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應用領域：
現場測試
挑戰：
利用LabVIEW 開發功能完善的鋼軌頂面短波不平順自動檢測系統，填補中國該技術領域的空白。
應用方案：
用NI 公司的多功能數據采集卡和LabVIEW 平臺開發一個功能完善的、先進的檢測系統。
使用的產品： LabVIEW；PCI－6035E、6711E、PCI－MIO－16E－4 等數據采集卡
介紹
鋼軌頂面短波不平順是產生噪音和引起火車輪軌相互作用力變化的主要原因之一。隨著鐵路運輸不斷向高速、重載方向發展，鋼軌頂面短波不平順程度日益嚴重，這不僅加劇了軌道結構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有方法僅是靜態逐點手工測量，費時、費力、效率很低。研制和開發新型鋼軌頂面短波不平順檢測系統，能夠為鋼軌打磨計劃的制定提供科學依據, 從而指導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，可見其經濟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（以下簡稱"檢測系統"）的開發，并就開發過程中的一些問題進行討論。
檢測系統的功能及特點
檢測系統分為：在線檢測子系統與事后回放子系統兩部分。用LabVIEW 開發的兩個子系統的前面板分別如圖1 和圖2 所示。
圖1 在線檢測子系統前面板
圖2 事后回放子系統前面板
在線檢測子系統通過外脈沖觸發采樣，同時測量外脈沖時間間隔，由時間間隔計算出對應的火車速度。在連續采集數據的同時，系統還將對采集到的數據進行必要的分析處理、按一定格式存儲并動態地顯示原始數據和處理結果的波形；處理完的數據及驅動走紙儀的信號經輸出卡輸送給走紙儀，這樣可以在現場得到所需要的大部分檢測結果。
事后回放子系統則通過對現場檢測得到的原始數據文件進行數據索引和調用，實現與在線檢測子系統相仿的處理功能，進行在線檢測過程的信息回放。此外，該子系統還可以對檢測結果做出評估，并以報表的形式顯示和打印結果，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。
本系統最明顯的先進技術特點是集成化，數據的采集、分析處理、保存、顯示、輸出及畫圖均在一個系統中實現完成，克服了老式檢測系統的數據采集和分析處理不同步等弱點，基本實現了實時在線檢測。
利用NI 公司的LabVIEW開發此系統，不僅可以很方便地實現復雜的數據處理功能，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，其模塊化的設計，又大大方便了程序的修改和維護。
檢測系統的實現
作為一種圖形化程序設計語言，NI 公司的LabVIEW 帶有豐富的VI 庫，并且調用也十分方便；此外，其豐富的應用舉例子程序和完善的在線幫助功能，也會給程序設計者帶來極大的方便。
1.多任務間的配合
本檢測系統設計的難點在于：由于裝設在列車上，在線檢測子系統要在列車行駛過程中保持長時間穩定運行，并且在連續采集數據的同時還要對各項數據進行處理、顯示并驅動走紙儀完成畫圖。在整個在線檢測過程中，要保證數據不會丟失，就要做到數據的采集、處理、顯示和輸出各個環節的緊密配合，如果其中的處理或輸出功能模塊占用時間太多，采集的數據將來不及被有序、完全地讀取，從而造成緩沖區溢出致使有用數據丟失。基于以上考慮，我們在程序設計中充分利用了LabVIEW 的多任務運行機制，把數據的采集、處理及輸出分別作為獨立的子任務，調用函數庫中的事件（occurrence）函數和時間等待（wait on occurrence）函數來實現多任務之間合理的配合。我們研制出的檢測系統的在線檢測子系統主程序的流程圖如圖3 所示。
圖3 在線檢測子系統主程序流程圖
2.數據傳送方式及緩沖區
一般來說，采集功能單元傳送數據所采用的方式有：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。由于本檢測系統采集的數據量大，持續時間長，一般可能要幾個甚至十幾個小時，并且整個檢測系統占用CPU 資源比較多，因而我們在程序設計中采用DMA 方式傳送數據。一般的數據采集卡都支持這種數據傳送方式，但不同數據采集卡支持的DMA通道數目是不同的，有的可能只有一個DMA 通道。本系統采集數據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采集數據的同時進行數據的處理，并給數據處理留下一定的緩沖時間，必須開辟一塊循環緩沖區（circularbuffer）存儲采集到的數據。這樣，在采集數據的同時就不會耽誤對數據的及時處理。當緩沖區放滿數據時，它會從緩沖區首端起存儲新的數據，因而要求讀取數據的速度要足夠快，否則也會造成數據丟失。當讀取數據時，如果緩沖區中的數據還沒達到所需要的讀取量，程序會等待其到達后再讀取。
3.程序的優化
為減少程序占用系統資源，提高系統執行速度，我們在程序設計中盡可能采用子VI，充分利用LabVIEW 便于構建模塊化系統的特點，實現了模塊化的程序設計。LabVIEW提供有豐富的數據結構，包括數組、字符串、數據群（cluster）,以及由它們構成的更復雜的數據結構。但從算法的執行效率以及流程圖的可視化方面考慮，我們在程序設計中盡量少采用復雜的數據結構。
結論及體會
目前，我們承擔的鋼軌頂面短波不平順檢測系統的開發已基本完成，并已到現場進行了多次的驗證性測試。相信經過進一步完善，這個用LabVIEW 研制開發的鋼軌頂面短波不平順檢測系統將填補國內有關短波不平順自動檢測系統方面的空白。
初學LabVIEW 時，雖然比較容易入門，但在具體應用中還是會碰到程序設計上各種各樣的問題。作為一種圖形化的快速編程語言，對許多程序設計者來說，LabVIEW多方面的優點還遠未得到充分利用。
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 的很多應用在例子程序中都可以找到。因此建議多學習一下LabVIEW 自帶的應用舉例子程序，這對程序設計者一定會有很大的幫助。
LabVIEW 的多任務并行運行機制是一般傳統語言所不具備的，應充分利用這一優勢，方便、靈活地實現多任務調度，快速、高效地構造較為復雜的多任務檢測系統。
LabVIEW 的多任務運行機制具有協作式（cooperative）而非搶占式（preemptive）的特點，系統不支持中斷，因此無法實現嚴格意義上的任務定時，在實時性上有一定的局限性，即它只適用于對實時性要求不很高的場合。如果對實時性要求很高，就要選用其他能滿足實時性要求的開發系統，例如實時LabVIEW 系統（LabVIEW RT 系列）。但是，實時性是一個相對的概念，對于一些實時性要求不是很高的場合， 采用LabVIEW開發平臺，通過對各任務的合理調度，便可以很好地滿足要求，沒必要選用價格相對較高的實時開發系統。
從程序開發方面考慮，如果選用LabVIEW 作為軟件開發平臺，建議最好采用NI 公司的板卡，這樣可以使程序設計更簡單、更方便，從而縮短程序開發周期。
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