基于虚拟仪器的多路同步平轮模拟信号源系统

摘要

本发明提供的是基于虚拟仪器的多路同步平轮模拟信号源系统。它包括基于Labwindows/CVI的虚拟面板模块、基于ARM为控制芯片的信号转接模块和基于CPLD为控制芯片的即插即用信号发生模块；基于ARM为控制芯片的信号转接模块是由电源、晶振、复位电路、JTAG口、串口构成的ARM来作为控制芯片，其外围包括与之相连的USB转换电路、液晶、按键、驱动电路、即插即用接口功能电路；基于Labwindows/CVI的虚拟面板模块通过USB线与基于ARM为控制芯片的信号转接模块的USB转换电路相连；插即用信号发生模块与基于ARM为控制芯片的信号转接模块的即插即用接口功能电路相连。本发明可以代替现场火车平轮信号的模拟信号源，做到9路平轮信号同步，九路信号可以同时更换，幅值和频率可调。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种模拟信号产生装置，具体地说是一种根据现场采集的传感器数据，恢复并模拟具有扁疤的火车车轮踏面(简称为平轮)在运行时与铁轨接触时的振动信号的平轮模拟信号源。

(二)背景技术

火车轮轨扁疤是列车出现重大行车安全事故的隐患之一，因此铁路部门迫切需要对运输车辆进行实时监控，对铁路检测设备的安全性、高效性、智能性提出更高的要求。无论什么高性能的检测系统都是基于对轮轨的震动信号进行实时的高精度的采集基础上进行分析处理并最后给出轮轨疤痕破损级别。由于受实际情况的限制不可能让每个参与检测系统研发的人员都到火车运行的现场去进行实际测试。为了解决这个问题有关部门专门人为地把各种轮轨疤痕信号采集出来，使检测系统的研发可以在实验室的环境下进行成为可能。

到目前为止还没有关于模拟平轮信号源的文章或相关报道。本发明就是在获得轮轨疤痕离散信号数据的基础上，设计出一种可以模拟现场的传感器信号的装置。在满足能够真实地模拟现场的传感器信号的基础上，考虑到现场采集的数据的情况，系统的设计能够实现9路模拟信号的输出(5路平轮信号和4路磁钢信号)。这些信号应满足如下要求：一、需要九路传感器信号的同步工作，这就要求设计出一个可以同时输出九路的同步模拟信号源。二、由于列车的次数和速度不同就会让传感器输出不同组的信号，这就要求信号源输出的九路信号可以随时进行更换。

由于没有关于这方面的报道和发明，因此认为本发明的最大独特之处就是使不同组的研发人员可以在实验室环境下对监测系统进行同时的实验室开发，不用实际到现场进行前期和中期的开发，从而大大的降低了研发成本和提高了研发的效率，无论是在经济价值方面和科研价值方面都有十分重要的意义。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以代替现场火车平轮信号的模拟信号源，做到9路平轮信号同步，九路信号可以同时更换，幅值和频率可调的基于虚拟仪器的多路同步平轮模拟信号源系统。

本发明的目的是这样实现的：

它包括基于Labwindows/CVI的虚拟面板模块、基于ARM为控制芯片的信号转接模块和基于CPLD为控制芯片的即插即用信号发生模块；基于ARM为控制芯片的信号转接模块是由电源、晶振、复位电路、JTAG口、串口构成的ARM来作为控制芯片，其外围包括与之相连的USB转换电路、液晶、按键、驱动电路、即插即用接口功能电路；基于Labwindows/CVI的虚拟面板模块通过USB线与基于ARM为控制芯片的信号转接模块的USB转换电路相连；插即用信号发生模块与基于ARM为控制芯片的信号转接模块的即插即用接口功能电路相连。

本发明还可以包括：

1、基于Labwindows/CVI的虚拟面板模块的控件包括：触发控件(ON/OFF)、命令控件(探测(T))、命令控件(处理(P))、有指示灯LCD显示控件、循环控件(通道选择)、命令控件(打开)、图形控件、命令控件(下载)、数字控件(点数)、数字控件(已下载)、数字控件(采样频率)、命令控件(RST)、九个命令(RES1～RES9)、三个菜单控件(文件(F)、功能(F)、帮助(H))。此模块主要完成对采集信号的处理，信号通道的选择，信号的下载、输出、频率定义、显示、复位等功能。这些命令通过USB线和信号转换模块通信。

2、基于ARM为控制芯片的信号转换模块包括由电源、晶振、复位电路、JTAG口、串口构成的ARM来作为控制芯片，外围主要有与之相连的USB转换电路、液晶、按键(16个)、驱动电路、即插即用接口(20线)功能电路；基于ARM为控制芯片的信号转接模块中，所述的ARM控制芯片为PLCxxx；所述的USB芯片为CHxxxV，其数据线D0～D7、控制线INT、WR、RD、A0口分别与ARM控制芯片PLCxxx的数据线D0～D7口、控制线P0.15、WR、RD、A2口相连；所述的液晶为TRULYxxx*xx，其数据线接口D0～D7、控制线E、R/W、RS、CSA、CSB、RSTB通过驱动芯片74LVC164xxx分别与ARM控制芯片PLCxxx的数据线P2.22、P.23、P0.22、P0.24、P1.19、P2.24、P2.23、P1.18口、控制线P2.25、P2.29、P2.28、P2.30、P2.31、P1.17口相连；所述的16按键KEY1～KEY16通过驱动芯片74LVC164xxx分别与ARM控制芯片的BLS3、P0.29、CS1、P1.16、P0.30、CS3、CS2、A22、A23、A19、A20、A17、A18、A15、A16、A16口相连；所述的即插即用接口中的CS1～CS9口、SPY1～SPY9口、RST、MOSI、SCK口、LAB0～LAB3和WR口分别与ARM控制芯片的A1、D15、P0.3、P2.18、P1.22、P2.20、P1.20、P2.21、P2.17、A4、P1.21、P1.23、P2.19、P0.12、P2.17、P0.16、P2.16、A0、P0.10、MOSI0、SCK0、A7、A8、A5、A9、A4口相连；所述的驱动芯片74LVC164xxx的方向控制引脚与ARM控制芯片的P0.21相连。此模块主要通过硬件完成对软面板命令的执行和反馈，这些命令主要包括反馈给虚拟面板硬件是否连上，反馈给虚拟面板相应的即插即用信号发生模块连上，执行通道选择，数据下载，频率设置，波形输出，全体复位和单独复位等功能的针对一个或者所有的信号发生模块命令的传达。这些命令通过即插即用接口与即插即用信号发生模块通信。

3、基于CPLD为控制芯片的即插即用信号发生模块包括：控制芯片CPLD、RAM芯片、D/A转换芯片、显示LED、电源转换电路、JTAG口，插即用接口连线、驱动电路和功率放大电路；基于CPLD为控制芯片的即插即用信号发生模块的CPLD的控制芯片为EPMxxxTxxxC；所述即插即用接口的VCC经过电压转换模块后与CPLD的三个VCCIO2、三个VCCIO1和VCCINT相连；所述插即用接口的RST、MOSI、SCK、LAB0～LAB3和WR口，一根SPYx和一根CSx分别与EPMxxxTxxxC对应的任意I/O相连；所述RAM为61LVxxxxx，其对应的16根数据线和19根地址线分别与EPMxxxTxxxC相连；所述的D/A转换芯片为ADxxxx，其14数据线和控制线与EPMxxxTxxxC的任意I/O相连。该模块一共九个，是用来响应从信号转换模块发出的对其一个或者全部的命令，并根据情况给出反馈信息。反馈信息主要描述即插即用信号发生模块是否连接在信号转换模块上，命令包括：“把要输出的离散波形存入RAM中”、“把存储好的波形通过设定好的频率输出”和“经过D/A转换芯片进行功率放大输出目标信号”。即插即用信号发生模块三个LED灯分别指示模块是否连接、是否在被单独控制、是否在输出数据。

基于虚拟仪器开发此平轮信号源的目的是因为要处理的数据量很大，处理的数据组很多，只有在主机上处理才能最大限度的提高效率并减少对硬件电路的过分依赖和复杂度。从上面的陈述可知所有数据处理的部分都是在电脑上的虚拟仪器上完成的，信号转换模块和即插即用信号发生模块只起到数据传输和命令传达的作用。

本发明优越性和技术效果：采用虚拟仪器的技术产品鲜明的特点是：

1.在功能上做到了平轮信号的九路精确同步和九路信号的实时更换，到目前为止还没有关于平轮信号源的任何科技报道。这是此产品采用虚拟仪器技术最鲜明的特点。

2.由于虚拟仪器的运行载体是微机，可以利用计算机强大的资源使硬件技术软件化，分立元件模块化，降低了程序开发的复杂度，增强系统的功能和灵活性，从而使得开发迅速，执行效率高，这就使得此面板在处理信号的能力和速度上具无可比拟的优势，可以很容易地进行大容量数据的分析和运算。

3.虚拟仪器技术的使用最大限度的解放了与之连接的硬件电路，可以使它们只负责数据和命令的传输，而不是要在硬件电路上去完成信号的分析预处理。从而大大的简化了硬件电路的复杂度，大大提高了硬件电路的可靠性。

4.虚拟仪器和硬件电路的通信采用了十分成熟的USB2.0技术，无论是从速度和可靠性方面都有着鲜明的优势。

5.虚拟仪器技术是一个不需要更改硬件就可以单独开发的技术，这样可以使系统的升级和优化不需要更改硬件电路。

6.Labwidows/CVI可以将预先编制好的应用程序生成发布文件，这样就可以在在脱离Labwidows/CVI的开发环境下，将发布文件安装到任何一个计算机上。

该设计思想就是在达到发明目的的同时，尽量做到模块化(分成三个模块)。在确定模块化后使微机上的虚拟仪器处理尽可能多的任务，就是做到最大可能的硬件软件化。最终该发明实现了九路信号的同步和信号的随时更换并具有一般信号源的部分特征。

(四)附图说明

图1是基于虚拟仪器平轮模拟信号源整体结构框图；

图2是基于Labwindows/CVI的虚拟面板模块；

图3基于ARM为控制芯片的信号转换模块；

图4基于CPLD的即插即用信号发生模块；

图5外围器件接口与ARM控制芯片LPCxxxx连接电路图；

图6CHxxxV的USB接口芯片连接电路图；

图7串口电路图；

图8按键电路图；

图9JTAG和晶振电路图；

图10LCD液晶电路图；

图11电源转换电路图；

图12即插即用接口电路图；

图13数模转换电路图；

图14功率放大电路图；

图15RAM电路图；

图16外围器件接口与CPLD控制芯片EPMxxxTxxxCx连接电路图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

1、硬件部分：

结合图1，基于虚拟仪器的多路同步平轮模拟信号源系统主要由基于Labwindows/CVI的虚拟面板模块、基于ARM为控制芯片的信号转接模块和基于CPLD为控制芯片的即插即用信号发生模块三部分组成。

1)结合图3、5，基于RAM的信号转换模块采用的是PHILIPS公司的LPCxxxx芯片，它是一个基于实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S^TMCPU微控制器，带有256K字节的嵌入高速的FLASH存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60MHZ的操作频率。

2)结合图6，USB接口采用了CHxxxV接口控制芯片，采用了USB2.0规范总线规范，理论传输速率可达到480Mb/s可以满足对数据信号及时更换的要求。其数据线D0～D7、控制线INT、WR、RD、A0口分别与ARM控制芯片PLCxxx的数据线D0～D7口、控制线P0.15、WR、RD、A2口相连。

3)结合图8，按键接口一共设置了16个按键，分别为探测、采样率、输出、复位、I/O控制、F1、F2、F3、F4、F5、F6和是上下左右的方向键。按键KEY1～KEY16通过驱动芯片74LVC164xxx分别与ARM控制芯片的BLS3、P0.29、CS1、P1.16、P0.30、CS3、CS2、A22、A23、A19、A20、A17、A18、A15、A16、A16口相连.它们可以完成软面板的部分功能。

4)结合图10，LCD液晶接口电路，采用的液晶为TRULYxxx*xx，其数据线接口D0～D7、控制线E、R/W、RS、CSA、CSB、RSTB通过驱动芯片74LVC164xxx分别与ARM控制芯片PLCxxx的数据线P2.22、P.23、P0.22、P0.24、P1.19、P2.24、P2.23、P1.18口、控制线P2.25、P2.29、P2.28、P2.30、P2.31、P1.17口相连。它主要负责按键功能的可视化和引导按键操作。

5)结合图7，RS-232接口，是一个通用的串口，该串口大大的提高了开发的效率，这里只需要进行简单的数据发送接收功能，该串口电路采用了常用SP3232芯片串口转换芯片，其对应的9、10、11、12管脚直接与主芯片的CTS0、RTS0、TXD0、RXD0连接即可。

6)结合图12，九个即插即用接口，是一个自己设计的20针接口主要完成对即插即用信号发生模块的数据和命令的传输及一些命令的反馈。因为最大可以做到9个即插即用信号发生模块的同时工作，所以一共设计了九个即插即用接口。它们共用一个晶振，一个5V的VCC数字电源，一个共地对称的±15V电源、共用同一个RST、MOSI、SCK口、LAB0～LAB3和WR口，SPY和CS线对应的每个接口各1根。20根线的连接方式为：晶振1根线、5V的VCC数字电源两根线，一个共地对称的±15V电源各2根线、共用同一个RST、MOSI、SCK口、LAB0～LAB3、WR口，SPY和CS接口各1根线、地3根线。

7)结合图9、11，其它的一些外围电路：外围电路JTAG接口对应ARM芯片PLCxxx的TCK、TMS、TDI、nTRST和TDO端口，选用20针的JTAG接口调试器加有地线以避免干扰。复位电路采用SPxxx芯片与接口对应ARM芯片PLCxxx的RESET相连；SPY1～SPY9与ARM芯片PLCxxx的芯片相连的引脚接3.3V电源；电压转换电路分别采用MAX11xx-xx和MAX111x-xx两种电源转换芯片分别与ARM芯片PLCxxx的对应电源引脚相连。复位电路完成系统上电复位和用户按键复位，可采用SP708等控制芯片，可对不同复位电平值进行选择。采用14.7456M无源晶振为系统提供工作时钟。调试的LED灯接在P0.25引脚上。

1)结合图4、16，基于CPLD为控制芯片的即插即用信号发生模块采用的是ALTERA公司的MAXII系列的CPLD，信号为EPMxxxTxxxCx，8Kbit用户可编程的FLASH，3.3V电压供电。

2)结合图15，512*16的RAM接口电路，采用的是新成半导体有限公司(Intergrated Silicon Solution，Inc.)512K*16的61LVxxxxx高速异步静态随即存取寄存器。存储的地址空间为512K[0X00000～7FFFF]每个地址有16个位，存储速度为10ns。其对应的16根数据线、19根地址线、CE、OE、WE、UB和LB分别与EPMxxxTxxxC对应任意的I/O相连。

3)结合图13，D/A转换接口电路使用的为模拟器件公司(Analog Devices，Inc.)的14位的Adxxxx数模转换芯片，通过5V或者3.3V供电，最大CLOCK为100MSPS，最大输出为5.04MHZ。其对应的14根数据线和CLOCK分别与EPMxxxTxxxC对应任意的I/O口相连，其中CLOCK与RAM的OE公用EPMxxxTxxxC一根一个I/O口。

4)结合图16，其它外围电路：JTAG接口对应ARM芯片EPMxxxTxxxC的TCK、TMS、TDI和TDO端口，选用10针的JTAG接口调试器；功率放大模块采用TLxxx芯片其与Adxxxx的IOUT+和IOUT-相连，另一端为信号最终输出端；有三个LED分别代表电源连接、下载数据和输出指示灯。采用20MHz的有源晶振，同时为九个模块提供时钟，从而保证了输出的同步。

2、软件部分：

该发明软件部分采用的是虚拟仪器控制面板，通过USB接口与下位机连接执行控制指令。虚拟仪器面板是以国家仪器公司(National Instrument，Inc.)的基于ANSIC的集成开发环Labwindows/CVI虚拟仪器工程设计软件。它适用于测试系统、控制系统及信号的分析与处理，并提供了简单易行的编程环境。它使得该工具在构建大型的分布测试系统时，开发迅速、执行效率高、易于升级且节约成本。

结合图2，对于上层用户程序，根据功能可分为以下几个部分：

1)面板虚拟控件部分包括：该发明构建了可以放置各种控件的面板(多通道DAC输出模块)；控件主要有：触发控件(ON/OFF)、命令控件(探测(T))、命令控件(处理(P))、有指示灯LCD显示控件、循环控件(通道选择)、命令控件(打开)、图形控件、命令控件(下载)、数字控件(点数)、数字控件(已下载)、数字控件(采样频率)、命令控件(RST)、九个命令(RES1～RES9)、三个菜单控件(文件(F)、功能(F)、帮助(H))。此模块主要完成对采集信号的处理，信号通道的选择，信号的下载、输出、频率定义、显示、复位等功能。这些命令通过USB线和信号转换模块通信。

2)虚拟仪器的数据处理部分：该部分通过命令控件(处理(P))来实现，通过虚拟仪器生成的CVICALLBACK Do_data(int panel，int control，int event，void*callbackData，int eventDatal，int eventData2)函数来处理相应的文本文件。通过FileToArray(dir，buffer，VAL_FLOAT，352256，1，VAL_GROUPS_TOGETHER，VAL_GROUPS_AS_COLUMNS，VAL_ASCII)函数把目标文件调入到内存中，然后对这些数据进行相应的取整、数据整体偏移等相应的处理。最后生成一个可以被USB口识别并传输的数据文件wave.dat保存在D盘中。

3)数据的下载部分：包括命令控件(探测(T))、有指示灯LCD显示控件、循环控件(通道选择)、命令控件(打开)、图形控件、命令控件(下载)、数字控件(点数)、数字控件(已下载)这些控件来完成。探测(T)用来探测有几个即插即用模块连载上可以进行数据下载，它通过与相应的通道指示的有指示灯LCD显示控件实现；循环控件(通道选择)主要实现对所要下载通道的选择；命令控件(打开)主要实现对目标文件的选择；图形控件、命令控件(下载)、数字控件(点数)、数字控件(已下载)这几个控件主要是数据的对应下载，对应数据波形的显示和下载点数的记录。通过这一步，信号就进入了设置触发阶段。

4)信号的控制：通过数字控件(采样频率)、命令控件(RST)、九个命令(RES1～RES9)这几个按键实现，可以对信号的输出频率控制通过数字控件(采样频率)实现，最大可以设置到10M的采样率；对所有信号的同时复位通过命令控件(RST)实现，可一次实现最多九路信号的同步；对每一路信号的复位通过九个命令(RES1～RES9)可以一一实现。

5)本虚拟仪器面板的其它功能：如USB开关，三个菜单控件(文件(F)、功能(F)、帮助(H))。可以分别完成器件与数据转换模块的连接，菜单控件可以在不启动面板控件按钮的同时对面板进行控制。另外对部分按键设置了快捷键。Labwidows/CVI可以将预先编制好的应用程序生成发布文件，这样就可以在在脱离Labwidows/CVI的开发环境下，将发布文件安装到任何一个计算机上。