（控制理论与控制工程专业论文）基于智能手机的便携式测量仪器研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 计算机的发展促使了虚拟仪器技术的产生，而如今手机的应用范围已经越来越广泛， 无疑为虚拟仪器技术提供了更广阔的发展空间。根据虚拟仪器概念开发的基于智能手机 的便携式测量仪器与经典测量仪器相比具有体积小，便于携带和开发等优点，具有广阔 的应用前景。 虽然目前的手机运算能力仅相当于9 0 年代初的台式计算机，但随着电子技术的进步， 手机的运算能力会进一步提高。因此，对基于智能手机的便携式测量仪器进行研究，具 有很重要的理论和现实意义本文详细地阐述了以下几方面的研究工作： l 、对基于智能手机的便携式测量仪器及实现技术做了较深入的研究。从数据采集、 数据打包及分析、远程数据提交到仪器软件的实现，涵盖了基于智能手机的测量仪器各 个方面。 2 、结合试验和应用结果研究了w l f i 、蓝牙和z i g b e e 等无线技术，选择了合适的无 线通信方法和模块。 3 、在研究了列车车轮外形测量和平稳性测试相关要求的基础上，利用自主编写的基 于智能手机的测量仪器模块包开发了列车平稳性测试仪和车轮外型测量仪。 最后根据实验结果，证明了采用基于智能手机的便携式测量仪器先进实用，开发的测 量仪器能大大提高测量工作的主动性与灵活性。具有较大的推广应用价值。 关键词：测量仪器；智能手机；无线； 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ru r g i n gt ot h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，n o w a d a y s ， t h ea p p li c a t i o no fs m a r t p h o n e sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d ，u n d o u b t e d l y p r o v i d ee v e nb r o a d e rs p a c eo fd e v e l o p m e n tf o rv i r t u a li n s t r u m e n t p o r t a b l e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tb a s e do ns m a r t p h o n eh a v e s m a ii e rs i z e 。a ll o wb e t t e r p o r t a b i l i t ya n df a c i l i t a t e si t sf u r t h e ri n n o v a t i o nc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l t y p e ，h a v eb r o a da p p li c a ti o np r o s p e c t s a l t h o u g ht h ec u r r e n ts m a r t p h o n e sc o m p u t i n gp o w e re q u i v a l e n tt oo n l y9 0 s d e s k t o pc o m p u t e r s ，h o w e v e r ，w it h t h ep r o g r e s so fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ， s m a r t p h o n e sc o m p u t i n gc a p a c i t yw i i ib ef u r t h e re n h a n c e d s os t u d yo np o r t a b l e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tb a s e do ns m a r t p h o n eh a sc o n s i d e r a b l et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e re l a b o r a t e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t so ft h e r e s e a r c hw o r k ： 。 1 s t u d yo nh a n d h e l dw i r e l e s sv i r t u a li n s t r u m e n ta n di t si m p l e m e n t a ti o n r a n g i n gf r o m d a t ac o l l e c t i n g ，d a t ap a c k i n ga n da n a l y z i n gt or e m o t ed a t a s u b m i s s i o n 2 w i r e l e s st e c h n o l o g yi n c l u d i n gw i f i ，b l u e t o o t ha n dz i g b e ea r es t u d i e d ， b a s e do ne x p e r i m e n t sa n da p p li c a t i o nr e s u l t s s e l e c t e dp r o p e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm e t h o da n dm o d u l e 3 t r a i nt h e e lp r o f il em e a s u r i n gi n s t r u m e n ta n dp o r t a b l ev i b r a t i o nm e t e r a r ed e v e l o p e db yu t i l i z i n gt h es e l f e d i t e dm o d u l ep a c ka f t e rs t u d y i n gt r a i n w h e e l p r o f i l em e a s u r e m e n ta n dt h ed e m a n do fc o m f o r tt e s t f i n a l l y ，a f t e ra n a l y s i s e dr e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，t h e ys h o w e dt h a tp o r t a b l e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tb a s e do ns m a r t p h o n ew h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h e i n i t i a t i v ea n df l e x i b i l i t yo fm e a s u r e m e n tw o r k s t h et e c h n o l o g yi sp r o v e dt o b eu p d a t e da n dw i t hp l e n t yo fp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ；s m a r t p h o n e ；w i r e l e s s = 西南交通大学四南父逋大宇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； 2 不保密d 适用本授权书。 学位论文作者签名：曹往 日期：蚓；2 f 指导教师签名：j 取薛 日期：z - o o s 3 3 0 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 独立设计了基于智能手机的测量仪器的整体结构，保证了结构体系的合理 性和运行的稳定性。 选择智能手机作为列车测量仪器的显示和计算终端，在保证测量性能和精度的 基础上使整个设备小巧，便于携带。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 基于智能手机的测量仪器的研究意义 2 0 世纪8 0 年代初，随着计算机与电子技术的飞速发展，产生了许多以计算 机作为操作和计算平台，配合其他设备完成测量测试的仪器在此基础上，美 国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，n i ) 在8 0 年代中期首 先提出了虚拟仪器吖3 ，的概念。 虚拟仪器是一种基于计算机的数字化测量测试技术。它利用计算机强大的 运算以及数据存储等能力，把经典仪器的专业化功能软件化，用户可以通过事 先设计好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义的一台专业仪器 一样。虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势，但它并不否定传统仪器的 作用。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。虚 拟仪器技术最适合完成的，是复杂环境下的自动化测试，以及需要大量计算和 存储的测试幢1 。 经典虚拟仪器采用的计算机是台式机或笔记本电脑，电子技术的发展，许 多高端手机也开始应用主频在3 0 0 m i p s 以上的嵌入式处理器并且有自己的操作 系统，这也使在手机上实现虚拟仪器技术成为了可能使用手机作为虚拟仪器 的实现平台具有携带及使用方便，用户熟悉其操作等优点。 但用手机实现虚拟仪器具有以下一些技术问题： 1 手机运算能力和存储能力比较低。 2 手机的接口类型单一，难以采用传统总线进行数据传输，且采用无线 传输时其速率有限，难以进行高速数据采集。 3 手机的操作系统不同，l a b v i e w 等专业虚拟仪器开发系统对其支持较 差。 4 手机屏幕小，通常用按键和触摸屏操作。 目前在列车测试中，许多测试都希望除了从终端获取简单的测量结果外， 还能处理和显示出一些更复杂的讯息。另外，由于许多测量都是在复杂的现场 进行“3 。因此，以手机为虚拟仪器平台的测量设备能大大增加测量的主动性与 灵活性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 由于虚拟仪器在提高测量效率等方面有着突出的作用，因此，国内外的公 司和科研机构都进行了大量的研究。 国外方面，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器以及虚拟仪 器开发平台。在n i 公司之后，美国惠普( h p ) 公司、w a v et e s t 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种虚拟仪器开发系统。如h p 公司的h p v e e 开发应用程 序和h p b a s i c ，w a v et e s t 公司的w a v et e s tv i p ( 可视仪器编程器) 等n o 】。 手持虚拟仪器方面，n i 公司的l a b v i e wp d a 模块可以以图形化的方式开 发基于p d a 的虚拟仪器，但该模块必须依托l a b v i e w 平台，另外，还需要购买 该公司的数据采集卡等设备，开发成本较高。此外还有许多基于个人数字助理 ( p d a ) 的测试应用，比如丹麦g r e e nw o o d 公司年研制的m i n i p r o f 便携式轮 廓曲线测量仪，就是采用基于p d a 的虚拟仪器技术h 1 。 国内方面，虚拟仪器技术特别是采用l a b v i e w 进行开发已经比较普遍。但 在手持设备上，还多是尝试性的工作，许多公司虽推出了自己的手持虚拟仪器 产品，但功能等方面还不十分完善。此外，目前重庆大学的秦树人教授对于手 持式虚拟仪器研究和开发取得了一系列成绩，提出了许多新的技术和见解。同 时，北京世纪飞扬科技发展有限公司也以a c t i v e x 控件的形式提供了基于p d a 的一些公用开发包1 ，可以方便用户在此基础上开发自己的虚拟仪器软件。但 这些软件开发包都只实现了数据显示处理等功能，并未提供从硬件、接口到软 件的完整解决方案哺卜嘲。 由于手机的运算和存储能力相比p d a 来说还比较低，并且考虑到美观等因 素，厂商生产时将手机的体积和接口都做了限制。受此影响，目前手机还无法 成为主流的虚拟仪器平台。但由于电子和软件技术的发展以及手机的普及，将 手机作为虚拟仪器平台是非常有发展前景的。 1 3 课题完成的主要工作 本课题完成了对虚拟仪器技术与智能手机及无线技术相结合时的多个技 术问题的研究。 分析了国内外车轮外形测量和振动测量的发展动态和先进技术，把握列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 测量的发展趋势，研究开发出高精度，高可靠，人机界面友好的列车平稳性测 量仪和车轮外形测量仪。 另外，对于任何测量仪器来说，测量精度都是衡量其性能的一个重要指标。 因此，对设计完成的仪器进行精度分析也是非常必要的。 课题完成的主要工作有： 1 ) 研究虚拟仪器技术、手机、无线技术及其特点，分析了系统结构。 2 ) 选择适合的无线传输方案。并在有限的带宽上通过合理编码等方法尽量 提高传输速率。 3 ) 研究基于智能手机的测量仪器的数据获取、存储、分析等技术。 4 ) 研究手持式虚拟仪器相关技术，并编写公用模块和特有的算法模块。通 过合理的编程尽量弥补了手机运算和存储速度的不足。 5 ) 在分析相应测量原理和算法的基础上开发了手持式列车测振仪和手持 式车轮外型测量仪。 6 ) 对设计出的基于智能手机的测量仪器进行了精度分析，说明了其测量结 果的可信度和精度范围。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章基于智能手机的测量仪器结构研究 在智能手机上实现虚拟仪器技术，必须解决系统构建的问题，包括接口及 通信方案选择，数据采集设备硬件和软件实现，虚拟仪器软件的实现等问题， 本章将就这些问题进行分析和研究。 2 1 测量仪器结构 根据虚拟仪器概念开发的测量仪器可使用相同的硬件系统，通过运行不同 的软件就可以功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核 心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。 经典虚拟仪器的系统结构n 刚图如图2 1 所示： 叫 信号调理h数据采集卡1 h 叫g p i b 接口仪器hg p i b 接口卡卜一 传 _ l 串行口仪器摩l c i _ 感 眦作站 i 器： _ i l髑f f u l i 虚拟仪器软件 _ l 现场总线c l l l b u s ) 设备扣 i _ ，f其他计算机硬件卜 - 图2 - 1 经典虚拟仪器的系统结构 而基于智能手机的测量仪器由于其外形和接口种类的限制，没有像经典虚 拟仪器这样丰富的总线类型。并且，手机也很难外接类似数据采集卡一类的设 备。因此，基于智能手机的测量仪器的数据采集和信号调理等部分都必须在下 端的数据采集设备上实现。由于手机上的有线接口通常为u s b 从口，只有少量 手机的u s b 口为主口，这也限制了基于智能手机的测量仪器采用有线方式进行 通信。因此，本文选用无线通信作为系统主要的通信方式。 基于智能手机的测量仪器系统结构如图2 - 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图2 2 基于智能手机的测量仪器系统结构 其中采集设备主要实现模拟信号的采集和数字化，可以是各种数据采集设 备。对于无线通信方式而言，通信协议的选择对数字信号传输的质量和速率的 影响是巨大的，对信息传输速率比较敏感的场合尽量采用二进制流传输以获得 更高的数据传输率。并且在编制协议时要注意增加校验和错误校正以及重发机 制。 如果在图2 - 2 的基础上再添加桌面计算机等部件，则可组建一个虚拟仪器 网络，实现仪器与上位机之间的数据共享。使用者只需将虚拟仪器软件拷入自 己手机中便可实现所需功能，真正体现出了虚拟仪器的软件才是灵魂的特点 4 0 j 2 。2 仪器接口 手机在整个基于智能手机的测量仪器中处于核心的地位。计算机与采集硬 件则是直接通过计算机接口相连。接口是仪器内部硬件的数据纽带。接口好似 虚拟仪器的灵魂，统领着虚拟仪器的所有硬件设备。纵观虚拟仪器的发展，每 一种计算机接口面世，虚拟仪器技术很快就会将这种接口技术融入其中。 基于智能手机的测量仪器和经典虚拟仪器的接口类型有一定区别，首先， 手机体积小，不允许接口过大，否则会影响性能和外观。其次，手机通常由锂 电池或镍氢电池供电，这也导致了手持虚拟仪器要求其接口类型具有省电以及 允许一定范围的电压波动的特点。正因为这样，手机的接口传输速率一般来说 都偏小。 2 2 1串行接口和u s b 接口 由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免 了多条线路特性的不一致，在其基础上用户可以建立自己的高层通信协议，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 而在测试领域被广泛采用。常用的串行接口有r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 和r s 4 8 5 等。主 要缺点有速率通常比较低，传输距离有限。表2 - 1 是三者性能的对比n 。 目前直接支持r s 2 3 2 接口的手机型号并不多，但大部分手机都能通过转接 线间接使用r s 2 3 2 接口，其比特率通常为1 1 5 2 0 0 b p s 。 u s b 接口具有其特殊性，它分为主口和从口。只有主口才可能主动连接从 口设备，从而在主从设备间进行数据传输。由于大部分手机的u s b 接口都是 从口，所以不能与同为从口的u s b 数据采集设备连接。而安装有u s b 主控芯片 的手机可以作为主机控制u s b 数据采集器。这类手机包括c a s i o 的e 2 0 0 ， t o s h i b a 的e 6 0 0 和n e c 的m o b i l e p r op 3 0 0 等。 2 2 2c f 接口 c f ( c o m p a c tf l a s h ) 由美国s a n d i s k 公司于1 9 9 4 年首次推出。c o m p a c tf l a s h 提供了完整的p c m c i a a t a 功能而且通过a t a a t a p i 4 兼容t m e d e 。和6 8 针接口的p c m c i a 卡不同，同样遵从a t a 协议的c o m p a c t f l a s h 的接口只有 5 0 针嘲。c f 的引脚定义见表2 3 虽然最初c f 卡是采用f l a s hm e m o r y 的存贮卡，广泛用于相机、p d a 和 随身听上。但随着c f 卡的发展，各种采用c f 卡规格的非f l a s hm e m o r y 卡也 开始出现( 如网卡、m o d e r n ，g p s 等) ，后来又发展出了c f + 的规格，使c f 卡的范围扩展到非f l a s hm e m o r y 的其它领域，包括其它i o 设备和磁盘存贮 器，以及一个更新物理规格的t y p eu 规格( i b m 的m i c r o d r i v e 就是t y p ei i 的 c f 卡) t y p e1 1 和原来的t y p ei 相比不同之处在于t y p ei i 厚5 m m 。s t r a t e g i ct e s t 公司的d a t a q c f 2 是一款4 通道2 4 位的c f i i 型的数据采集卡，最高采样频 率为3 8 k h z 。 j 一 c f 的数据采集卡由于体积比p c m c i a 的数据采集卡更小，而且许多手机 上自带c f 接口，这样采用c f 数据采集卡的系统体积更小，重量更轻，更加方 便携带与使用。并且，现在市面上已经有c f w i f i 卡，比如朗讯的c f - b - a 6 - 0 1 c fi 型卡，比特率可达l1 m b p s 。通过插入该卡就能使手机通过w i f i 进行通信。 这也部分弥补了手机支持w i f i 型号较少的缺陷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 数据采集部分 基于智能手机的测量仪器要求体积小、重量轻。因此，硬件的设计要综名 考虑机械尺寸、功能、精度、通信方式等方面。下面就以本文涉及到的手持多 列车测振仪和手持式车轮外型测量仪为例，说明基于智能手机的测量仪器一郧 的数据采集部分结构。 数据采集部分一般由传感器( 或其他模拟信号采集设备) 和a d 及滤波冬 辅助芯片，d s p 或单片机，以及与上位机的传输接口组成晦。 数据采集部分硬件结构如图2 - 3 所示： 图2 3 数据采集部分硬件原理结构图 具体工作流程如下：传感器( 或编码器等) 采集测量对象的模拟信号值，经 过滤波等处理后进行a d 转换，再由d s p ( 或单片机) 进行运算和编码后，通 过各种接口发送给手机，并通过接口接收手机发送的命令，实现对采集过程的 无线控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 4 常用无线协议研究 2 4 1蓝牙协议 随着工业级现场接口的研究和应用飞速的发展，对接口传输的物理媒质提 出了更高的要求。蓝牙技术是近几年提出的一个新的短距离无线传输的解决方 案，他克服了红外等传统无线技术的缺点，对传输的角度和屏蔽物没有任何限 制嘲】。随着蓝牙技术的发展，蓝牙技术已经开始应用到工业接口上，实现工业 现场的无线连接。 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h z 的i s m ( 甚p 工业、科学、医学) 频段，频段 范围2 4 0 0 2 4 8 0 g h z ，中心频率为2 4 5 g h z ，比现在的g s m l 8 0 0 还要高。蓝牙 结合电路交换和分组交换两种传输方式，分别提供同步语音传输( s c o ) 和异步 数据传输( a c l ) ：s c o 信道支持6 4 i c b i t s 的连接速度；a c l 链路的传输速度 和传输包的时隙数有关，多时隙的包因为节省了包头的信息，传输速度明显优 于单时隙的包，它可以满足众多设备之间语音数据信息的交换。 对蓝牙的使用多是基于蓝牙串口仿真协议【4 3 1 ，通过它，可以通过操作一 个虚拟串口来达到操作蓝牙的目的。比较有代表性的设备是蓝牙串口适配器。 蓝牙串口适配器主要负责将从串口接收的数据转换成蓝牙协议发送给到对方 的蓝牙设备，并将从对方蓝牙设备接收的蓝牙数据包转换成串口数据发送给设 备。蓝牙串口适配器有主从之分，一个主设备与一个从设备配套使用。当蓝牙 串口适配器连接正确的电路，并且加电启动之后，主从设备会自动建立连接， 并且识别对方设备，之后，用户的设备就可以像使用串口一样的使用蓝牙接口。 蓝牙串口适配器提供了安全认证功能，当用户设置使用安全认证时，连接 的设备必须要进行鉴权，只有通过鉴权的用户才能与其进行通讯，如果是一对 蓝牙内嵌模块，这些过程都将自动完成。 2 4 2w lfl 协议 w i f i 原是无线高保真的缩写，后被视为8 0 2 1 1 无线局域网络的代名词， 它是一种基于8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g ，再加之后来的8 0 2 1 l n 标准的无 线网络技术，它可使用户实现无线接入和共享网络资源，更好的免除布线的麻 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 烦。w i - f i 的技术规格由i e e e 提出，经w i - f i 联盟认证后，可以实现各无线 产品的互通口1 。 i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网的带宽最高可达1 1m b p s ，比先前批准的i e e e 8 0 2 1 1 标准快5 倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，也可根据实际情 况采用5 5 m b p s ，2 m b p s 和1 m b p s 带宽，实际的工作速度在5 m b p s 左右，与普 通的l o b a s e t 规格有线局域网几乎是处于同一水平。i e e e 8 0 2 1 l b 使用的是 开放的2 4 g 频段，不需要中请就可使用。既可作为对有线网络的补充，也可 独立组网，从而使网络用户摆脱网线的束缚，实现真正意义上的移动应用。 i e e e8 0 2 1 1 b 无线局域网与我们熟悉的i e e e8 0 2 3 以太网的原理很类似， 都是采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送。不同之处是以太网采用的 是c s m a c d ( 载波侦听冲突检测) 技术，网络上所有工作站都侦听网络中有无 信息发送，当发现网络空闲时即发出自己的信息，如同抢答一样，只能有一台 工作站抢到发言权，而其余工作站需要继续等待。如果一旦有两台以上的工作 站同时发出信息，则网络中会发生冲突，冲突后这些冲突信息都会丢失，各工 作站则将继续抢夺发言权。而8 0 2 1 1b 无线局域网则引进了冲突避免技术， 从而避免了网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。 2 4 3 无线通信协议选择 综合前三节的分析，可以看出：w l f i 速率高、传输距离远，通信方式灵 活，且组网、扩展方便，是最适宜作为无线通信方案的。但由于目前支持w i f i 的手机型号并不多，另外，w i f i 的引入会造成数据采集设备的功耗和线路复 杂性加大。 蓝牙是目前被手机广泛采用的接口，其数据通信率能满足大多数低速采集 的要求。并且其功耗小，数据采集设备只要采用蓝牙串口仿真协议就可以通过 串口和蓝牙模块进行通信，配合百米蓝牙模块，同样能实现9 0 米左右距离的 通信。因此，非常适合作为目前基于智能手机的测量仪器的接口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章测量仪器软件设计 软件是基于智能手机的测量仪器的核心，完成数据的接收、分析处理、结 果显示等，通过编程，可以使基于智能手机的测量仪器具有比传统仪器更为强 大的功能。本论文采用的开发方法是基于e v c 和v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 的以代 码为基础的开发，数据采集设备程序通过c c s 2 0 0 0 环境编程实现。 本节主要介绍公用模块，特有模块将在讲述具体仪器开发时分别介绍。本 论文所涉及的软件由于其专业性的要求，所有模块均完全为自主开发实现。 总体来说，基于智能手机的测量仪器的软件设计主要分为公用模块和专用 模块。一般来说，波形显示，常用通信接口程序，数据库接口等模块可通过封 装后形成公用模块，通过修改不同的参数后即可达到在不同程序中调用的目 的。从而减少重复开发量，达到提高开发效率和降低开发成本的目的。由于这 些模块会被多次使用，因此它们的效率和稳定性也很关键。 但某些模块是为某一功能而专门编写的，一般不能应用在其他项目中，比 如某些算法的实现模块，以及打包解码的部分等。在编写这些模块的时候，要 注意的是做好与通用模块的衔接，使整个程序结构清晰。 本章主要介绍车轮外型测量仪和平稳性测试仪软件的设计原则和两者的 公用模块的编写。 3 1 设计原则和软件结构 手持虚拟仪器程序设计与一般的手机程序设计有很多相似性，但也有自身 特点，它一般应遵循下面几个基本原则： ( 1 ) 结构要合理 程序应尽可能采用模块化结构或面向对象的设计方法，它能把一个大型程序 分解为若干个子程序，有利于降低了程序设计的难度和工作量，也使程序层次 分明，易于于程序的维护和开发和调试。 ( 2 ) 友好的用户界面和简便的操作 程序的应用主要面向普通的工程技术人员，程序的功能菜单和人机对话说明 应简单明了。另外，由于手机屏幕小且多采用触摸屏进行操作，因此其操作应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 尽量简洁。这样可以减少操作人员的培训时间以及降低出错可能。 ( 3 ) 足够的反馈和提示机制 程序应有一定的反馈和提示机制，以防止意外操作或非法数据等外界因素影 响软件的正常工作如对重要的输入参数要有相应的检验功能，对不正常的测 试数据要有报警提示等。一般来说，提示和警告的量应在综合考虑操作的简便 性的基础上进行设计。 ( 4 ) 提高程序代码的执行效率 在进行测试和控制系统的手机程序设计时，程序的执行速度经常是程序设计 的主要考虑因素。在整个系统中，首先是硬件环节方面达到要求，然后在软件 上努力达到要求。选择合适的软件工具是程序设计的关键步骤。 ( 5 ) 提供必要的程序说明 程序设计应尽可能包含详细的说明语句，这不仅有利于编程人员编程阅读 也有利于进行维护、改进和功能扩展。当然程序说明书也是一种理想的选择。 基于智能手机的测量仪器主要包括界面模块，通信模块，数据处理模块和 数学计算模块等。结构如图3 1 所示： 图3 - 1 基于智能手机的测量仪器软件结构 其中，在设计专用虚拟仪器时，数据处理模块视具体需要可以和通信模块 合并。接收到数据后直接将数据解码并存储到内存或文件中。而在设计通用虚 拟仪器通信模块时，这两部分应该分别进行设计，以便重复使用。 对于基于智能手机的测量仪器而言，如非特殊需要，输入输出a o ) 接口 软件和功能模块层一般都由操作系统提供。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，主要实现整个测 试仪器系统的人机接口功能，数据分析和处理功能，存储打印功能，与外设通 信功能，甚至远程测控功能等一切用户所需要的功能。通常这一部分是最复杂 的。通常应用软件主要包含界面模块，数据计算处理模块，接口模块( 包括数 据解包模块) 等部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 3 2 测量仪器软件的公用模块 为了加快手持式虚拟仪器的开发速度和提高仪器质量，我们选择了公用模 块和特有模块相结合的方式：将某些常用模块编制成公用模块包，以便在所有 程序中进行调用。然后针对每个仪器的采集设备和各自算法的特点，再开发其 独有的特殊模块。这样既保证了开发的效率，同时也不会影响每个仪器功能的 相对独立性。 3 2 1 显示模块 显示模块在整个基于智能手机的测量仪器软件开发中占有重要的地位，它 的质量直接关系到界面是否友好和程序运行的效率。其编程实现可采用多种方 法，常用的有g d i 和g d i4 - 等。随着技术的发展，o p e n g l 这类主要用于三 维动画制作的技术也提供了可在手机上使用的o p c n g le s 库。 由于显示模块实现方法多样且代码量较大，因此本文着重介绍其开发思路 以及和基于p c 的虚拟仪器的区别。 其技术要点有如下几点： 1 手机显示屏尺寸较小，必须减少控件数量，过于复杂的控件会导致用 户观看和操作困难。 2 手机主要使用少量按键和触摸屏进行操作，实际应用中发现，有些在 p c 上常用的虚拟仪器控件在手机上并不适合，比如旋钮和滑动条等。使用触 笔很难对这类控件进行有效控制。 3 对于某些复杂的波形和图形显示要考虑加入缩放功能，便于用户操作。 4 由于手机的运算能力和存储能力有限，并不适宜进行三维实时图形的 绘制以及高频波形的实时显示等需要消耗大量c p u 时间和内存的操作，这样 会影响后续数据的接收和导致仪器运行不稳定。可以将数据暂存，然后在台式 机上进行绘制。 因此，基于智能手机的测量仪器和基于台式机的虚拟仪器的显示模块在外 观上有明显的不同，图3 - 2 为基于智能手机的测量仪器界面，图3 - 3 为基于台 式机的虚拟仪器界面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图3 2 基于智能手机的测量仪器界面 图3 3 基于台式机的虚拟仪器界面 从上图可以看出两者的主要不同在于基于智能手机的测量仪器界面通常 比较简洁，并且按钮等控件较少，这是由手机本身的特点决定的。另外，在设 计需要大量进行现场测试的虚拟仪器中，要尽量减少必须用户干预的次数。尽 量通过数据采集设备来发送指令进行对程序的操作，实现自动化测试。 显示模块的作用是使用户直观有效的了解虚拟仪器的分析结果，以便利 用。仪器的分析结果主要通过波形，文字或图表的方式显示，有时也通过数码 管，仪表盘，指示灯等来显示。下面主要分析以波形方式显示的建模及其原理 r z 1 ：i 】 o 在基于智能手机的测量仪器中，要实现图形的快速显示，特别是高频波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 的实时显示是一个非常重要的问题。采用通常的显示方式显示速度很很慢，并 且消耗大量内存和c p u 时间，导致系统无法正常响应外部接1 3 消息导致数据丢 失等严重问题。比如，显示一个5 0 万( 3 0 0 0 0 x 5 0 ) 点的三维数据场需要花费 数十秒时间( 具体时间与手机硬件有关) ，这是难以忍受的。下面介绍一种显 示较大数据量时的快速显示模型n 1 ，如图3 - 4 所示： 图3 4 一种快速显示模型【i 】 该模型依据的原理如下： 1 计算机的绘图时，由c p u 对信号数据进行缩放、平移、旋转等处理后， 通过绘图指令将数据传到显存，进而进行显示。+ 在此过程中，计算机的绘图指 令，比如m o v e t o 、l i n e t o 等所消耗的时间很大。因此，绘图中应当尽量减少 绘图指令。 2 显示设备的分辨率是有限的，这就决定了对大量数据显示时，会存在 重叠和视觉无法分辨的情况。例如，在绘制连接( 0 ，3 ) 点到( o ，8 ) 点的直线 中，如果每单位长度绘制一次的话，需要绘制5 条线段，但直接连接两点的话 只需要绘制一次。这样可以减少绘图次数，特别在采集点比较密集的时候可以 成倍提高绘制速度。本文的显示模块也是基于该快速显示模型进行编制。 3 2 2 r d a 模块 前面谈到虚拟仪器的一个优点就是可以将接收到的数据进行存储，而存储 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 的方法通常有存为文本文件或存入数据库中。w i n d o w sm o b i l e5 0 操作系统支 持s q l c e ，通过它可以在手机上实现数据库功能。s q l c e 是s q ls e r v e r 的精 简版本，它只提供了一些基础的存储，读取和查询功能。但对于手机来说， s q l c e 提供的功能已经能够基本满足使用。而由于在手机上查看和分析数据 库中的数据非常不便。因此需要将数据同步到台式机。r d a ( r e m o t ed a t e a c c e s s ) 瞄。技术就是为这个目的而产生的。通过它，不但可以在手机和台式机 之间上传和下载数据，手机还可以通过r d a 接口执行s q l 命令。 在客户端安装s q ls e r v e r c ec l i e n ta g e n t ，服务器端安装s q ls e r v e rc e s e r v e ra g e n t ，两者通过ii s ( i n t e r n e t 服务管理器) 进行通信。客户端s q l s e r v e rc ec 1i e n ta g e n t 通过s q ls e r v e rc e 数据库引擎与s q ls e r v e rc e 数据库进行通信，服务器端s o ls e r v e rc es e r v e ra g e n t 通过o l ed bp r o v i d e r f o r s q ls e r v e r 与s q l 服务器端数据库进行通信。 其中s q ls e r v e rc e 客户端代理是基于w i n d o w sc e 系统的移动客户端重 要的r d a 构成部分，是r d a 对象接口的执行实现。应用程序通过调用r d a 对象 接口以对r d a 进行程序控制。s q ls e r v e rc e 服务器端代理是负责处理由s q l s e r v e rc e 客户端代理请求的控件。 按r d a 架构完成环境配置后，在程序中使用s q l c e r e m o t e d a t a a c c e s s 对象 的特定方法实现数据的传输控制。r d a 对象可调用的方法包括p u l l ，p u s h ， s u b m i t s o l 三种。 一般来说，基于智能手机的测量仪器中移动数据采集终端与服务器的远程数 据访问包括两部分：一是从中心系统服务器p u l l 最新的配置信息等表：二是将 终端采集到的数据上传至中心系统生产数据库，实现代码如下： 得到p c e r d a 接口 h r e s u l th r 。c o c r e a t e i n s t a n c e ( c l s i d _ r e m o t e d a t a a c c e s s ，n i 几l ， c l s c r x _ _ i n p r o c _ s e r v e r ，i i d _ i s s c e r d a ，( l p v o i d 事) & p c e r d a ) ： a s s e r t ( h r = s _ o z ) ： a s s e r t ( p c e r d a ! = n u l l ) ： 1 1 1 、设置i n t e r n e tu r l b s t r = s y s a l l o c s t r i n g ( d l g s u b m i t m _ i n t e r n e t u r l ) ： p c e r d a - p u t i n t e r n e t u r l ( b s t r ) ； s y s f r e e s t r i n g ( b s t r ) ： 1 1 2 、设置i n t e r n e tu s e r n a m e b s t r = s y s a il o c s t r i n g ( d l g s u b m i t m i n t e r n e t u s e r n a m e ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 p c e r d a - p u t i n t e r n e t l o g i n ( b s t r ) ： s y s f r e e s t r i n g ( b s t r ) ： 1 1 3 、设置i n t e r n e tp a s s w o r d b s t r = s y s a l1 0 c s t r i n g ( d l g s u b m it m _ i n t e r n e t p a s s w o r d ) ： p c e r d a - y p u t i n t e r n e t p a s s w o r d ( b s t r ) ： s y s f r e e s t r i n g ( b s t r ) ： 4 、设置服务器连接串 b c o n n e c t s t r = s y s a l l o c s t r i n g ( d l g s u b m i t m _ c o n n e c t s t r ) ： 5 、设置执行的远程s q l 语句 b q u e r y s t r = s y s a il o c s t r i n g ( d l g s u b m it 。m _ _ q u e r y s t r ) ： 记录执行s o l 语句前的时间 g e t l o c a l t i m e ( & s y s t e m ti m e ) ： s y s t e m t i m e t o f i l e t i m e ( & s y s t e m t i m e ，( f i l e t i m e * ) & t i m e s t a r t ) t 执行远程s q l 语句 h r = p c e r d a 一 s u b m i t s q l ( b q u e r y s t r ，b c o n n e c t s t r ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第4 章手持车轮外型测量仪 客货车在运行一定行程后，必须对车轮外形的一些指标参数( 如：轮缘高 度、轮缘厚度、踏面磨耗、车轮直径等) 进行测量，与车轮的标准外形曲线进 行对比，以判断是否需要更换。目前铁路部门采用的是铁道车轮的第四种检查 器进行测量。由于刻度尺的使用和读数比较规范，人为因素造成的误差比较大， 而且对于大型铁路试验，相当麻烦。尤其我国目前处于铁路高速化阶段，研究 一种方便、精确、稳定、快捷的应用于现场的数字车轮外形测量仪具有非常重 要的意义p 。 为适应我国高速铁路的发展，方便、稳定地检测出铁路车轮的轮缘磨耗、 轮径等指标参数并绘制出车轮踏面的外形曲线，使客货车安全平稳地运行，本 仪器采用平面五连杆并联机构，应用光电编码器和无线传输技术，使用d s p 进行数据采集、手机进行数据接收显示。下面介绍此测量仪的工作原理、相关 技术和测量仪的特点，并对测量仪的误差进行了分析。经现场验证，此测量仪 精确、稳定、使用方便。 4 1 测量仪原理分析 测量仪采用五连杆并联机构倒，由左右2 个测量臂、5 个测量杆、2 个光 电编码器及1 个磁性轮组成。相对于二连杆串联机构，优点有：机构更轻巧 灵活，没有电缆的约束，测量力引起的机构变形误差较小；因编码器安装空 间和重量限制放宽，可选更高精度的编码器，使测量仪的准确度得到提高。五 连杆并联机构的工作原理如图5 - 1 和图5 2 所示。 l 、轮缘踏面外形曲线的测量( 所有计算在手机中自动完成) 如图4 - 1 ，o o ( x 。，y o ) 和a ( x a ，y ) 分别为编码器l 和2 的轴心点，测 量臂l 。和l 5 对x 轴的转角