虚拟仪器技术在铁路大型养路机械电气控制系统中的应用

作者简介：颜剑（1980-），女，硕士研究生，主要研究方向为自动化测试、信号分析与信息处理、虚拟仪器技术。

虚拟仪器技术在铁路大型养路机械电气控制系统中的应用
颜 剑1 陈特放1 马世宏2 成 庶1
（1.中南大学信息科学与工程学院 长沙 410075；2.株洲时代电子技术有限公司 株洲 412007）
摘 要：捣固车是一种大型的铁路养路机械，其电气部分担负着各种作业的控制任务，是整车的大脑。

为了提高养路机械作业的精度和稳定性，保证正常作业，需要对其作业参数进行仿真和优化。

本文介绍了一种基于虚拟仪器技术的数据采集系统，该系统选用带USB 接口的DAOpad6016为数据采集卡，采用功能强大的图形编程语言-LabVIEW 进行软件编程，多通道同步采集数据，分多个图表显示模拟数据和开关量数据；采用DAOmx 驱动程序进行快速开发，简单易操作，大大缩短了研发时间。

关键词：LabVIEW ；数据采集；虚拟仪器；捣固车
Application of Virtual instrument technology in railroad large-scale road maintenance machinery electricity control system
Yan Jian 1 Chen Tefang 1 Ma Shihong 2 Cheng Shu 1
（1.Coiiege of Information Science and Engineering ，Centrai South University ，Changsha 410075；
2.Zhuzhou Shidai Eiectron Technoiogy Corporation ，Zhuzhou 412007）
Abstract ：The rammed car is a kind of iarge-scaie road maintenance machinery in raiiroad ，and its eiectricity section shouiders the controi tasks of aii the works and is the cerebrum of the vehicie.In order to improve the precision and stabiiity of the road maintenance machinery ，and guarantee it to work normaiiy ，the work parame-ters need to be simuiated and optimized.A data acguisition system based on virtuai instrument technoiogy was in-troduced in this paper.DAOpad6016was seiected as the data acguisition card connected the USB ，and we used the formidabie LabVIEW to program.The system has the muitichannei synchronization gathering data ，and the muitigraphic dispiaying anaiog data and the switching guantity data.The system was deveioped with the DAOmx driver ，so the time of research can be saved ，and operate easiiy.Keywords ：LabVIEW ；data acguisition ；virtuai instrument ；rammed car
0 引 言
大型养路机械是实现铁路维修养护现代化、保证铁路不间断运输和行车安全的重要工具。

目前常用的大型养路机械是捣固车，主要用于铁路的新线建设、旧线大修清筛和运营线路，对轨道进行拨道、起道抄平、石碴捣固等作业，以提高道床石碴的密实度、增加轨道的稳定性、保证列车安全运行。

捣固车同时进行起道抄平、捣固作业，从而提高了工作效率。

捣固车的电气控制系统担负着全车各作业的
控制任务，是整车的大脑，直接指挥着各种作业。

为保证各种作业的精度和稳定性，需要对其作业参数进行仿真和优化。

捣固车作业时需要同时测量和分析较多的信号，并需要实时存储采集到的信号，以便事后作进一步分析，然而使用传统的测量仪器很难实现这个要求。

虚拟仪器是用于测试和仿真的一种全新概念的解决方案，其中美国国家仪器公司的LabVIEW 是虚拟仪器技术中最具代表性的图形开发平台，它具有功能完善、开放灵活、便于改进、扩展性好、价格低廉等突出优点，目前已经广泛应用于仪器控制、数据采集、数据分析及显示等
领域。

本文所述的捣固车电气控制部分的数据采集系统采用了虚拟仪器技术，开发过程高效快捷，软件系统易于维护和扩展，能够直观、准确、稳定地反映出系统的工作状态，能够对采集到的数据进行事后诊断和分析，用户可以及时评估数据采集的质量并进行相应的控制。

本系统需要采集的模拟信号有l6个，开关量信号有30个，直接安装在捣固车上进行采集。

综合考虑性能要求及成本，硬件部分主要采用NI 的便携式多功能采集卡DAOpad60l6和便携式pC 。

!"数据采集系统体系结构
数据采集系统由硬件和软件2部分构成。

硬件部分由被测对象、调理电路、数据采集卡、便携机组成。

软件采用LabVIEW 编程，它是一种基于流程图的图形化编程语言，又称G 语言，功能强大，自带多个多态VI 函数，降低了编程难度，使开发过程高效快捷，且人机交互界面友好。

采集系统设计方案如图l
所示。

图l 基于LabVIEW 的数据采集系统结构图!#!"硬件系统设计
本系统的核心硬件是数据采集卡，用以实现数据的采集、A /D 转换、数据存储和数据传送。

所采用的DAOpad60l6多功能采集卡，可同时采集模拟信号l6路，数字信号32路（既可作为数字输入也可以作为数字输出）。

该卡带2路模拟输出、2个计数器及9个数字触发通道，
模拟采样速率达200kS /S ，模拟采样量程为-l0~+l0V ，数字信号量程为0~5V TTL 电平。

由于被测信号电压为24V ，
故需制作一块24V 转5V 的电路板。

为减少干扰，采用了光耦隔离，其电平转换的部分原理图如图2所示。

光耦左边为4个被测电压24V inl ~in4，用3k !的电阻限流，右边5V 电压给光耦供电并输出对应的4个5V OUtl ~OUt4接USB 数据采集卡的数字I /0端口。

!#$"软件系统设计
软件开发采用LabVIEW 编程，所编写的程序称虚拟仪器（VI ）程序，一个基本的VI 由3部分组成：前面板、框图程序和图标/
连接端口。

前面板是
图2 电平转换原理图
一个图形化的用户界面，可以放置一些指示件和控制件，用来显示测试的结果，且可以通过键盘和鼠标对前面板上的按钮和开关进行相关操作，它可以模拟真实仪器的外观，直观友好。

每一个前面板对应一个框图程序，框图程序由节点和数据连线组成，可以使用图形语言对前面板的输入、输出量进行控制，相当于传统编程语言中的源代码，用图形语言而不是用文本代码来编程是LabVIEW 的最大特色。

图标/连接器端口可以把VI 变成一个子VI （SUbVI ），SUbVI 可以像子程序一样在其他VI 中调用，从而实现了模块化编程。

软件是实现数据采集系统的核心部分，它完成模拟信号、开关量信号的
同步采集、多路示波器显示、数据存储、波形回放等任务。

采集卡可用LabVIEW 中的NI-DAOmx 驱动程序进行快速开发。

软件系统设计方案如图3所示，由数据采集、数据回放、数据分析3个SUbVI 组成，各功能模块如图3
所示。

图3 软件系统设计方案
（l ）
模拟采集多路示波器：以曲线形式连续显示某段时间内电压的变化，并把所采集到的l6路信号分3个示波器显示，为避免信号重叠，一般把电压不同的被测信号置于同一个图表中。

（2）数字信号示波器：采用数字线输出方式，以脉冲形式显示。

（3）数据存储：采用DAomx 函数模块中的Ex-press （快速）VI 中的写测试数据文件（write Lab-VIEW measurement fiie ），实时存储所采集的数据，快速并且简单。

（4）数据回放：用读取测试文件（reab Lab-VIEW measurement fiie ）函数，可以方便地读取已经存储的数据，同时以数组的形式显示数据，进行信号分析。

（5）数据分析：模拟、数字波形同时采集，两者放于同一前面板上，模拟波形与同一时间段的数字波形比较，根据其相位关系，可以看出模拟波形发生突变的时间段，从而找到捣固车作业动作不到位的原因。

!"#$仿真实现
数据采集部分是整个软件系统的核心，用DAomx 函数来编写子VI ，编写的图形界面如图4所示。

被测信号频谱的最高频率!max 为3.5k~z ，由奈奎斯特采样定理知，要正确地恢复原来的信号，采样频率!s 必须大于或者等于7k~z 。

采集卡能实现16通道同时采集，每通道速率可达12.5k~z ，因此采样频率可定为12k~z 。

用1个标准的信号发生器给DAopad6016采集卡发送正弦波、方波、锯齿波信号，且采用非参考单端（NRSE ）接地方式。

数字信号选用port （端口）0的第0~4通道，则出现5条数字线，如图4第1个Graph 所示。

模拟采集时，可以根据需要在采集通道中选择示波器和信号路数，如图4所示的采集设置，共采集了4个通道的信号，第1示波器显示0、1通道的信号，第2示波器显示2、3通道的信号，第3示波器不显示任何通道的信号。

用传统示波器一一检验，测得其波形幅度与图4完全一致，从而验证了该软件系统设计的正确性。

数据采集实验的程序框图如图5所示。

因为其逻辑关系比较简单，采用3个并行的whiie 循环（及图5所标示的3个模块）即可实现。

采集模拟数据时，主要采用的5个数据采集多态vi 依次为：DAomx Creat Virtuai Channei 、DAomx Start 、DAomx Timing 、DAomx Read 、DAomx ciear 。

模块1为模拟信号采集模块，DAomx Read 函数用于读取数据，3个Seiect signais （选择信号）函数将采集到的16路信号分3个示波器显示出来，同时将采集到的信号传到一个Graph 中保存，并用此Graph 建立一个局部变量。

模块2为模拟信号存储模块，
结合写测试
图4 数据采集实验结果
数据文件将采集到的数据保存到指定文件夹中。

数字信号的采集所用函数与模拟采集函数类似，在DAomx Creat Virtuai Channei 中指定采集类型为Digitai Input 形式。

每个Whiie 循环对应一个停止（stop ）按钮，为实现同步，stop 按钮建立局部变量，一个按钮控制3个whiie ioop
同时停止。

图5 数据采集实验的程序框图波形回放可以利用whiie 循环和读取测试文件快速读取已经存储的模拟数据和开关量数据，可以分多个示波器同步点选需要显示的信号。

Lab-VIEW 提供了非常丰富的信号分析和数据处理函数，可将所采集的信号进行波形测量、调理、监测等处理。

模拟信号与数字信号可在前面板上点选不同示波器显示哪几个通道的信号是本采集系统的主
要创新点，也是要实现采集目的之关键所在。

因为本采集系统的主要目的是实现模拟信号和数字信号同步采集，比较其相位关系，找出模拟波形发生突变的时间段，从而对作业系统进行优化及进一步的故障诊断，以提高捣固车的作业精度和保证作业的稳定性，所以能在不同的示波器上点选需要分析的信号显得尤其重要。

子VI 前面板的实现如图4“模拟波形采集”和图5的模块2所示，主要用Tab ControI 控件和数组实现，实现了l6个通道信号的全部输入，每个通道的数据以数组形式存储，输出时可以在前面板选择相对应的通道，将此程序做成子VI ，由图5模拟数据采集模块中的“SeIect Sig-naIs ”函数完成。

数字信号分多个示波器显示，其步骤与上述相同。

2 结 论
本文介绍了基于DAoPad60l6卡的数据采集系统在捣固车电气控制系统中的应用，完成了多通道模拟量和数字量信号的同步采集、波形显示、波形存储、波形回放等功能。

主要介绍了数据采集同步，及如何根据需要在前面板选择采集通道，据采集同步主要通过创建局部变量实现。

系统软件采用LabVIEW 进行开发，采用了NI-DAomx 驱动程序，提高了开发效率，并且DAomx 支持多线程，可将采集到的信号通过USB 接口存入计算机硬盘，
实现了事后波形回放和数据分析的功能。

该采集系统已投入实际使用，较好地实现了其功能，达到了预期的效果。

参考文献
［l ］雷振山.LabVIEW 7Express 实用技术教程［M ］.北京：中国铁
道出版社，
2005.［2］杨乐平，李海涛.LabVIEW 程序设计与应用［M ］.2版.北京：
电子工业出版社，2005.
［3］邓焱，王磊.LabVIEW 7.l 测试技术与仪器应用［M ］.北京：
机械工业出版社，2004.
［4］黄青锋，刘强.基于USB 和LabVIEW 的数控切削过程数据采
集和分析系统设计［J ］.制造业自动化，2006，28（l ）：46-49.［5］李文军，田瑞利，易利鹏.基于LabVIEW 的数据采集与信号处
理系统［J ］.元器件与应用，2005，28（20）：l0-ll ，l7.
［6］高军哲，潘孟春，祖先锋，等.在Labwindows /CVI 7.0下基于
PXI 总线的导弹自动测试系统设计与实现［J ］.国外电子测量技术，2005，24（3）：22-24.
［7］韩志青，唐定全.抄平起拨道捣固车［M ］.北京：中国铁道出版
社，2005.
［8］［美］JOHNSON G W ，JENNINGS bVIEW 图形编程［M ］.
武嘉澍，陆劲昆，译.北京：北京大学出版社，2002.
［9］THOMAS L.ReaI timeLinux meets LabVIEW ，workshop on reaI
time operating systems and appIication ［Z ］.Lake Buena Vista ，FIorida ，November 27-28，2000，AvaiIabIe from www.Ieibner-it.de.
［l0］刘严严，徐世伟.频谱分析仪自动测试技术的研究［J ］.国外
电子测量技术，2006，25（7）：62-64.
（上接第78页）l 个停止位
m_ctrIComm.SetInputMode （l ）；//l ：表示以二
进制方式检取数据
m_ctrIComm.SetRThreshoId （l ）；//参数l 表
示每当串口接收缓冲区中有多于或等于l 个字符时将引发一个接收数据的OnComm 事件 m_ctrIComm.SetInputLen （0）；//设置当前接收区数据长度为0
m_ctrIComm.GetInput （）；//先预读缓冲区以清除残留数据
3 结束语
本文给出了3项电压/电流标准源硬件的选
型、搭建、软件波形的实现。

经过测试，效果良好，电压分辨力最高可达l /l62l40，超过3国家标准
l /l20000，频率分辨力在每周波200点，频率为l
000Hz 时最小步长可达到0.00l ，延迟时间在50!s 左右，符合国家标准，系统性能良好。

在进一步开发时，可加入AD 把输出电压采集
进来，这样就可以每次测试时候都进行自校准；此
外，串口在速度上稍显不足，如果PC 输入数据量
很大时有些力不从心，而且在流行趋势上USB 口正在逐步取代串口，所以可考虑改为使用USB 口通讯。

参考文献
［l ］章云.DSP 控制器及其应用［M ］.北京：机械工业出版
社，
200l.［2］杨斌.微机原理及其接口设计原理［M ］.成都：西南交通大学
出版社，
2005.［3］耿恒山.微机原理与接口［M ］.北京：中国水利水电出版
社，
2003.［4］Texas Instruments Incorporated.TMS320VC55X 系列DSP 的CPU
与外设［M ］.北京：清华大学出版社，2005.。