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應(yīng)用領(lǐng)域：
現(xiàn)場測試
挑戰(zhàn)：
利用LabVIEW 開發(fā)功能完善的鋼軌頂面短波不平順自動檢測系統(tǒng)，填補(bǔ)中國該技術(shù)領(lǐng)域的空白。
應(yīng)用方案：
用NI 公司的多功能數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW 平臺開發(fā)一個功能完善的、先進(jìn)的檢測系統(tǒng)。
使用的產(chǎn)品： LabVIEW；PCI－6035E、6711E、PCI－MIO－16E－4 等數(shù)據(jù)采集卡
介紹
鋼軌頂面短波不平順是產(chǎn)生噪音和引起火車輪軌相互作用力變化的主要原因之一。隨著鐵路運(yùn)輸不斷向高速、重載方向發(fā)展，鋼軌頂面短波不平順程度日益嚴(yán)重，這不僅加劇了軌道結(jié)構(gòu)部件的傷損和幾何尺寸的超限，而且影響了鋼軌的使用壽命，甚至危及行車安全。目前，中國檢測鋼軌頂面短波不平順的現(xiàn)有方法僅是靜態(tài)逐點(diǎn)手工測量，費(fèi)時、費(fèi)力、效率很低。研制和開發(fā)新型鋼軌頂面短波不平順檢測系統(tǒng)，能夠?yàn)殇撥壌蚰ビ媱澋闹贫ㄌ峁┛茖W(xué)依據(jù), 從而指導(dǎo)對鋼軌的打磨以延長其使用壽命，提高旅客乘車適度，保障行車安全，可見其經(jīng)濟(jì)和社會效益都十分可觀。
本文介紹了基于LabVIEW 的鋼軌頂面短波不平順檢測系統(tǒng)（以下簡稱"檢測系統(tǒng)"）的開發(fā)，并就開發(fā)過程中的一些問題進(jìn)行討論。
檢測系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)
檢測系統(tǒng)分為：在線檢測子系統(tǒng)與事后回放子系統(tǒng)兩部分。用LabVIEW 開發(fā)的兩個子系統(tǒng)的前面板分別如圖1 和圖2 所示。
圖1 在線檢測子系統(tǒng)前面板
圖2 事后回放子系統(tǒng)前面板
在線檢測子系統(tǒng)通過外脈沖觸發(fā)采樣，同時測量外脈沖時間間隔，由時間間隔計算出對應(yīng)的火車速度。在連續(xù)采集數(shù)據(jù)的同時，系統(tǒng)還將對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析處理、按一定格式存儲并動態(tài)地顯示原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果的波形；處理完的數(shù)據(jù)及驅(qū)動走紙儀的信號經(jīng)輸出卡輸送給走紙儀，這樣可以在現(xiàn)場得到所需要的大部分檢測結(jié)果。
事后回放子系統(tǒng)則通過對現(xiàn)場檢測得到的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)索引和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)與在線檢測子系統(tǒng)相仿的處理功能，進(jìn)行在線檢測過程的信息回放。此外，該子系統(tǒng)還可以對檢測結(jié)果做出評估，并以報表的形式顯示和打印結(jié)果，十分便于檢測人員對各段鋼軌頂面不平順程度具體情況的了解。
本系統(tǒng)最明顯的先進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)是集成化，數(shù)據(jù)的采集、分析處理、保存、顯示、輸出及畫圖均在一個系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)完成，克服了老式檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析處理不同步等弱點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線檢測。
利用NI 公司的LabVIEW開發(fā)此系統(tǒng)，不僅可以很方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能，而且用戶界面也可以做得十分美觀、友好和具有個性化特點(diǎn)，其模塊化的設(shè)計，又大大方便了程序的修改和維護(hù)。
檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
作為一種圖形化程序設(shè)計語言，NI 公司的LabVIEW 帶有豐富的VI 庫，并且調(diào)用也十分方便；此外，其豐富的應(yīng)用舉例子程序和完善的在線幫助功能，也會給程序設(shè)計者帶來極大的方便。
1.多任務(wù)間的配合
本檢測系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)在于：由于裝設(shè)在列車上，在線檢測子系統(tǒng)要在列車行駛過程中保持長時間穩(wěn)定運(yùn)行，并且在連續(xù)采集數(shù)據(jù)的同時還要對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示并驅(qū)動走紙儀完成畫圖。在整個在線檢測過程中，要保證數(shù)據(jù)不會丟失，就要做到數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和輸出各個環(huán)節(jié)的緊密配合，如果其中的處理或輸出功能模塊占用時間太多，采集的數(shù)據(jù)將來不及被有序、完全地讀取，從而造成緩沖區(qū)溢出致使有用數(shù)據(jù)丟失。基于以上考慮，我們在程序設(shè)計中充分利用了LabVIEW 的多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制，把數(shù)據(jù)的采集、處理及輸出分別作為獨(dú)立的子任務(wù)，調(diào)用函數(shù)庫中的事件（occurrence）函數(shù)和時間等待（wait on occurrence）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)之間合理的配合。我們研制出的檢測系統(tǒng)的在線檢測子系統(tǒng)主程序的流程圖如圖3 所示。
圖3 在線檢測子系統(tǒng)主程序流程圖
2.數(shù)據(jù)傳送方式及緩沖區(qū)
一般來說，采集功能單元傳送數(shù)據(jù)所采用的方式有：定時、查詢（Polling Mode）、中斷(InterruptMode)以及直接存儲器存取(DMAMode)等。前三種方式都要占用比較多的CPU 時間，而且傳送速度也沒有DMA 方式快。由于本檢測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，持續(xù)時間長，一般可能要幾個甚至十幾個小時，并且整個檢測系統(tǒng)占用CPU 資源比較多，因而我們在程序設(shè)計中采用DMA 方式傳送數(shù)據(jù)。一般的數(shù)據(jù)采集卡都支持這種數(shù)據(jù)傳送方式，但不同數(shù)據(jù)采集卡支持的DMA通道數(shù)目是不同的，有的可能只有一個DMA 通道。本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和測量時間間隔都要用到DMA，因此至少要有兩個DMA 通道可供利用。
為了保證在長時間連續(xù)采集數(shù)據(jù)的同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并給數(shù)據(jù)處理留下一定的緩沖時間，必須開辟一塊循環(huán)緩沖區(qū)（circularbuffer）存儲采集到的數(shù)據(jù)。這樣，在采集數(shù)據(jù)的同時就不會耽誤對數(shù)據(jù)的及時處理。當(dāng)緩沖區(qū)放滿數(shù)據(jù)時，它會從緩沖區(qū)首端起存儲新的數(shù)據(jù)，因而要求讀取數(shù)據(jù)的速度要足夠快，否則也會造成數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)還沒達(dá)到所需要的讀取量，程序會等待其到達(dá)后再讀取。
3.程序的優(yōu)化
為減少程序占用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)執(zhí)行速度，我們在程序設(shè)計中盡可能采用子VI，充分利用LabVIEW 便于構(gòu)建模塊化系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了模塊化的程序設(shè)計。LabVIEW提供有豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括數(shù)組、字符串、數(shù)據(jù)群（cluster）,以及由它們構(gòu)成的更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但從算法的執(zhí)行效率以及流程圖的可視化方面考慮，我們在程序設(shè)計中盡量少采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
結(jié)論及體會
目前，我們承擔(dān)的鋼軌頂面短波不平順檢測系統(tǒng)的開發(fā)已基本完成，并已到現(xiàn)場進(jìn)行了多次的驗(yàn)證性測試。相信經(jīng)過進(jìn)一步完善，這個用LabVIEW 研制開發(fā)的鋼軌頂面短波不平順檢測系統(tǒng)將填補(bǔ)國內(nèi)有關(guān)短波不平順自動檢測系統(tǒng)方面的空白。
初學(xué)LabVIEW 時，雖然比較容易入門，但在具體應(yīng)用中還是會碰到程序設(shè)計上各種各樣的問題。作為一種圖形化的快速編程語言，對許多程序設(shè)計者來說，LabVIEW多方面的優(yōu)點(diǎn)還遠(yuǎn)未得到充分利用。
以本文作者的親身體會，LabVIEW 提供了豐富的應(yīng)用舉例子程序，其中許多可以直接利用或稍加修改就可以用到自己的程序中，比如DAQ 的很多應(yīng)用在例子程序中都可以找到。因此建議多學(xué)習(xí)一下LabVIEW 自帶的應(yīng)用舉例子程序，這對程序設(shè)計者一定會有很大的幫助。
LabVIEW 的多任務(wù)并行運(yùn)行機(jī)制是一般傳統(tǒng)語言所不具備的，應(yīng)充分利用這一優(yōu)勢，方便、靈活地實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，快速、高效地構(gòu)造較為復(fù)雜的多任務(wù)檢測系統(tǒng)。
LabVIEW 的多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制具有協(xié)作式（cooperative）而非搶占式（preemptive）的特點(diǎn)，系統(tǒng)不支持中斷，因此無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的任務(wù)定時，在實(shí)時性上有一定的局限性，即它只適用于對實(shí)時性要求不很高的場合。如果對實(shí)時性要求很高，就要選用其他能滿足實(shí)時性要求的開發(fā)系統(tǒng)，例如實(shí)時LabVIEW 系統(tǒng)（LabVIEW RT 系列）。但是，實(shí)時性是一個相對的概念，對于一些實(shí)時性要求不是很高的場合， 采用LabVIEW開發(fā)平臺，通過對各任務(wù)的合理調(diào)度，便可以很好地滿足要求，沒必要選用價格相對較高的實(shí)時開發(fā)系統(tǒng)。
從程序開發(fā)方面考慮，如果選用LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺，建議最好采用NI 公司的板卡，這樣可以使程序設(shè)計更簡單、更方便，從而縮短程序開發(fā)周期。
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