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转换速度转换速度可用转换时间表示,指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。2.2.4 D/A转化技术D/A转换是将输入的数码转换成相应的模拟量输出，起到解码作用，故又称为译码或解码器。1、 D/A转换器。（一）、权电阻网络D/A转换器1.原理，如图2.11所示。图2.11 权电阻网络D/A转换器由四部分组成：权电阻网络；求和放大器；模拟开关；参考电源；任务：求出输出模拟电压与输入数字量d3d2d1d0间的关系。 2.特点：1.电阻数量少，结构简单；2.电阻种类多，差别大，不易集成。（二）、倒T型电阻网络D/A转换器，如图2.12所示。图2.12倒T型电阻网络D/A转换器1. 电阻网络特点：模拟开关Si不论接何位置，都相当于接地。任意节点向左看的等效电阻皆为R。2.电路特点：电阻种类少，便于集成；开关切换时，各点电位不变。因此，速度快。（三）、权电流型D/A转换器如图2.13所示，在权电阻网络D/A转换器和倒T型电阻网络D/A转换器中，若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导通压降将影响转换精度。权电流型D/A转换器可解决这一问题。 图2.13 权电流型D/A转换器电阻REi的种类多。因此，经常用倒T型电阻网络的分流作用来实现。2、 D/A转换器的转换精度与转换速度1）转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。分辨率：输出模拟电压应能区分02n-1共2n个输入数字量。表示方法：（1)用输入二进制数的位数表示；如8位。(2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。：=2）转换误差：由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到的转换精度。转换误差有时也称为线性误差。它表示实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。转换误差的表示形式：（1）最低有效位的倍数。如：1LSB。（2）输出电压满刻度FSR(Full Scale Range)的百分数。如：0.1FSR。3）转换误差分析D/A转换器的四个组成部分，均可引起转换误差。但具有不同的特点。(1)参考电源引起的误差称为比例系数误差。(2)运放零点漂移引起的误差称为漂移误差或平移误差。(3)模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为非线性误差。非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，从而引起系统不稳定。4）转换速度用完成一次转换所需的时间建立时间tset来衡量。建立时间：从输入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差 1/2LSB范围以内的时间。输入信号由全0变为全1所需时间最长。不包含运放的DAC建立时间可达0.1 。外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。其中：为转换时间，为建立时间，SR为运放输出转换速率。2.3 PCI6221数据采集卡慨述NI PCI-6221是NI公司的M系列多功能数据采集卡，采用的是一个A/D转换器，虽然是多路采集，实际上是分时工作的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。该板卡的主要性能如下： 16路模拟信号输入通道，采样率为250kS/s，输入范围为-10V+10V； 2路模拟量输出通道，分辨率为16位； 24路数字I/O，数字触发； 2个32位定时计数器； NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持； NI-MCal校准支持； NIST校准证书和多于70多种的信号调理模块选择。它有如下方便的性能：（1）即插即用功能PCI6221完全符合PCI规格Rev2.1标准，支持即插即用。在安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和DIP拨码开关。实际上，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。（2）单端或差分混合的模拟量输入PCI6221有一个自动通道/增益扫描电路。该电路能代替软件控制采样期间多路开关的切换。卡上的SRAM存储了每个通道不同的增益值及配置。这种设计能让您对不同通道使用不同增益，并自由组合单端和差分输入来完成多通道的高速采样。（3） 卡上FIFO(先入先出)存储器PCI6221卡上有一个FIFO缓冲器,它能存储4K的A/D采样值。当FIFO半满时，PCI6221会产生一个中断。该特性提供了连续高速的数据输入及Windows下更可靠的性能。（4）卡上可编程计数器PCI6221提供了可编程的计数器，用于为 A/D变换提供可触发脉冲。计数器芯片为82C54或与其兼容的芯片，它包含了三个16位的10MHz时钟的计数器。其中有一个计数器作为事件计数器，用于对输入通道的事件进行计数。另外两个级联在一起，用作脉冲触发的32位定时器。（5） 用于降低噪声的特殊屏蔽电缆PCL-10168屏蔽电缆是专门为PCI6221所设计的，它用来降低模2PCI6221 快速安装使用手册拟信号的输入噪声。该电缆采用双绞线，并且模拟信号线和数字信号线是分开屏蔽的。这样能使信号间的交叉干扰降到最小，并使EMI/EMC问题得到了最终的解决。2.4安装与测试软件的安装： 第一步：将启动光盘插入光驱； 第二步：安装执行程序将会自动启动安装 。注意：如果您的计算机没有启用自动安装，可在H：盘文件中点击SETUP.EXE文件启动安装程。第三步: 点击CONTINUE,出现图3.2界面: 图3.2 驱动安装第四步:选择点击您所安装的板卡型号,然后按照提示就可一步一步完成驱动程序的安装。 2.4.1 硬件的安装第一步：关掉计算机，将您的板卡插入到计算机后面空闲的PCI插槽中 （ 注意：在您手持板卡之前触摸一下计算机的金属机箱壳以免手上的静电损坏板卡。） 第二步：检查板卡是否安装正确，可以通过右击“我的电脑”，点击“属性”，弹出 “系统属性”框；选中“硬件”页面，点击“设备管理器”；将弹出画面，如图3.3所示：从图中可以看到板卡已经成功安装。 图3.3 硬件检测图第三步：从开始菜单/程序/Advantech Device Driver V2.1/ Advantech Device Manager,打开Advantech Device Manager。 计算机上已经安装好某个产品的驱动程序后，它前面将没有红色叉号, 说明驱动程序已经安装成功。PCI总线的板卡插好后计算机操作系统会自动识别，Device Manager在Installed Devices 栏中My Computer下也会自动显示出所插入的器件，这一点和ISA总线的板卡不同，如上图所示。 点击“Setup”弹出下图，可设置模拟输入通道是单端输入或是差分输入以及两个模拟输出通道D/A转换的参考电压。设置完成后点击“OK”即可。 到此，PCI6221数据采集卡的软件和硬件已经安装完毕,可进行板卡测试。2.4.2 测试（1）模拟输出功能测试 在测试界面中点击模拟输出标签，弹出图3.4所示界面。图 3.4 模拟输出功能测试个模拟输出通道可以通过软件设置选择输出正弦波、三角波、方波，您也可以设置输出波频率以及输出电压幅值。例如，要使通道0输出4.5V电压，在“Manual Output”中设置输出值为4.5V，点击“Out”按纽，即可在管脚AO0_OUT与AO_GND之间输出4.5V电压，这个值可用万用表测得。 （2）数字量输入功能测试 在测试界面中点击数字量输入标签，弹出图3.5所示界面。图3.5 数字量输入功能测试用户可以方便地通过数字量输入通道指示灯的颜色，得到相应数字量输入通道输入的是低电平还是高电平（红色为高，绿色为低）。例如，将通道0对应管脚DI0与数字地DGND短接，则通道0对应的状态指示灯(Bit0)变绿，在DI0与数字地之间接入+5V电压，则指示灯变红。（注：其它功能的测试就不再做介绍）2.5 信号连接 2.5.1 管脚图PCI6221的管脚图如图3.6所示：图2.6 管脚图2.5.2输入连接（1 ）单端模拟输入连接 PCI6221提供16路模拟量输入通道，当测量一个单端信号时，只需一根导线将信号连接到输入端口，被测的输入电压以公共地为参考。没有地端的信号源称为“浮动”信号源,在这种模式下，PCI6221为外部浮动信号源提供一个参考地。测量单端模拟信号输入，标准连接方法，如图3.7所示: 图3.7 单端模拟输入连接（2） 差分式模拟输入连接 PCI6221有16个模拟输入通道，可以设置成8对差分式输入通道。差分输入需要两根线分别接到两个输入通道上，测量的是两个输入端的电压差。如果信号源连有参考地，则PCI6221的地端和信号源的地端之间会存在电压差，这个电压差会随信号源输入到输入端，这个电压差就是共模干扰。为了避免共模干扰，您可以将信号地连到低电压输入端。连接方式如图3.8所示：图3.8 差分式模拟输入连接通过这种连接方式，可以消除在信号源和板卡地之间的共模干扰电压V（CM）。2.5.3 模拟信号输出连接及外围电路（1）PCI6221有两个D/A转换通道，AO0-OUT、AO1-OUT，您可以使用内部提供的-5V/-10V的基准电压产生0到+5/+10的模拟量输出，您也可以使用外部基准电压AO0-REF、AO1-REF，外部基准电压范围是-10V/+10V，比如外部参考电压是-7V则输出0V到+7V的输出电压。连接方法如图3.9所示：图3.9 模拟信号输出连接及外围电路（2）外部触发源连接 PCI6221也支持外部触发源触发A/D转换，当+5V连接到TRG-GATE时，就允许外部触发，当EXT-TRG有一个上升沿时触发一次A/D转换，当TRG-GATE连接到DGND时，不允许外部触发。2.6设计软件比较在给定计算机必要的仪器硬件后，构成和使用虚拟仪器的关键在于软件。软件为用户提供了集成开发环境、高水平的仪器硬件接口和用户接口。美国国家仪器公司提出的“软件即仪器”（The Software is the Instrument）形象的概况了软件在虚拟仪器技术中的重要作用。所以正确选择软硬件对程序开发和设计起着非常重要的作用。只有选择了合适的软硬件才能快速的开发出应用软件，才能事半功倍。对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可以分为两种方式：（1）通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual Basic与Visual C+，Borland公司的Delphi，Sybase公司的Power Builder。 （2）用专业图形化编程软件开发。如HP公司的HP-VEE，NI公司的LABVIEW Lab windows/CVI等。具体选用哪一种软件，应该由编程者根据实际情况选择。设计一个简易基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计，在设计中必须考虑以下因素：开发成本低、执行效率佳、程序弹性大、开放性架构易于扩充。LABVIEW是实验室虚拟仪器工作平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。LABVIEW的前面板可以包括旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或鼠标获取数据并显示结果。LABVIEW具有模块化特性，有利于程序的可重用性。LABVIEW将软件的界面设计和功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整，LABVIEW是利用数据流框图接受指令，使程序简单明了，充分发挥了图形化编程环境的优点。这就大大缩短了虚拟仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。而通用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。LABVIEW虽然是为计算机测控领域开发的，但它的函数包含了一般高级计算机语言中的绝大多数程序控制功能。LABVIEW作为开发环境具有的优点总结如下所述：（1）图形编程化，降低了对使用者编程经验的要求，易于工程师使用；（2）采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和再利用；（3）对象、框图及其构成的虚拟仪器在Windows，Windows NT、UNIX等多平台之间和各种PC机及工作站间兼容，便于软件移植；（4）支持550多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口、GPIB、VXI等；（5）具有丰富的库函数和例子，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序框架，便于提高开发速度；（6）具有比较完备的代码接口，可调用Windows中的动态链接库（DLL）中的函数以及C语言程序，以弥补自身的某些不足；（7）直接支持动态数据交换（DDE）、对象联接与嵌入（OLE）、结构化查询语言（SQL）、便于与其他Windows应用程序和数据库应用程序接口；（8）支持TCP，UDP等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪器设备；（9）为加强LABVIEW的功能，适应各种工业应用的需要，NI公司又开发了一系列与LABVIEW配合使用的软件包，如自动测试工具、可连接25种数据库的SQL工具、SPC分析函数工具、信号处理套件、PID控制工具、图形控制工具等。在许多应用程序中，运行速度是至关重要的。LABVIEW是至今唯一带有可以生产最佳编码的编译器的图形化开发环境，运行速度等同于编好的C或C+程序。因此LABVIEW是基于LabVIEW虚拟仪器的智能火车车轮测试系统设计设计的最佳选择。2.7 总体设计本课题设计的是智能火车车轮测试系统，主要进行了信号的采集和显示、滤波及分析。总体系统结构如下：第三章 软件模块的设计在本章中详细介绍各个功能模块及其生成过程。3.1 程序的流程图上位虚拟仪器程序流程图如图所示：流程图简介：程序运行后，先并行的读采集卡的数据，然后送到消息队列。在另一并行的循环程序实时读取消息队列，然后对读取的数据进行滤波处理。最后再进行数据分析。