（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器的制动测试系统.pdf

四川大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的制动测试系统 检测技术与自动化装置 研究生：韦伟指导教师：雷勇 在交通运输中，制动对确保行车安全有着重要的作用和意义，一方面是使 列车在任何情况下减速或停车，确保行车的安全；另一方面也是提高列车的运 行速度，提高牵引重量，即提高铁路运输能力的重要手段。 随着计算机软硬件技术的迅猛发展，测试系统开始向计算机的方向发展。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是现代计算机技术、仪器技术以及其他新技术完 美结合的产物。虚拟仪器技术的提出和发展，标志着2 l 世纪自动测试与电子测 量仪器技术发展的一个重要方向。现在，虚拟仪器已广泛应用于航天、通讯、 生物医学、地球物理、电子、机械等各个领域。 利用虚拟仪器技术，工程师只需要将需要的测量信号采集送入计算机，然 后再利用计算机的强大分析和处理能力，实现对测试数据的显示、存储以及分 析处理。本课题研究的虚拟仪器系统采用p c d a q 技术，以笔记本电脑和 p c m c i a 数据采集卡为基本的仪器硬件平台，配合必要的信号调理电路，利用 美国n i 公司的图形化虚拟仪器编程环境l a b v i e w 7 1 为开发平台，组成了一个 多功能的虚拟仪器测试系统。 在传统的测试系统只能在本地进行监控和结果输出的基础上，本文研究的 系统采用了d a t a s o c k e t 技术，使整个系统具备了网络的功能。用户可以在任何 地点通过网络观察测试的结果。 论文首先对虚拟仪器的基本概念、组成部分和发展情况做了简要的介绍； 接着对实际现场的虚拟测试系统的总体设计进行了介绍，其中包括了由传感器、 信号调理电路、数据采集卡和笔记本电脑组成的系统的硬件设备的功能和设计 的详细说明，以及系统的软件设计思想。然后根据软件的设计思想，分析了用基 四川大学硕士学位论文 于l a b v i e w 7 1 平台软件编写出的各个功能模块程序，包括了数据的采集，存 储、处理和显示模块。最后给出了系统用于1 2 0 型制动机测试中的应用，以及 试验的结果。 本系统实际运行在m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0 环境下，各个功能模块均采用模 块化编程，实验结果表明，系统的软件、硬件设计可行可靠，易于开发，并且 具有良好的可操作性和扩展性，能够适应多种制动产品的性能试验，能较好的 满足工业现场环境下的测试任务。 关键词：虚拟仪器；l a b v i e w ；制动；测试系统 璺型奎兰曼兰竺丝苎 t h eb r a k i n ga u t o m a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t m a j o r ：m e a s l l r e m e n tt e c h n i q u ea n da u t o m a t i o nd e v i c e g r a d u a t e ：w e iw e i a d v i s o r ：l e iy o n g i nt h et r a n s p o r t a t i o n , b r a k i n gi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es e c u r i t yo f n m n i n gt h e t m i mo no r l eh a n d , i tc a l ls l o wd o w no rs t o pt h et r a i nu n d e ra n ys i t u a t i o ns oa st o g u a r a n t e et h es a f e t yi np r o c e s s ，o nt h eo t h e rh a n d , i tc a r la l s oa c t sa sa ni m p o r t a n t m e a n bt oa d v a n c et h ew a n s p o r tc a p a c i t yo f t h er a i l r o a d , i e t h ec a p a c i t yt oa c c e l e r a t e t h et r a i na n di t sl o a d w i t ht h es w i f td e v e l o p m e n to f c o m p u t e rh a r d w a r e t e c h n o l o g i e s ，a p p l i c a t i o no fa n o v e lv i s u a li n s t r u m e n th a sb e e nat e n d e n c yi n t h em e a s u r i n ga r e a v i r t u a l i n s t r u m e n ti st h ec o m b i n a t i o n o fm o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g y , i n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n do t h e rn e wt e c h n o l o g i e s t h el a u n c ha n dd e v e l o p m e n to fv t r t u a l i n s t r u m e mt e c h n o l o g ys y m b o l i z ea l li m p o r t a n td i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fa u t o t e s ta n de l e c t r o n i cm e 鲫e l n e n t n o w a d a y s ，v i r t u a li n s t r u m e n ti sw i d e l yu s e di nt h e f i e l d so fa e r o ，c o m m u n i c a t i o n , b i o m e d i c i n e ，p h y s i c a lg e o g r a p h y , e l e c t r o n i ca n d m e c h a n i c s b ya p p l y i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , e n g i n e e r so n l yn e e dt os e n dt h e s i g n a l st ob et e s t e di n t ot h ec o m p u t e r s , a n dt h e nu s et h eg r e a ta b i l i t i e so fc o m p u t i n g a n da n a l y z i n gt or e a l i z ed a t ad i s p l a y , d a t as t o r a g ea n dd a t ap r o c e s s i n g b a s e do n p c - d a qt e c h n o l o g y , am u l f i f u n c t i o n a lv i r t u a li n s t r u m e n t , w h i c hi sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s , h a s 妇】eh a r d w a r ew h i c hi sm a i n l yb a s e do nal a p t o pc o m p u t e r , t w op c m c a d a t aa c q u i s i t i o nc a r d sa n dn e c e s s a r ys i g n a lc o n d i t i o nb o x i t ss o t c w a r ei sd e v e l o p e d b yt h eg r a p l l i c a lv i r t u a li n s t r u m e n tp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n tl a b v i e w 7 1 ，w h i c h i sp r o d u c e db yn i i l l 四川大学硕士学位论文 u s e r sc a l lo n l yc o n t r o lt h es y s t e ma n dg e tt h et e s tr e s u l to nl o c a lm a c h i n e s u n d e rat r a d i t i o n a lt e s ts y s t e m ，w h i l et h es y s t e md i s c u s s e di nt h i st h e s i sp e r m i t sa n y r e m o t ea c c e s st h r o u g ht h en e t w o r kv i ad a t a s o c k e ts e r v e r t h e r e f o r e ，u s e r sa r ea b l e t og e tt h et e s tr e s u l ta ta n yp l a c e t 1 1 i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i ci d e a so ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t , a n dt h e c o m p o n e n ta n dt h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e m t h e nt h ed e s i g no ft h ev i r t u a l i n s t r u m e n tm e a s u r e m e ms y s t e mi sd i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h ed e t a i l e df u n c t i o na n dt h e d e s i g no ft h eh a r d w a r ed e v i c ew h i c hi sc o m p o s e do fs e n s o r , s i g n a lc o n d i t i o n , d a t a a c q u i r i n gc a r da n dl a p t o pc o m p u t e r , a sw e l la st h ei d e ao fs o f t w a r ed e s i g nf o rt h e s y s t e m a f t e rt h a t , t h em a i nf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es y s t e m a t i cs o f t w a r eb a s e do n l a b v i e w 7 1a r ea n a l y z e d ，w h i c hc o m p r i s et h ed a t aa c q u i s i t i o n , d a t as t o r a g e ，d a t a p r o c e s s i n ga n dd a t ad i s p l a y a tl a s t , t h ep r o c e d u r ea n dt h er e s u l to f t h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e mi nt h et e s to f a i rb r a k i n gv a l v ea r ep r e s e n t e d 硒es y s t e mf u n c t i o n si nt h ee n v i r o n m e n to ft h ew i n d o w s2 0 0 0a n di s p r o g r a m m e di nf u n c t i o n a lm o d u l e s n l er e s u l to ft h et e s ts h o w st h a tt h eh a r d w a r e a n dt h es o f t w a r eo ft h es y s t e ma r er e l i a b l ea n dc a n e a s i l yd e v e l o p g o o d m a n i p u l a b i l i v a n de x p a n s i b i l i t yp r o v i d et h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e 、) l ，i t i lt h e a b i l i t yt ob eu s e di nm a n yk i n d so fp e r f o r m a n c et e s t s ，a n dt of i n i s ht h et a s ku n d e rt h e i n d u s t r i a le n v i r o n m e n tw e l l k e yw o r d ： v i r t u a li n s t r u m e n t ：l a b v i e w ：b r a k e ：m e a s u r e m ts y s t e m 四i 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 人为有控制地对运行着的列车施加阻力，使列车减速或停车，叫“制动”， 通常也称为“刹车”。反之，对已经施行制动的列车，解除或减弱其制动作用， 称为“缓解”。为使列车能施行制动和缓解而安装于列车上的一整套设备，总称 为“列车制动装置”。 在交通运输中，制动对确保行车安全有着重要的作用和意义，一方面是使 列车在任何情况下减速或停车，确保行车的安全；另一方面也是提高列车的运 行速度，提高牵引重量，即提高铁路运输能力的重要手段。 如果车辆上不装设制动设置，或虽有制动装置但不使用，列车需要减速或 停车时，只能依靠周围空气和线路作用于列车的运动阻力来消耗列车的动能。 由于列车的动能相当大，滑行距离将达到很惊人的数值，特别是在列车前方线 路发生故障、突然发出停车信号或遇到其他危急情况时，更无法立即停车，所 以制动机的首要作用是确保行车安全。提高铁路通过能力的措施之一是提高列 车运行速度，提高运行速度不仅需要有大功率的机车和动力性能良好的车辆， 以及线路桥梁，通信信号等方面的配合，还必须有性能良好的大功率的制动装 置，不然提高列车运行速度也是不可能的凹。 性能试验是对新造和检修后的制动系统进行各项性能检验。检测的性能将 直接影响列车的安全运行。在试验台上可以对制动系统的各个性能参数进行测 试，以检验质量是否符合技术要求。 随着计算机技术的迅猛发展，测试系统开始向计算机的方向发展。虚拟仪 器( v i r t u a li n s t n u n e n t ) 是现代计算机技术、仪器技术以及其他新技术完美结合 的产物。虚拟仪器技术的提出和发展，标志着2 1 世纪自动测试与电子测量仪器 技术发展的一个重要方向。 鉴于虚拟仪器技术的优点，我们选择使用虚拟仪器技术来构建新的测试系 统。 四川大学硕士学位论文 1 2 列车制动机 1 2 1 列车制动机分类 制动装置喁】一般可以分为两大组成部分：制动机( 产生制动原动力并进行 操纵和控制的部分) 和基础制动装置( 传送制动原动力并产生制动力的部分) 。 列车制动在操纵上按用途可分为两种： 1 常用制动：在正常情况下为调节或控制列车速度，包括进站停车所实施 的制动。其特点是作用比较缓和以及制动力可以调节，通常只用列车制 动能力的2 0 8 0 ，多数情况下只用5 0 左右。 2 紧急制动：紧急情况下为使列车尽快停住而实行的制动( 也称为“非常 制动”) ，其特点是作用比较迅猛，而且要将列车制动能力全部用上。 按制动原动力和操纵控制方法的不同，机车车辆制动机可分为：手制动机， 空气制动机、真空制动机、电空制动机和电磁制动机。 1 手制动机是以人力为原动力，以手轮的转动方向和手力的大小来操纵控 制，是铁路上历史最悠久的制动机，现在成为辅助的备用的制动机。 2 空气制动机：空气制动机的特点是以压力空气( 它与大气的压差，即压 力空气的相对压强) 作为原动力，以改变空气压强来操纵控制。它的制 动力大，操纵控制灵敏便利。 3 真空制动机：真空制动机的特点是，以大气( 与真空的压差) 为原动力， 并改变真空度来操纵控制。 4 电空制动机：电空制动机为电控空气制动机的简称。它是在空气制动机 的基础上加装电磁阀等电气控制部件而形成的。它的特点是制动作用的 操纵控制用电，但制动作用的原动力还是压力空气( 它与大气的压差) 。 在制动机的电控因故失灵时，它仍可以实行空气压强控制( 气控) ，临 时变成空气制动机。在列车速度很高或者列车编组很长，空气制动机难 以满足要求时，采用电空制动机可以大大改善列车前后部制动和缓解作 用的一致性，显著减轻列车纵向冲击并缩短制动距离。 5 电磁制动机：操纵控制和原动力都是用电的制动机称为电磁制动机，简 称电制动机。例如轨道涡流制动和旋转涡流制动，其操纵控制和原动力 都是用电，所以，采用这两种制动方式的制动机都属于电磁制动机的范 2 阴j ”大学硕士学位论文 畴。 1 2 2 制动机工作原理 以电空制动机为例，制动机工作原理如下。 傈压 蝴 e x 图1 1 电空制动机 卜一列车管；2 一三通阔：3 一副风缸；4 一制动缸；5 一加速缓解风缸； 卜制动电磁阀：砩压电磁阔；8 - - 缓解电磁阀；卜止回阀。 在制动时各车的制动电磁阀6 的排气口同时打开，将列车管1 的压力空气 排往大气，产生制动作用。在缓解时各车的缓解电磁阀8 的通路也同时打开， 使各车的加速缓解风缸5 同时向列车管l 充风( 加速缓解风缸5 的风是在列车 管l 经过三通阀2 向副风缸3 充风时经过止回阀9 充至定压的，由于止回阀的 作用，制动时加速缓解风缸的风没有使用) 。在列车施行阶段缓解、缓解电磁阀 8 的通路被关闭、列车管空气压强保持不变时，保压电磁阀7 将三通阀的排气路 切断，所以，三通阀主活塞虽然仍停留在充气缓解位，制动缸经三通阀与排气 口相通，但此时不通大气，制动缸空气压强能保持不变，即可以实现阶段缓解 嘲。 四川大学硕士学位论文 1 3 虚拟仪器技术 1 3 1 虚拟仪器技术概念 虚拟仪器技术是二十一世纪科学技术中的核心技术之一，它包含了计算机 技术、自动控制技术、测量技术、电子技术等多方面。美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 于八十年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚 拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪 器。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上是一种基于计 算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件 有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控 铝i 。v - , 力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数 据的显示、存储以及分析处理1 。 虚拟仪器是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。通过应用程序将通用 计算机和功能模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计 算机，完成对测试数据的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪 器系统中的硬件仅仅是为了解决信号的调理和输入输出与传统的电子仪器相 比，虚拟仪器以软件取代了部分的硬件，用软件实现了数据读取、数据分析处 理、数据显示等传统仪器只能用硬件实现的功能。虚拟仪器通过友好的图形界 面( 虚拟前面板) 操作这台计算机，就像在操作自己定制的一台传统仪器一样。 它以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、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) 的测量、控制能力结合在一起， 通过软件实现数据的分析处理、表达。以这种方式构成的虚拟仪器系统实质是 计算机仪器系统，从某种意义上来说，“软件就是仪器”。这意指，当硬件平台 i o 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件就可以构成具有该 种功能的测试仪器幽j 。 虚拟仪器对测量仪器发展的深刻意义在于，测量仪器的功能可以由用户根 据需要自行设计软件来定义或扩展，而不是只能由厂家事先定义且固定不可变 更。这样，用户不必购买多台不同功能的传统仪器，因为虚拟仪器可与计算机 同步发展，与网络及其他周遍设备互连，用户只需要改变软件程序就可以不断 赋予它或者扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的 4 四大学硕士学位论文 专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使 用者带来无尽的收益。 目前，一组以先进的计算机总线技术和虚拟仪器编程技术为核心的新技术， 正在广泛应用于测试与仪器技术领域，它包括高速总线技术v x i ( v m e b u s e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n s )、p x i( p c ie x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n s ) 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 、i e e e l 3 9 4 ( f i r e w i r e ) 、 基于网络的远程测量技术、智能虚拟仪器驱动技术i v i ( i n t e r c h a n g a b l e v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 等。采用这些新技术的测试仪器，预计其技术性能可以 比传统独立台式仪器提高1 0 倍以上，而且系统互换性和互操作性显著提高。未 来的电子测试仪器除了拥有更强大和更完善的功能之外，还将变的更小，甚至 可以移植到被测试的设备或电路中去，并且具有自我诊断、自我校准和自我感 知的能力。届时，人们仅仅需要向仪器发布一个测试指令，就可以获得最终的 测试结果和信息”。 1 3 2 虚拟仪器技术的特点 虚拟仪器具有以下特点： 1 仪器的功能和性能的实现大多采用硬件软件化或以软件代硬件技术来完 成复杂的控制、分析或处理等能力，强调。软件就是仪器”的新概念， 在虚拟仪器中，除了必备的硬件外，解决了传统仪器单个仪器资源不能 共享的现状。 2 由计算机来完成显示、存储、打印及微处理器控制管理等，即无论任何 功能的仪器可利用或共享计算机的这些公共资源，而无需重复的设计。 3 模块化、开放性、互换性的特点和资源的重复性，并可方便、经济的组 建或重构自动测试系统，用户可根据自己的需要选购不同功能的卡式或 模块化仪器，并可随测试任务的不同而灵活组合，提高仪器资源的可再 用性。 4 自定义仪器功能。传统仪器在出厂时其功能己由厂商确定，用户不能根 据自己的需求随时进行修改，只能一机一用，而虚拟仪器则可借助通用 的数据采集装置，编制不同的软件测试方案，构造几乎任意功能的仪器， 四川i 大学硕士学位论文 “软件就是仪器”的思想在这里再次体现。 5 使硬件测试设备与计算机之间的数据交流变的非常方便、直接和迅速。 采用虚拟仪器技术，测试设备所得的测试结果将会实时、直接的通过计 算机总线传输到计算机的内存或硬盘，供以后分析使用。这样，一方面 避免了数据传输的问题，另一方面可以充分的利用计算机的存储功能。 6 使用人员可以通过软件编程或采用现有的分析模块，根据工程的实际需 要实时、直接的对测试数据进行各种分析与处理。如d f t ，f f t 运算，p i d 控制、模糊逻辑控制、联合时频分析、数字信号处理等，从而对被测控 对象进行进一步的控制跚。 1 3 3 虚拟仪器与传统仪器 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活， 很容易构建，所以应用极为广泛，尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测 控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的 “硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示 波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用 探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温 度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格 简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集 成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设 备构成自动控制系统。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压 电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机 技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配 合数据采集及数据处理十分困难，而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测 量时常感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷 乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统不但使测 量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动 数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套 6 四t 1 大学硕士学位论文 完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应 的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使 得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。 虚拟仪器与传统仪器比较如表1 1 。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器比较 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义 功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接十分有限可方便的与网络外设及多种仪器连接 图形界面小，人工读取数据，信息量小界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一 系统封闭、功能固定、可扩展性差 基于计算机技术开放的功能模块可构成多种 仪器 技术更新慢 技术更新快 开发和维护费用高基于软件体系的结构可大大节省开发费用 现在，虚拟仪器已广泛应用于航天、通讯、生物医学、地球物理、电子、 机械等各个领域，并沿着标准化、模块化、网络化方向发展【3 3 】。 1 3 4 虚拟仪器的硬件组成 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： 1 计算机：一股为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 2 f o 接口设备：主要完成输入信号的采集、放大、模，数转换。可根据实 际情况采用不同的f o 接口硬件设备，如数据采集卡，板( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串1 ：3 仪器等【3 6 l 。 7 四l i i 大学硕士学位论文 虚拟仪器的硬件构成方式主要有5 种类型，如图1 2 所示1 4 舶。 一 信号调理 h数据采集卜_ 一 ig p l b 接口仪器卜1g p i b 接口卡一 测 l a b v i e w 控 l 自# 镕n l a b w i n d o w s 对 “j ，c v l 象 其他软件 l v x i p x i 仪器 l i 现场总线仪器 l 图1 2 虚拟仪器构成框图 虚拟仪器硬件设备主要包括各种计算机内置插卡和外置测试设备等。根据 所用仪器硬件的不同，虚拟仪器可分为p c d a q 系统、g p i b 系统、v x u p x i 系统、现场总线系统、串口系统。其中发展主流是g p i b 、p c d a q 、v x i 和p x i 四种标准体系结构2 2 】【“1 。 1 g p i b 总线方式的虚拟仪器测试系统 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测 量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一 台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而 成。在标准配置情况下，一块g p i b 接口卡可以带多达1 4 台的仪器，电缆长度 可达到2 0 m 。g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人 工操作方式，可以很方便的把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。g p i b 测试系统的结构和命令简单，主要市场在台式仪器市场。但是它与p c 机相连需 要专用接口以及g p i b 仪器，结构复杂，传递速率较低，逐渐被其他形式的仪 器所替代。g p i b 测试系统适合于精确度要求高，但不要求对计算机进行高速数 据传输的应用，成本也较高。 四川大学硕士学位论文 2 p c 总线式的虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件，完成测试任务。 它充分利用计算机的总线、系统内存、机箱、电源以及软件的便利，大大增加 了测试系统的灵活性和扩展性。具有良好的开放式软、硬件平台。其接口总线 简化了系统构成，使得系统扩充、变更更容易，构建的测试系统更灵活，系统 的总体性能优于g p i b 。并且随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技 术与信号调理技术的迅速发展。测试系统的采样速率最高已达到1 g b s ，精度更 高达2 4 位，通道数高达“个，并能任意结合数字f o 、模拟i o 、计数器定时 器等通道。仪器厂家生产了大量的测试功能模块可供用户选择，如示波器、数 字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在p c 计算 机上挂接若干测试功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能 的p c 仪器。但这种方式受p c 机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱 内部的噪声电平较高、机箱内无屏蔽等缺点。由于插卡式仪器价格最便宜，性 价比比较高，灵活性较好，个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛。 3 v 总线式的虚拟仪器 一 v x i 总线是高速计算机总线v m e 在仪器领域的扩展，它具有稳定的电源， 强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标推开放，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，很快得到广泛的应用。经过1 0 多年的发展，v x i 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，尤其适用于组建大、中规模自动测试 系统以及对速度、精度要求高的场合。然而，组建v x i 总线要求有机箱、零槽 管理器以及嵌入式控制器，造价比较高，硬件设计复杂，面市的品种也较少。 4 p x i 总线式虚拟仪器 p x i 总线方式是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成 的，所增加的多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线， 以便用于相邻模块的高速通信的局部总线。p x i 有高度的可扩展性，它有8 个 扩展槽，而台式p c i 系统只有3 _ 4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩 展到2 5 6 个扩展槽，但成本比较高，硬件设计复杂。 9 四川大学硕士学位论文 1 3 5 虚拟仪器的软件组成 虚拟仪器的内部功能划分如图1 3 所示【4 2 】。 i用户应用层 i i测试程序层 l 仪器设备层 ( 仪器驱动库) 图1 3 虚拟仪器软件组成 按结构化进程，应用程序设计分成3 个层次： 1 设备驱动层：进行数据采集和控制，涉及到硬件操作，需要相应的硬件 驱动程序。 2 测试程序层：设置各仪器的参数并采集数据，进行数据分析和处理。 3 用户程序层：为用户提供各类测试仪器的虚拟界面，并对各仪器进行调 用，管理测试程序。 1 4 课题研究内容及意义 1 4 1 课题的研究内容 鉴于虚拟仪器技术上的优点，我们利用虚拟仪器技术来构建制动机试验的 测试系统。 本系统中计算机采用笔记本电脑，数据采集卡采用d a q c a r d - 6 0 3 6 e ，并使 用l a b v i e w 软件平台编写用户界面及测试程序，构建了一个具有良好扩展性的 完整测试系统。 1 0 四川大学硕士学位论文 1 4 2 课题的意义 由于铁路运输的不断发展以及列车制动系统对于行车安全性的重要作用， 对制动系统的测试也显得由为重要。本虚拟仪器测试系统是为了满足数据采集 以及制动机试验的要求而设计的。它可以用于对出厂前或返修的制动系统进行 测试，也可用于对新型研制的制动机进行测试。实践证明采用l a b v i e w 虚拟仪 器软件构成的测试系统具有结构简单、操作方便、测试成本低、便于携带的特 点，具有良好的应用价值。 四川大学硕士学位论文 2 制动测试系统的总体设计 2 1 制动测试系统功能 本系统是采用虚拟仪器技术实现通用数据采集以及对多种制动机性能试验 进行测试，利用计算机强大的处理、计算和显示功能，对虚拟仪器软件编程来 实现的。 本系统采用微机系统作为中央控制单元，具有自动化程度高，测量准确， 操作简单方便等特点。全套设备采用智能测试技术、虚拟仪器技术和全汉化人 机操作界面进行操作，实现了“所见既所得、所点既所干”的全智能“傻瓜” 式操作模式。系统主要能实现以下功能： 系统功能： 制动压力、温度、电压量等数据检测，并能对数据进行实时显示、存储、 调用、输出和后期整理。 系统辅助功能： 中央监控、系统自检报警功能、数据命名存储、系统自诊断与自动修正功能、 测试点选择控制、显示选择控制、数据分析计算处理等。 用户操作功能： 用户可以对测试系统的初始化参数进行设置，对测试对象进行选择，可以 测试单个工作参数，也可以同时测试多个工作参数。 扩展功能： 能够对多种制动机进行性能测试。测试中，可以顺序执行各测试步骤，也 可以选择执行指定的测试步骤。 2 2 制动测试系统构成及工作原理 2 2 1 典型虚拟仪器测试系统结构 1 2 四川i 大学硕七学位论文 基于d a q 的虚拟仪器测试系统结构如图2 1 所示。 图2 1 典型d 加测试系统结构 测试系统的工作流程如下： 1 数据采集系统采用传感器为数据采集元件； 2 经过信号调理系统的处理，将输入的电量进行变换、滤波等处理，输出 标准信号： 3 利用a d 转换卡将模拟信号转换成为计算机能处理的数字信号； 4 通过设备的驱动程序，将数字信号送入计算机，利用计算机实现数据的 存储、分析和处理。 系统中硬件只是用于实现信号的调理和输入输出，而采用软件才是关键。 利用系统软件可以实现以前许多由硬件才能完成的功能，如数字、波形显示等， 另外还可以利用本身的软件功能实现信号数据运算、分析、处理等功能。通过 改变软件就可以使系统很方便的适应不同测试的要求。 网川大学硕士学位论文 2 2 2 制动测试系统工作原理 本虚拟测试系统可以作为通用数据采集系统，完成数据采集功能：也可以 作为制动机性能测试系统，完成多种制动机的性能测试。 作为通用数据采集系统，传感器为数据采集元件，信号先经过信号调理系 统的处理，再通过a d 转换将模拟信号转换成为数字信号，最后送入计算机实 现数据的存储、分析和处理工作。 图2 2 通用数据采集系统框图 作为制动机性能测试系统，其测试原理如下： 将需要测试的制动系统安装在测试平台上，选择需要进行的测试项目，设 置好各种参数，然后可以开始运行测试程序。 按照测试大纲的要求，顺序地执行测试步骤或者只执行选定的测试项目。 根据测试的项目、参数以及试验步骤的要求，采用p l c 控制电磁阀工作， 并通过不同的传感器，将被测参数转换为电信号，再将得到的信号经过放大调 理后，通过数据采集卡送往笔记本电脑，进而完成参数的检测、数据的保存、 数据分析等功能。根据测得的参数，判断制动系统的工作状态。 测刮煳糕卡净 计 试 算 对 机 系 象 车r 面 一 统 图2 3 制动机测试系统框图 1 4 四川大学硕士学位论文 2 3 制动测试系统硬件结构 2 3 1 制动测试系统整体结构 数据采集系统的主体为传感器、信号调理系统、数据采集卡、p l c 及笔记 本电脑构成的硬件系统。 传感器 图2 4 系统硬件连接图 数据采集系统对测试参数进行数据采集。传感器用于实现将压力、温度等 待测物理信号转换为电信号。信号调理系统将采集到的信号变为数据采集卡可 以接受的信号，实现系统增益的调节以适应不同传感器的输出范围，并进行低 通滤波，以减少带入信号的高频干扰。信号采用差分连接，这样不仅抑制接地 回路感应误差，而且在一定程度上抑制拾取的环境噪声。信号调理系统通过屏 1 5 四川大学硕士学位论文 蔽电缆s h 6 8 6 8 连接到数据采集卡上，这样进一步减少环境对信号的干扰。经 过调理的信号将通过数据采集卡采集送入笔记本电脑中，笔记本电脑负责通过 p l c 控制电磁阀的动作，控$ ：1 5e 1 动机试验的进行，并完成对数据的采集、处理、 分析和结果显示。 2 3 2 传感器的选择 要实现对系统的检测，必须先要测量出信号的大小。传感器是信号输入通道 的第一道环节，也是决定测试系统性能的关键环节之一。因此必须对传感器、 变送器进行合理的选取。 传感器的选取原则如下： 1 转换范围与被测量实际变化范围( 变化幅度范围、变化频率范围) 相一 致。 2 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标 ( 一般应优先于系统精度的十倍左右) ，转换速度应符合整机要求。 3 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗 震、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。 4 能满足用户对可靠性和可维护性的要求o 】。 系统测试过程中，主要需要获取以下的信号：电压、压力、温度等，分别 利用压力传感器、温度传感器等获取。 2 3 3 信号调理模块 信号调理模块在测试系统中用于保证信号的准确性和可靠性。信号调理的目 的在于提高信号测量的精确性，并保护测量系统防止外界异常变化可能给系统 造成的损害。信号调理能够帮助系统实现：高度的准确性，优良的噪声抑制能 力，可靠的系统安全防护能力和与传感器直接接口的性能。 信号调理能实现以下功能： 1 现场与计算机测量系统之间提供隔离保护； 1 6 四川大学硕士学位论文 2 对信号进行放大或衰减，使传感器输出的电压信号在数据采集卡的工作 范围内，如图2 5 所示； 3 滤除信号前端的干扰噪声： 4 提供测星系统的过压保护： 5 提供5 芯的航空插头接入传感器信号，便于现场接线。 2 3 4 数据采集卡的选择 图2 5 信号放大衰减电路 随着计算机技术的发展，越来越多的工程师采用基于p c 系统的数据采集系 统来完成各种测试测量任务。在通用计算机和数据采集卡设备的基础上建立起 来的虚拟仪器具有良好的功能扩展性。在本系统中选择采用数据采集卡来实现 1 7 网i i i 大学硕十学位论文 数据采集功能。 数据采集卡是实现将测试信号从模拟信号变成计算机能接受和处理的数字 信号功能的硬件。它主要由多路开关、放大器、采样，保持器、a d 转换器等环 节组成。对数据采集卡的选择，要注意数据分辨率和精度、采样速度、通道数、 数据总线接口类型等方面，综合选择圆。 1 采样频率 采样频率指单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数，是数据采集卡 的重要技术指标。采样频率高，就能在一定时间获得更多的原始信号。由采样 定理，为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复现原始输入信号， 必须使采样频率工至少为输入信号最高频率厶。的两倍，否则会出现频率混叠 现象。实际系统中，为了保证数据采样精度，一般工程中取 正= ( 7 一l o ) 腻 ( 2 - 1 ) 其中n 为多通道数据采集时的通道数。 如果信号变化比数据采集卡的数字化要快，或者采样频率太低，就会产生 波形失真，如图2 6 所示。 合适的采样频率 2 数据分辨率和精度 不合适的采样频率 图2 6 采样频率与信号 1 8 四川大学硕士学位论文 分辨率是a d 转换所使用的数字位数。a d c 的位数越多，分辨率就越高， 输入信号的细分程度就越高，可区分的最低有效位( l s b ) 就越小。例如，3 位 转换将模拟电压分为8 段，每段用二进制代码在0 0 0 到1 1 1 之间表示。 在组建测试系统的时候，测试结果有一个精度指标，这个精度是从整个系 统考虑的，不仅涉及到a d 变换的精度，还必须考虑传感器、信号放大、采样 保持、多路开关、参考电压以及计算机数据处理等各部分的误差，要根据实际 情况确定对数据采集卡的精度要求。 3 模拟输入通道数 表明数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。 4 量程 指a d c 能够量化处理的最大、最小输出电压值。d a q 卡提供了可选择的 输入范围，它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。 在本设计中对数据采集卡的要求有： 1 多路的模拟输入； 2 有一定大小的缓存； 3 为了实现便于携带，采用笔记本p c m c n 接口； 4 一路定时器 5 较高的性价比。 经过选择，我们采用n id a q c a r d 6 0 3 6 e 数据采集卡。d a q c a r d - 6 0 3 6 e 是 1 6 位2 0 0 k s s ( 采样点剡秒) p c m c i a 接口的多功能数据采集卡，具有1 6 通 道单端模拟输入或者8 通道差分模拟输入，2 通道模拟输出，8 位数字i o 以及 2 路2 4 位计数器定时器。其硬件设置完全由软件实现，无需用户对硬件连