摘 要

本文借助虚拟仪器软件LabVIEW开发了一个针对双轮实验台各数据的采集界面，虚拟仪器结合了仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术，是一种利用计算机强大的数字处理能力实现传统仪器的大部分功能的新型仪器模式。这种模式大大降低的开发成本，同时也具有强大的灵活性。

本文主要选用NI公司的USB6001数据采集卡结合虚拟仪器的相关功能实现数据实时显示，多通道开关控制，数据存储以及数据检索的功能。

文章首先介绍了双轮实验台的研究背景，主要针对扭振对波磨的影响进行相关分析。由于在整体的实验中负责数据采集的任务，又对测量技术的发展现状未来的趋势进行了总结，介绍了有关信号采集方面的知识。在明确了要实现的主要功能后，进行了硬件选型与接口处理，然后对程序模块化，数据存储，界面设计等部分进行了设计，最后在计算机上对设计的程序进行仿真，并且将仿真的信号存储进了ACCESS数据库，完成信号采集界面的开发。

本文的特色在于利用虚拟仪器进行了测量，实践证明虚拟仪器的功能足够强大，能够实现所要求的任务。

关键词：LabVIEW；数据采集；数据库；虚拟仪器

Abstract

This paper developed a data acquisition interface based on double-disk test rig through the virtual instrument-LabVIEW. Virtual instrument is a new instrument pattern which combine the computer, instrument and software technology to achieve traditional instrument’s functions in virtue of the strong compute ability of computer. The pattern is flexible and reduces the cost of development as well.

In this paper, I selected the data acquisition card USB6001 of NI and the relative function of virtual instrument to achieve the function of data display, multi-channel switch control and data storage.

I first introduced the background of double-disk test rig, which aimed at studying the relationship between torsional vibration and corrugation. On account of my task about data acquisition, I still introduce the development of measurement. After realizing the main mission, I begin to select the hardware and design the software. Finally, I simulated the procedure in computer and save the data in ACCESS database, compete the expected function.

The feature of my paper is collecting data through virtual instrument. From the practice we can find the virtual instrument is access to achieve data acquisition.

Key Words：LabVIEW; Data acquisition; database; virtual instrument

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 测量技术的发展现状 1

1.3 虚拟仪器的发展 2

1.4 LabVIEW简介 4

1.5 本文主要内容 5

第2章 总体方案设计 6

2.1 需求分析 6

2.2 数据采集系统介绍 6

2.2.1 数据采集系统的发展 6

2.2.2 数据采集系统设计 7

第3章 系统硬件的介绍和选取 9

3.1 传感器 9

3.1.1 传感器的发展及应用 9

3.1.2 应变电桥传感器 10

3.1.3 光纤光栅传感器 11

3.2 信号调理设备 12

3.3 数据采集卡选取 13

3.3.1 数据采集卡参数 14

3.3.2 输入信号的类型 14

3.3.3 采集方式 15

3.3.4 数据采集平台 16

3.3.5 USB6001数据采集卡 18

第4章 数据采集界面的开发 19

4.1 总体方案设计 19

4.2 多通道数据采集模块 20

4.3 数据存储模块 21

4.3.1 数据库的概念 21

4.3.2 ACCESS数据库介绍 22

4.3.3 数据库与LabVIEW的连接 22

4.3.4 数据库操作程序 23

4.4 用户登录界面 26

第5章 仿真测试 27

第6章 结论与展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1引言

铁路运输相比于其它类型的运输由于具有速度快，运量大，成本低，污染小等优点，因此一直在我国交通运输业中占有相当大的比重，但是随着车速的提高，载荷的增加，轮轨之间越来越容易发生破坏。在所有和轮轨有关的破坏中，波磨一直是一个难题。波磨是指钢轨投入使用后，在其表面上出现的规律性凸、凹不平的现象。钢轨波磨的存在会引起轨道结构激烈的振动，产生噪声，不仅会影响旅客乘坐舒适度，还会增加铁路养护部门的维修工作量和维修费用，严重时会导致重大脱轨事故的发生^[1]。有关波磨的成因较为复杂，目前有许多种可能的成因，有人认为接触表面的载荷引起材料不均匀的塑性流动从而形成波磨^[2]，有人认为轮轨接触共振是一个原因^[3]，也有人认为是垂向，弯曲，扭转三方面的振动构成自激振动系统^[4]，根据不同程度的振动会引起不同类型的波磨。为了减少波磨，还需研究不同因素对波磨的影响，在一系列实验的基础上，前人得出许多相关结论，首先，载荷的大小与波磨无关，但是载荷的变化会加剧波磨的形成，而且波磨形成后波磨的波长会随着转速和蠕变率的增加而增加^[5]，其次，轨道如果是尖锐曲线，会导致车轮的滚动半径有偏差，从而在纵向蠕变力的作用下产生扭转，这种扭转可以引起扭振进一步激起波磨^[6]，但是这种扭振对波磨的影响尚无人深入研究，因此我们决定研究扭振对波磨的影响并搭建双轮实验台，在实验台的各部分中，我主要负责信号采集工作。

信号采集属于测控方面的知识，测控技术在科学研究、工业生产和国防等领域都有着广泛的应用，早期的测控仪器较为庞大，成本较高，但进入21世纪以来，随着计算机技术的发展，测控仪器也取得了很大的进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、虚拟仪器等微机化仪器。由于传统的测量设备有很多不足之处，例如功能单一，灵活性差，对于很多条件不适用，很难采集多通道的数据，而本次研究需要采集多通道的数据，显然虚拟仪器更具优势，因此选用了美国NI公司的LabVIEW进行信号采集。

1.2测量技术的发展现状

测量一直是各类研究及工业的基础，不同的测量仪器仪表体现着不同的测量技术。早期的测量方式主要是通过大型仪表来完成各个物理量的测量，这种方法成本较高，同时在测量对象上的范围数量级波动太大，因此人们希望有更好的测量方法。随着现代电子技术的发展，数字化仪器成为主流，逐渐产生了计算机测量方法，把计算机和测量设备结合起来，通过计算机对硬件进行控制以及数据分析，这种方法称为电子测量。电子测量是在计算机技术，自动化技术以及通讯技术的发展下形成的新型测量方法^[7]。电子测量频率范围的提高使得其可以在更多的场合进行测量并且具有更高的速度和精度，不仅如此，由于电子测量和计算机技术结合紧密，计算机技术的发展同时也可以带动测量技术的发展，提高电子测量技术的性能。但是这种方法由于通信协议的自闭性，只能在本地进行数据通讯。随着信息技术的发展，人们对于数据采集的要求越来越高，日益增长的信息量和传输速度，使得单独的计算机采集变得不适应，对测量系统提出了远程化，网络化等要求，希望各种设备互相通讯成为一个整体。电子测量的核心在于软件，为了提高兼容性和可移植性，需要发展软件平台技术，使得被测对象和客户独立，不必针对传感器设计专门的软件。为了使测量技术更加标准化，还需建立一个统一的总线结构，结合计算机技术为测量提供便捷，通过这些方法使得测量技术向着现代化发展。

现代测量技术主要有一下几个特征^[8]：一是数字化，这是由于近年来发展的一些信息处理方式都是针对数字化的，而且近代电子器件也趋于数字化。二是可重构化，主要包括硬件可重构和软件可重构，它是利用模块化的功能通过不同组合实现不同功能的方法，这种方法在虚拟仪器中很常见。三是模型化，模型是对一系列相似规律的总结，测量中的模型分为确定性和不确定性模型，正是这种模型的建立使得人们逐渐扩大认知领域，走向探索的过程。四是可靠化，由于科技的进步，人们对测量精度的要求越来越高，在硬件上，可以提高制作工艺或者采用传感器网络，在软件方面，可以优化测量方法，增强信号处理的可靠性。总体来说，测量技术向着更多的数量，更复杂的对象，更完善的方案以及更加自主的方向发展。

目前为止，现代测控技术已经基本实现了智能化，数字化，网络化，包含了计算机，信息处理，仪器仪表技术等多学科的内容。测量技术的标准化可以大大减少开发的成本，而在网络技术的发展下，各种信息可以得到更好的交流，测量硬件和软件以及网络上各系统的相互联系使得测量的范围提高，网络在测量中的作用也日渐显著，在未来，测量会向着自主化的方向前进并且和应用设备之间的关系越来越亲密。测量技术的进步同时也会带动了航空，农业等个行业的进步，因此，掌握新型测量方法具有重大的意义。

1.3虚拟仪器的发展

虚拟仪器技术是一种结合模块化硬件的高性能和软件的高灵活性来完成各种测试、测量和自动化的应用。测量仪器在经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器等阶段后，最终发展为现在的虚拟仪器。无论是第一次接触的新手还是熟练的工程师都热衷于虚拟仪器的使用，因为虚拟仪器采用了图形化的语言以及逻辑清晰的程序框图，使用非常方便。虚拟仪器是美国国家仪器公司NI提出的概念，通过虚拟仪器可以使得计算机和网络技术渗透进仪器领域，和仪器技术结合起来，并且提出了“软件即是仪器”的理念，引发了一场传统仪器领域的变革。利用这一思想，可以基于电脑、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。从发展过程来看虚拟仪器主要经历了三个阶段^[9]：

第一阶段，将普通仪器和计算机技术结合，利用计算机使得测量仪器的功能加强。在GPIB总线技术和PC仪器创建后，使得测试设备可以和计算机连接，从而控制外接测试系统，建立了一种功能更加强大的虚拟检测系统^[10]。与此同时还有微机化仪器，这种系统利用计算机设备上的软件来代替实际的仪器，相比于总线式仪器具有更少的硬件系统。

第二阶段，主要是开放式的测试仪器问世，在第一阶段虚拟仪器的发展后，人们开始希望通过硬件的标准化来实现仪器的相互通用性，因此产生了VXI仪器总线标准，该标准定时和同步准确，在数据传送方面具有优势，因此取得了广泛的应用，另一方面，在硬件上则产生了便携式计算机数据板卡。

第三阶段，由于虚拟仪器的发展，虚拟仪器技术在很多领域得到认可和使用。在软件方面，通过各种应用模块的封装，用户可以直接利用封装后的模块完成程序设计。在硬件上也制定了大量的标准，随着核心技术的解决，产生了多种功能的硬件模块以及强大的软硬件处理平台。

虚拟仪器的发展，代表着测量技术和仪器进入到了一个全新的时代，标志着以硬件为核心的传统测量方法逐渐转变为以软件为核心。相对于传统仪器虚拟仪器具有以下优点^[11]：一是功能强，性价比高，虚拟仪器具有很多传统仪器无法实现的功能并且成本低廉；二是操作简便，无需对仪器进行各种设置，只需通过图形用户界面在计算机上进行操作即可，提高了仪器运行的速度和质量；三是个功能模块化，把一些通用功能进行封装，各个模块之间相互调用，使得数据的测量和管理更加标准化。

虽然虚拟仪器有着传统仪器无法媲美的优点，但是在功能上二者却是相似的。传统仪器为了满足要求而建立的操作界面，信号采集，数据输出等在虚拟仪器上也可以做到，只是在精度和灵活方面有所差异，不仅如此，虚拟仪器还可以将多种功能结合在一起，向着集成化方向发展。在仪器总线方面，由于不同厂家所定义的标准不同，生产的插口也不同，导致不同设备之间不兼容，为此1997年美国NI公司推出了PXI总线标准。这种标准结合了PC的高性价比和PCI总线在仪器领域扩展优势，使得虚拟仪器测试平台成为主流。随着虚拟仪器的发展，使得虚拟仪器精度更高质量更好，价格更便宜，并且相互之间可以扩展，解决了传统仪器所面临的问题。所以，目前主流的数据采集方法就是基于虚拟仪器，其中使用最为广泛的就是NI公司推出的LabVIEW，我们也是在此基础上进行测量。

1.4 LabVIEW简介

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它是NI公司在“软件即仪器”的理念下开发的一款虚拟仪器产品^[12]。其特点是具有简单直观的图形编程方式一起一系列配套的驱动程序和插件，用户可以通过简单的学习快速生成自己所需的程序，使得开发周期大幅缩短。LabVIEW 的功能极为强大，内部安装了600多种仪器的驱动程序并提供了范围极广的仪器I/O选择，可以和大量外部设备进行通讯，目前，已在如医药，车辆，机械，生物等领域内取得了广泛的应用^[13]。LabVIEW的程序被称为VI，即虚拟仪器。其界面主要有三部分组成：

一方面是前面板，该面板是与用户进行交互的面板，主要包含数值，数组，仪表等输入输出控件，与实体控件功能类似，用户可以通过这些控件进行参数设置，图形显示等功能。与此同时，每一个控件都会在程序框图中有一个对应图标便于逻辑设置。第二个是程序框图，程序框图是程序的核心部分，在这里有可以对前面板的控件进行设置，此外还有循环，选择，事件等结构以及一系列插件可以调用。通过程序框图可以把前面板各控件以及外部设备联系起来，通过编程实现所需的要求。最后是图标，图标代表一个子程序，只需要在一个程序中设置好输入输出，在创建新图标就可以在其它程序中调用这个程序。图标的概念充分体现了虚拟仪器模块化的思想，通过这种方法可以把一个复杂的程序分为几个不同的部分，当需要修改时可以只对子程序的输入部分进行修改而不必全部调整。同时还可以使程序的设计思路清晰，方便调试和维护。

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