（交通信息工程及控制专业论文）基于虚拟仪器技术多功能机车信号测试台的研究.pdf

、 内容摘要 ( 随着微计算机技术的不断发展，电子测量仪器技术也在不断更新换 代，向着集成化、多功能化以及智能化方向发展。近些年出现的虚拟仪 器技术是微机技术与电子测量技术结合的产物，目前已在测控领域得到 广泛应用。 所谓虚拟仪器就是以计算机为基础，结合相应的仪器硬件，通过专 用的开发软件，实现普通仪器的基本功能，甚至可以完成普通仪器所没 有的特殊功能的高性能新型仪器。它充分利用计算机所提供的丰富软硬 件资源，可以完成包括数据采集、数据处理和实时显示，以及信号输出 等多种仪器的功能，扩展了仪器的测控功能，提高了使用效率，使得系 统中各个仪器设备变成集中控制方式，同时大幅度降低仪器的价格。虚 拟仪器体现了“硬件软件化”思想，用户可根据实际需要，将以前由厂 商定义的硬件功能转化成软件编程实现。可以说虚拟仪器的出现是仪器 发展史的一个飞跃，它代表着仪器测控技术发展的最新方向和潮流之 一。十，一矗 本文对虚拟仪器技术在铁路机车信号参数检测和功能测试的应用进 行了研究，为铁路机车信号的自动检测和系统集成提供了新的思路和方 法。 ， f 铁路机车信号是保证铁路安全运行的重要组件之一。随着列车速度 的提高，地面信号机显示司机不易看清，机车信号逐渐上升为主体信号。 因此，对机车信号显示稳定性、可靠性提出了越来越高的要求。在此前 提下，对机车信号出库的检测和中期的检修就愈加重要。j 本文提出基于 虚拟仪器技术的机车信号测试台的具体设计方案，通过硬件设计和软件 编程完成测试台的主要功能。首先设计发码器给机车信号发送相应信 号，然后通过接收机车信号反馈信息检测机车信号各项指标是否合格， 同时还能对机车信号所接收到的信息或现场信息进行时频域的分析 和显示。 论文共分六章：第一章，介绍了仪器发展及虚拟仪器技术的概念， 提出了将虚拟仪器技术应用于铁路机车信号测试的意义；第二章，介绍 铁路机车信号测试台的各项功能组成；第三章第五章，对基于虚拟仪 器技术铁路机车信号测试台进行了总体设计，介绍测试台硬件组成和所 使用的软件平台，并完成了系统主要功能的编程：第六章，对系统进行 检测，并对测试结果进行了分析。 通过设计及部分功能的实现，基于虚拟仪器技术机车信号测试台有 如下特点： 1 突破了传统仪器设备在数掘实时处理、交换，数据显示存储、 共享等诸多方面的限制； 2 使用户可在一台铁路机车信号虚拟测试台，对机车信号和现场 信号实现多种功能的检测： 3 系统构成简单、体积小，性能稳定可靠，实时性强； 、 4 价格便宜，使用简单，操作灵活。厂。一 关键词：虚拟仪器数掘采集机车信号 a b s t r a c t w i mt h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o c o m p u t e r , e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t a n d i n s t r u m e n t a t i o n t e c h n i q u e h a s d e v e l o p m e n t t o w a r d i n t e g r a t i v e m u l t i f u n c t i o n a la n di n t e l l e c t i v et e c h n i q u e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u eu s e d i nr e c e n ty e a ri sap r o d u c tc o m b i n e dw i t hm i c r o c o m p u t e ra n de l e c t r i c a l m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e n o w , i th a sb e e nw i d e l y a p p l i e di n t h ef i e l do f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 v i r t u a l i n s t r u m e n ti san e w t y p eo fh i g hp e r f c i r m a n c ei n s t r u m e n t w h i c hi s b a s e do nc o m p u t e ra n dc o m b i n e dw i t hi n s t r u m e n th a r d w a r e i tc a nr e a l i z et h e b a s i cf u n c t i o n a l i t yo fc o n v e n t i o n a li n s t r u r n e n t a l s oc a nr e a l i z et h es p e c i f i c f u n c t i o n a l i t y w h i c h o r d i n a r y i n s t r u m e n t sc a r m o t p e r f o r m v it e c h n i q u e m a k e sf u l iu s eo ft h ea b u n d a n tc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e s t o r e a l i z e dt h ef u n c t i o n a l i t yo fs e v e r a li n s t r u m e n t s s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ， d a t aa n a l y s i sa n dr e a lt i m ed i s p l a y , a n ds i g n a lo u t p u t ，a n ds oo n i nt h i sw a y , t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lf u n c t i o no ft h ei n s t r u m e n ti se x t e n d e da n dt h e u t i l i t yi sr a i s e d ，m a d ei n s t r u m e n t so fs y s t e mb ec o n c e n t r a t e d ，a n dt h ep r i c eo f t h ei n s t r u m e n ti sr e d u c e d 0 b ei m p o r t a n tt h o u g h ti sr e f l e c t e dt h a th a r d w a r ei s c h a n g e dt os o f t w a r e s o u s e r sc a nd e f i n et h ef u n c t i o n a l i t yo ft h ei n s t r u m e n t t h a ti sm a n u f a c t u r e db ym a n n f a c t u r e ra c c o r d i n gt op r a c t i c a lr e q u i r e m e n t i t c a nb es a i dt h a tt h ev ii sal e a pf o r w a r di nt h ed e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t i t r e p r e s e n to n eo ft h en e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o n sa n dt r e n d so fi n s t r u m e n t m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y n l i sp a p e rm a k es o m er e s e a r c h e so nt h ea p p l i c a t i o no fv it e c h n i q u eo nt h e p a r a m e t e rd e t e c t i o no fr a i l w a yc a bs i g n a l ，p r o p o s i n gan e w t r a i no f t h o u g h t a n dm e t h o df o rt h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no fr a i l w a yc a bs i g n a la n ds y s t e m i n t e g r a t i o n r a i l w a yc a bs i g n a li s o n eo fi m p o r t a n tc o m p o n e n t st os e c u r et h et r a 衢c s a f e t y w i t hr a i s i n go ft r a i ns p e e d ，t h et r a i n m a nc a n n o ts e eg r o u n ds i g n a l d i s p l a y , c a bs i g n a li sb e c o m i n gm a i ns i g n a l n l ed e t e c t i o n t oc a bs i g n a lb o t h b e f o r eu s ea n du s i n gi sm o r ei m p o r t a n t s oi tr e q u i r et h ec a bs i g n a lt og i v e m o r es t e a d ya n dr e l i a b l ed i s p l a y t h i sp a p e rp r o p o s e sac o n c r e t ed e s i g n m e t h o df o rc a bs i g n a lt e s tb e n c hb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u e ，a n d i n t r o d u c e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i t sc o n c r e t ed e s i g ni d e ac a nb e e x p l a i n e da sf o l l o w i n g c a bs i g n a lt e s tb e n c h r e c e i v e ds i g n a l sf r o mt h ec a b s i g n a l a f t e rc a bs i g n a ls e n d ，t h e na n a l y z e si nac o m p r e h e n s i v ew a ya n d j u d g e sw h e t h e r t h ef i n a lr e s u l ti s u pt og r a d e a ts a m et i m e ，c a bs i g n a lt e s t b e n c hc a na n a l y z e ss i g n a l sj u s tb e i n gr e c e i v e di nt h eb o t h e rt i m ed o m a i na n d f r e q u e n c y d o m a i n t h e p a p e r i s o r g a n i z e d o fs i x c h a p t e r s c h a p t e ro n e ，i n s t r u m e n t d e v e l o p m e n ta n dt h ec o n c e p to fv i r t u a l i n s t r u m e n ti s i n t r o d u c e d ，a n dt h e m e a no fa p p l i c a t i o nv it oc a b s i g n a l t e s tb e n c hi s g i v e n c h a p t e rt w o ， f u n c t i o n so fc a bs i g n a lt e s tb e n c hi sd e s c r i b e d c h a p t e rt h r e et oc h a p t e rf i v e ， a no v e r a l ld e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r ef o rc a bs i g n a lt e s t b e n c hi sg i v e n ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，s o m em a i nf u n c t i o n si sp r o g r a m m e d c h a p t e rs i x ，s o m ee x p e r i m e n t sa r e m a d ea n dt h ea n a l y s i si sg i v e n i naw o r d ，c a b s i g n a l t e s tb e n c hb a s e do nv it e c h n i q u eh a sm a n y a d v a n t a g e s 1 i tb r e a k st h r o u g ht h el i m i t si nm a n ya s p e c t sc a u s e db yc o n v e n t i o n a l i n s t r u m e n t s ，s u c h a sd a t ar e a lt i m e p r o c e s s i n g ，e x c h a n g i n g ，d a t a d i s p l a y i n g ，a n dd a t as t o r a g e 2 t h eu s e r sc a nd e t e c tm a n yf u n c t i o n so fb o t hc a bs i g n a la n dr a i l w a y s i g n a lo n t h ev i r t u a lt e s tb e n c hw i t hm u c hf r e e d o m 3 i th a s s i m p l es y s t e m s t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，s t e a d ys y s t e m p e r f o r m a n c e 4 i th a sf l e x i b i l i t yf u n c t i o n ，l o wc o s tp r i c ea n de a s yu s e k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t d a t aa c q u i s i t i o nc a bs i g n a l v 北方变通大学硕十论文第章综述 第一章综述 第一节电子仪器发展 回顾电子仪器的发展过程，从使用的器件来看，经历了真空管时 代晶体管时代集成电路时代；从仪器的工作原理来看，经 历了四代： 第一代模拟式电子仪器，大量指针式的电压表、电流表、功率 表及一些通用的测试仪器，均是典型的模拟式仪器。这一代仪器功 能简单，精度低，响应速度慢。 第二代是数字式电子仪器，它的基本工作原理是将待测的模拟信 号转换成数字信号，并进行测量，以数字形式输出显示结果。它的 精度高、速度快，读数清晰、直观，结果可打印输出，也容易与计 算机技术相结合。同时因数字信号便于远距离传输，所以数字式电 子仪器适用于遥测、遥控。 第三代是智能仪器，是在数字化基础上用微机装备起来，计算机 技术与电子仪器相结合的产物。它具有数据存储、运算、逻辑判断 能力，能根据被测参数的变化自选量程，可自动校正、自动补偿、 自寻故障等，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作，即具备 了一定的智能，故称为智能仪器。 微处理器的出现，对于科学技术的各个领域都产生了极大的影 响，同样也引起了一场仪器技术的革命。微处理器在智能仪器中的 作用，可归结为两大类：对测试过程的控制和对测试数据的处理。 对测试过程的控制，就是微处理器可接受来自键盘和g p i b 仪器 接口的命令，解释并执行这些命令，微处理器及时了解工作情况， 控制仪器的整个工作过程。 对测试数据的处理，即电子仪器引入微处理器后，大大提高了数 据存储和处理能力，硬件电路只要具备最基本的测试能力，提供少 量的原始数据。至于对数据的进一步加工处理，如数据的组装、运 北方变通大学硕+ 沦文第章 综述 算、舍入、决定小数点位置和单位等工作均可由软件来完成。 第四代是p c 仪器。随着个人计算机的广泛普及，在智能仪器蓬 勃发展的同时，从1 9 8 2 年起出现了一种新型的个人计算机与电子仪 器相结合的产品个人仪器。 由于个人计算机具有强大的数据处理和演算能力，有丰富的软硬 件资源，因此能测试或推演出一般传统仪器无法测量到的结果，且 能用传统仪器无法表达的形式把测试结果以最直观的方式表达出 来。这种p c 机构成的、具有高度自动化测试功能的“仪器”常称为 p c 仪器或个人仪器。 p c 仪器有两种类型，一种是功能确定的p c 仪器，一种是功能 面向用户开放的虚拟仪器。p c 仪器严格地说，是属于智能仪器中的 一种，也是计算机技术与电子仪器相结合的产物。但是，在软硬件 的比例来看，虚拟仪器强调的主要是软件，而智能仪器则是两者并 荤。 另外，仪器技术发展也可以看作是传统仪器虚拟仪器的发 展主线。 1 传统仪器指的是一个独立的装置，由机箱、操作面板、信号输 入输出端，和开关旋钮等组成。检测结果输出的方式有数字式和指 针式表头，图形窗口等，有的还具有打印输出的功能。任何一台仪 器由三大功能模块组成：信号的采集和控制、信号的分析与处理、 结果的表达与输出。对于传统仪器这些功能模块全部都是以硬件( 或 固化的软件) 的形式存在。这种框架式的结构，决定了传统仪器只 能由仪器厂家来定义、制造，用户无法改变的现实。 计算机技术的发展，给传统仪器技术注入了强大的活力。促进 了智能仪器的快速发展。仪器的精度越来越高，功能越来越强，性 能越来越好。但是传统仪器基本上没有摆脱独立使用、手动操作的 模式。对于较为复杂的应用场合，测试参数较多的场合，使用起来 就很不方便，其局限性非常明显。 虚拟仪器指的是在通用计算机上加上一组软件和或硬件，通过 用户软件编程，使用户在操作这台计算机时，就好象在操作一台自 己设计的专用传统电子仪器。虚拟仪器是测控领域的一项新兴技 术，它充分地利用计算机软硬件资源，通过与数据采集卡结合，可 以完成任何一种仪器功能。它缩小了仪器厂商和用户之间的距离， 2 北，j 变通大学硕十沦文第章综述 使用户能够根据自己的需要定义仪器的功能，实现了“软件就是仪 器”。它打破了传统仪器由硬件构成难以改动的模式，变为由用户 可根据自己的需要编制各种不同的软件来构成各种不同的虚拟仪 器，因此，它还可以跟上计算机的飞速发展，升级重建自己的功能。 第二节虚拟仪器技术的现状和发展趋势 一、虚拟仪器定义及其与传统仪器的区别 在电子测量领域中，电子测量与仪器和计算机技术结合形成了一 种全新的微机化仪器，即“智能仪器”。在“硬件软件化”的思想 的指导下，近年来又出现了种新概念，“虚拟仪器”，它是在电 子仪器与计算机技术更深层次结合的基础上产生的一种新的仪器模 式。 虚拟仪器( v i ：v i n u a i n s t r u m e n t ) 是电子测量技术和计算机测 试控制的前沿技术，虚拟仪器将计算机采集测试分析引入到电子测 量领域，用数字化和软件技术极大地提高了测量的灵活性和可扩充 性。 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短( o 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键硬件是关键 价格较低价格昂贵 开放、灵活与计算机同步发展，固定 可重复用和重配置 可用网络联络周边各仪器可连接仪器设备有限 自动化、智能化、可远距离传输功能单一、操作不便 表1 2 1 虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器技术发展迅猛，是目前国内外测试技术界和仪器制造界 北方变姬大学硕士论文 第章综述 十分关注的热门话题，所有测量引起主要功能可由1 数据采集2 数 据测试和分析3 结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结 果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，只要在通用计算机 上添加一层软件和或仪器硬件模块，即提供一定的数据采集硬件， 就可构成由计算机组成的测量仪器，使用户操作这台计算机就象操 作一台自己专门设计的传统电子仪器一样。 二、虚拟仪器的发展 虚拟仪器发展过程有两条主线： 1 g p i b v p 总线方式 g p i b 于1 9 7 8 年问世，v x i 于1 9 8 7 年问世，p x i 于1 9 9 7 年问世。 这条发展主线主要适合大型高精度集成系统。 2 p c 插卡式并行口式串口u s b 方式 p c 插卡式于8 0 年代初问世，并行口方式于1 9 9 5 年问世，串口u s b 方式于1 9 9 9 年问世。这种方式适合于普及型的廉价系统，有广阔的 应用发展前景。 v i 技术的丌发和应用的活跃源于1 9 8 6 年美国n i 公司设计的 l a b v i e w ，它是种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环 境，实现了虚拟仪器的概念。n i 提出的“软件即仪器”彻底打破了 传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面。国内由1 9 8 5 年由c 0 r n v ( 东方震动和噪声研究所) 提出了p c 卡泰微机卡 式采集测试分析仪的概念，并推出了d a s p 软件( d a t aa c q u i s i t i o na n d s i g n a lp r o c e s s i n g ) 。虚拟仪器构成框图如下所示。 数据采集和信号处理软件的概念突破了传统信号分析仪器的概 念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测试分析仪器概念的过度。美 国l i p 公司、泰克公司、p c 仪器公司等加入了研制虚拟仪器的行列， 国际上从1 9 8 6 年开始有虚拟仪器产品陆续问世。到1 9 9 4 年v i 制造 厂家达9 6 家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品。 虚拟仪器构成框图如图1 1 2 所示： 北方交通大学倾十论文第章 综述 图1 2 1 虚拟仪器构成框图 三、虚拟仪器的分类 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分 为五种类型。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统以及三者之间的任意组合。下面介绍 一下构成方法。 第一类：p c 总线插卡式虚拟仪器，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相结合，完成测试任务。它充分 利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但它的关键取决于 a d 转换技术，如东方科卡具有高级定时功能，能完成仪器级的高 精度测量。但是受p c 机机箱和总线限制，电源功率不足，机箱内部 噪声电平较高，插槽数目不多，插槽尺寸较小，机箱内无屏蔽等缺 点。 个典型的数据采集系统如框图1 2 2 所示，由四部分组成： 图1 2 2 数据采集系统框图 一个好的数据采集产品不仅应该具备高的性能、高的可靠性 北，j 交通大学硕十论文 第章综述 还应该提供高性能的驱动程序、简单易用的高层语言接口。只有这 样才能为用户快速建立高可靠的应用系统提供最大的方便。目前， 由于多层电路扳技术、可编程仪器放大器技术、即插即用技术、系 统定时控制器技术、多数采集实时系统集成总线技术、高速数据采 集的双缓冲区技术以及实现高速数据传送的中断、d m a 等技术的应 用，使得最新的数据采集板卡能保证仪器级的性能、精度与可靠性， 为用户建立功能灵活、性能价格比高的数据采集控制系统提供了很 好的解决方案。 插卡式仪器价格最便宜，因个人计算机数量非常庞大，因此其 用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。 第二类：并行口式虚拟仪器，是最新发展的一系列可连接到计 算机并行口的测试装鼍，把硬件集成在一个采集盒里或一个探头 上，软件装在计算机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功能，典型 的有c o i n v 的i n v 3 0 6 系列，l i n k 公司d o s 2 1 x x 系列数字示波 器。它们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p c 机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。 第三类：g p i b 总线方式虚拟仪器，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。在标准情况下，一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台仪器，电 缆长度可达2 0 米。g p i b 技术可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，可以很方便地把多台仪器组合起来，形 成大的自动测试系统。g p i b 测量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。适合于要求高的精确度，但不要求 对计算机高速传输状况时应用。 下面是g p i b 总线仪器控制系统构成方法。g p i b 技术可以说是 虚拟仪器技术发展的第一阶段。通用接口总线如一座桥，把可编程 仪器与计算机紧密地联系起来，从此电子测量由独立的手工操作的 单台仪器向组成大规模自动测试系统的方向迈进。一个典型的g p i b 测量系统由一台p c 机、一块g p i b 接口板卡和若干台g p i b 仪器通 过标准的g p i b 电缆连接而成。 北，j 变通大学硕十论文第章综迷 在标准情况下，一块g p i b 接口板卡可带多达1 4 台仪器，电缆 长度可到2 0 米。利用g p i b 扩展技术，一个g p i b 自动测量测试系 统的规模无论是仪器数量还是距离都可以进一步扩展。利用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，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可以预先 编制好测试测量程序，实现自动测试，提高测试测量可靠性和效率。 利用g p i b 技术，可以很方便的将多台仪器组合起来，形成较大的自 动测量测试系统，高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。 利用g p i b 技术，可以很方便地扩展传统仪器的功能。因为仪器是和 计算机连接在一起的，仪器测量的结果送到计算机里，在计算机上 增加各种不同的分析处理算法，就相当于增加了仪器的功能。例如， 把示波器的信号送到计算机后，增加频谱分析算法，就可以把示波 器扩展为频谱分析仪。 第四类：v x i 总线方式虚拟仪器，v x i 是v m ee x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n 的缩写，即种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域 的扩展，由c o l o r a d od a t as y s t e m 、h e w l e t tp a c k a r d 、r a c a ld a n a 、 t e k t r o n i x 、w a v e t e k 等五家公司于1 9 8 7 年联合推出的测控仪器总线 标准。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。由于它的标准开放、结构紧凑、具有数据吞吐能力强、定时 和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家商支持以及集测量、 计算、通信功能于一体等优点，很快得到了广泛的应用。主要由主 机箱、“0 ( 零) 槽”控制器、各种模块化仪器和驱动软件、软面板、 软件开发平台及系统应用软件所组成。 经过十多年的发展，随着总线规范的不断完善和发展，v x i 即 插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组建和使用越来越方便， 尤其是组建大中规模自动测量系统以及对速度和精度要求高的场 合，有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建v x i 总线要求有机箱、 零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 v x i 仪器控制系统构成方法： 一个基本的v x i 仪器系统可以有三种不同的配置方式： 1 ) g p i b 控制方案 该控制方案的组建包括插于通用计算机的g p i b 接口板，位于 北山变通大学硕十论文第章 综述 v x i 零槽的g p i b - - v x l c 模块，连接两者的g p i b 电缆，一个v x i 机箱以及若干v x i 仪器模块。g p i b 控制方案的数据传输率约为 i m b y t e s s 。如果使用h s 4 8 8 协议可使g p i b 的数据传输速率提高到 1 6 m b y t e s s ( i s a 总线) 和3 4 m b y t e s s ( e i s a 总线) ，最高可达 8 m b y t e s s 。其中零槽模块起g p i b 和v x i 总线翻译器的作用。该方 案的优点在于可以利用熟悉g p i b 技术如同控制一台g p i b 仪器一样 来控制v x i 仪器系统，且系统造价较低。缺点是由于g p i b 总线数 据传输速率远远低于v x i 总线，形成整个系统的数据交互的瓶颈。 2 ) 嵌入式计算机控制方案 该控制方案的组件包括一个v x i 机箱，插于v 零槽的嵌入式 计算机模块以及v x i 软件开发平台。一个嵌入式计算机模块除具有 v x i 系统控制功能外，还具备一台通用p c 机的全部功能。这种配 置方案中，所有的模块均直接插在v x i 机箱的背板总线上，能实现 高速的数据传送( 4 0 m b y t e s s 左右) ，且体积最紧凑，是实现v x i 自动测试系统的最佳配置方案。但这种配置方案的造价及升级费用 均较高。 3 ) m x i 总线控制方案 这是另一种外部计算机控制的v x i 系统配置方案。这种方案的 组件包括一个v x 机箱，插于通用计算机v x i 接口板，位于v x i 零槽的v m 模块，连接两者的m x i 电缆，若干v x i 仪器 模块以及v x i 软件开发平台。l v l x i 是由美国n i 提出的一种多系统 扩展接口总线，相当于把v x i 机箱的背板总线拉到外部计算机上 来，同时可实现多个v x i 机箱问的3 2 位数据交互。由于它可以直接 把v x i 内存空间映射到外控计算机上来，因此在提高数据传输速率 方面具有很大的优势。1 9 9 6 年n i 又推出了m x i 一2 系列产品，其总 线传输速率有较大提高。以p c i 8 0 0 0 为例，其持续数据传输速率可 达2 3 m b y t e s s ，峰值传输速率可达3 3 m b y t e s s 。这一性能指标已接近 嵌入式计算机。 m x i 总线控制方案综合了第一种方案使用外部计算机灵活方 便、易于升级以及第二种方案高性能的优点，且造价适中。同时还 可以在外部计算机上加插g p i b 接口卡、数据采集卡，实现更大规模 的系统集成。但同内嵌式方案相比，体积偏大，数据传送速率略低。 北山变通大学坝士论文第章综述 比较以上三种v x i 控制方案，g p i b 控制方式适用于对总线控制 的实时性要求不高，并需在系统中集成较多g p i b 仪器的场合；嵌入 控制方式由于在系统的体积、控制速率和电磁兼容方面具有优势， 因而在性能要求较高和投资较大的场合，如航天、军用等应用领域 倍受青睐；m x i 控制方式具有较高的性能价格比，便于系统扩展和 升级，适合于在各种实验室中实现科研系统以及对体积要求不高的 场合使用。 第五类：p x i 总线方式虚拟仪器，p x i 是p c ie x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n 的缩写，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，增加了多板同步触发总线的参考 时钟，用于精确定时的星形总线，与使用于相邻模块的高速通讯的 局部总线。p x l 具有高度可扩展性。p x i 具有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，台式p c 的性能价格比与p c i 总线面向仪器领域的扩展优 势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台。但是i - i p 等从事v x i 产品开发的大公司对p x i 持保留态度，造成p x i 产品不如v x i 产品 丰富多彩。 第三节铁路机车信号综合测试台介绍 铁路机车信号在投入使用前或是在使用过程中维修都需要对参 数进行检测。这些参数包括机车信号点灯显示是否准确，机车信号 应变时间是否符合要求，以及对机车信号接收参数是否正确等。为 了实现对以上参数的检测，我们需要组建一个测试平台，机车信号 测试台主要由发码设备、示波器、频谱分析仪、点灯和计时设备组 成。以下是现在正在使用的两种机车信号测试台。 一、北方交大设计分立仪器式机车信号综合测试台组成及其优缺 点 分立仪器式机车信号综合测试台的组成框图如下图所示： 9 北方交通大学硕士沦文 第章综述 图l - 3 1 分立仪器式机车信号综合测试台组成框图 它的特点是以上的各个组成部分分别是采用了单独的仪器设 备，它们之间只是通过简单的连线连接。 发码器能发出各种制式机车信号的信息，完成灵敏度测试，现阶 段我国铁路信号主要分为交流计数信号、移频信号。交流计数信号 主要包括交流计数和微码交流计数两种，是通断控制的信号，属于 调幅信号范畴，信号频率分别为2 5 h z 、5 0 h z 、7 5 h z 。这类信号是以 不同的间断来传递信息的。移频信号主要包括国产4 信息移频、国 产8 信息移频、国产1 8 信息移频以及u m - 7 1 移频。属于频移键控 信号，通过不同的调制低频频率来传递信息。 示波器和频谱仪用于实时监测发码器发出的信号，然后通过观察 点灯情况和计时机车信号点灯的应变时间来检测机车信号的性能。 优缺点：分立仪器式机车信号综合测试台是采用一些分离的仪 器设备，采用人工控制，系统结构分散、庞大，一方面，这些设备 价格高、体积大，维护工作量大，一旦出现故障不可避免对整个系 统产生不利影响。另一方面，当我们需要检测机车信号在正常使用 时，信号的变化范围，传统的仪器设备难以提供此项功能，所以给 检测工作带来一些不便。 二、郑州科研所设计d o s 环境下软件编程控制专用仪器插卡测试 台及其优缺点。 从某种角度来说，d o s 环境下软件编程控制专用仪器插卡测试 北，j 交通大学硕士论文第章综述 台属于虚拟仪器的一种。 专用仪器插卡测试台硬件结构组成是一台p c 机和几块插卡，完 成与机车信号接口及采集点灯信息的功能。测试台的功能主要是通 过软件编程完成。软件编程是在d o s 环境下的软件平台实现的，功 能主要有l 、产生相应制式信息信号，2 、通过点灯信号返回测试点 灯应变时问及灵敏度等。 它的优点是可通过菜单进行功能选择，操作较为简单，缺点首 先是人机界面相对简单，色彩单调，各项菜单不能在同一屏上显示， 而是层层嵌套，使用户对其拥有的功能不能一目了然；同时，由于 其子菜单是层层深入，故而从后级子菜单返回首页主菜单时，须 层层返回，在使用效率方面有一些问题。其次，由于在d o s 环境下 编程实现，所以不如w i n d o w s 环境下直观、漂亮。 第四节选题意义及本论文所作的工作 一、自动测试技术的发展 自动测试技术创始于5 0 年代。不久这项技术就得到了惊人的发 展，到6 0 年代末，市场就有了成套的自动测试系统；到7 0 年代， 出现了仪器仪表与计算机融为一体的智能化仪器。 从自动测试技术发展来看，经历了以下几个发展阶段： 1 初级自动测试系统，没有标准接口，技术比较复杂，只能用于大 量的要求重复、快速、高可靠和对人员健康有害又难于接近的测 试场合。 2 智能仪器仪表，配有标准接口，可用于自动测试系统的组建。 3 虚拟仪器，用于自动测试系统的组建，功能更加灵活。 二、自动测试系统组成 检测系统包括简单的检测系统和复杂的自动检测系统。下图为 检测系统的原理结构框图。 北办交通大学硕十论文 第章综述 r _ 酾n 【型叁j 图1 4 1 检测系统的原理结构框图 传感器处于被测对象与测试系统的接口位黄，是一个能量变换 器。它直接从对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于 测量的其他量，它是检测系统的重要部件。信号调理器又称中间转 换器，它的作用是将传感器的输出信号进行传输、放大和转换，使 其适合于显示、记录、数据处理和控制。输出环节包含显示和打印 记录装置、数据处理和控制装置等，可以实时检测，而且可以实现 对被测对象的控制。 微机在检测技术中的应用，使得传统的检测手段、检测方法和 检测设备发生了根本的变化，形成了自动化、实时化和智能化的微 机检测系统。 微机化检测系统是以微机或微处理器为核心组成的数字化测量 系统，通常它包含三个最基本的组成部分，即输入通道、输出通道 和主机。 微机检测系统的基本组成图如下所示： 图1 4 2 微机检测系统基本组成图 1 2 北 变通大学硕士论文第章综述 三、虚拟仪器技术优点( 选题意义) 现代化系统检测要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动 化程度高、测试速度快以及实时性好、具有良好的人机界面等。虚 拟仪器技术应用于检测系统，能较好的满足以上的要求。 如上文介绍，铁路机车信号测试台是一个检测系统。组成铁路 机车信号测试台的功能模块较多，如果采用分立仪器，要求测试者 有较高的仪器操作能力，同时还要熟知各个功能模块的测试顺序， 对于普通的工作人员来说，既耗时，又费力，工作效率就会降低。 同时从功能的角度来看，由于使用了传统仪器，仪器功能不能改变 所以，如果要增加测试台功能，就需要购买高价位的仪器设备，甚 至有时买不到符合要求的现成的仪器设备。 虚拟仪器技术用于铁路机车信号测试台，使测试台能够成为一 个良好的现代化检测系统，即除满足以上所提到的各项要求外，还 能使普通的操作者能从良好的人际界面中的各个菜单选项轻松地进 行操作，便于测试台的普及。 四、本文所做的工作 本文中，作者首先探讨虚拟仪器技术应用在铁路机车信号中的 优势，之后利用虚拟仪器技术研究开发了机车信号测试台。主要包 括以下几个方面： 1 通过对铁路机车信号测试台的各项功能的分析研究，提出了将虚 拟仪器技术应用于铁路机车信号测试台的实现方法。 2 根据所提出的实现方法，首先对发码器部分进行了设计，并发出 了相应的制式信号。 3 在发码器完成的前提下，对机车信号点灯各项指标进行检测。 4 编程实现一个具有时域频域分析功能的虚拟仪器，对现场信号 进行了分析。 在设计中采用了l a b v i e w 软件平台，该软件是w i n d o w s 应用 软件。w i n d o w s 的实时多任务特性使测试台可以同时具有信号输 出、机车信号检测、示波器、频谱分析仪等多种功能。从而使本设 北山交通大学碳十论文第章 综述 计的实现成为可能。 本文共分为六章，各章的主要内容如下 第一章综述：主要介绍仪器发展及虚拟仪器的概念，介绍铁路机 车信号测试台现状，在此基础上提出本文的设计思路。 第二章 铁路机车信号综合测试台功能及原理介绍：主要陈述铁路 机车信号接收制式各项指标，提出机车信号测试台测试项 目，介绍对指标的检测原理。 第三章基于虚拟仪器技术铁路机车信号综合测试台总体设计：设 计铁路机车信号虚拟综合测试台总体结构，对硬件组成部 分进行设计及实现，对软件组成部分进行总体设计并实现 主程序的编制。 第四章机车信号测试台发送部分实现：首先介绍机车信号测试台 发送信号的特殊性，在此基础上，提出发送部分软件编程 的几种实现方法，进行比较和选择，最终完成发码部分设 计及编程实现。 第五章机车信号测试台接收与检测部分实现：通过分析机车信号 测试台接收信号在时频域检测中的不同，根据各种制式的 特性，充分利用虚拟仪器技术的灵活性，对检测信号同时 进行时频域信号显示，并对包含信息进行进一步检测。 第六章实验结果及展望：1 、通过对本论文设计的机车信号虚拟测 试台中主要功能进行实验，验证了本设计的可行性。2 、对 本论文所作工作进行总结，对进一步的工作进行展望。3 、 致谢。 】4 北方变通大学硕士论文 第二章铁路机车信号综合测试台功能及基本原理介绍 第二章铁路机车信号综合测试台功能 及基本原理介绍 第一节铁路机车信号指标 铁路信号是指挥行车和保证行车安全的主要工具之一。对铁路 行车人员来说，信号的显示就是命令，必须严格遵照执行。目前， 在中国铁路的绝大部分地区，无论是电化区段还是非电化区段，都 普遍使用了铁路信号自动闭塞系统。自动闭塞系统能够根据铁路各 区段内，列车运行的实际情况，自动完成闭塞任务，实现对列车运 行间隔控制，保证了列车安全运行，提高了铁路的运营效率。 由于地形和气候条件的关系，以及乘务人员的疏忽大意，仅靠 地面信号机的显示，不能充分地保证行车的安全。特别是随着铁路 科技的发展，列车速度越来越高，高速铁路的建设也已提到日程上 来。列车高速行驶时，司机已经不能清楚地辨认