汽车智能仪表虚拟测试系统研究与开发

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汽车智能仪表虚拟测试系统研究与开发分类号U463单位代码10618密级学号10822007墨废交通夕謦硕士学位论文论文题目：汽车智能仪表虚拟测试系统研究与开发ResearchandoftheVirtualTheDevelopmentTestofVehicleInstrumentSystemIntelligent 研究生姓名：付靓导师姓名、职称：李伟教授申请学位门类：工学专业名称：机械设计及理论论文答辩日期：学位授予单位：答辩委员会主席：舒红宇评阅人：王恒升陈涛2011年4月 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。日期：．20学位论文作者签名：／i才桃11年年月，7日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信息服务包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名：1才靓指导教师签日期：2011年年月J 7日日期：o乏口ll本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊光盘版电子杂志社CNY,H系列数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规定享受相关权益。学位论文作者签名：／1才靓指导教师签名：Et日期：．2011年4月，7日期．&口怍争月／7日摘要当前，汽车仪表的检测模式不能满足汽车仪表生产厂家对仪表成品智能化检 测标定日益增长的需要，以致仪表生产水平普遍落后于整车生产水平，为了解决这个问题，本文以汽车智能仪表为检测对象，基于虚拟仪器技术，研究开发了一种汽车智能仪表虚拟测试系统。本文在研究汽车智能仪表虚拟测试系统工作原理、总体框架的基础上，研究开发了该系统的软硬件子系统。该系统的硬件功能采用NIPCI一6014数据采集卡和PC机来实现，软件功能采用NI公司的LabVIEW图形化编程语言来实现。软硬件采用同一个公司的产品，可以减少由于不兼容对测试系统造成的干扰。最后， 采用数字合成信号发生器来模拟被测试信号，对汽车智能仪表虚拟测试系统进行试验，证明该系统的正确性和可靠性。该测试系统能对汽车智能仪表的车速表、转速表、燃油表、冷却液温度表、机油压力报警五个对象的功能和精度进行检测。用户只需输入初始化参数，将传感器的信号采集到虚拟测试系统，系统就可以实现对数据的分析、处理、显示、存储等功能，并可以判断对应仪表是否合格。该测试系统具有美观、便捷的人机交互主界面，方便、快捷的操作界面，直观的数据显示界面，极大地方便了用户的操作。在测试模块功能的实现上，采用‘‘状态机"模式，使各测试模块能独立 运行，互不干扰。并且，该测试系统具有可移植性好，升级方便的特点。关键词：汽车；智能仪表；虚拟测试系统ABSTRACTwhichThecurrentmodesofmotormetercan’tmeettheneedsoftestinggrowingtestandthatmotonnetermanufacturersaboutthethecalibration,SOproducts’intelligent toinstrumentlevelislowerthanthelevelofvehicleorderproduction’Sproduction．Indeal、玑nlthischoosetheautomobileinstnmaent弱theproblem，thistopicintelligenttestonthevirtualinstrumentavirtualtestobject，basedtechnology,todevelopsystemofautomobileinstrument．intelligentBasedontheworkandtheframeworkofthethevehicle principlegeneralinstrumentvirtualtestthehardwareintelligentsystem，thispaperdevelopedsystem’S4andPCandsoftwareNIPCI??601datacardsubsystem．TllissystemadoptedacquisitiontorealizethehardwarefunctionandtheNI’SLabVIEWadoptedgraphicalprogrammingtorealizethesoftwarefunction．Boththehardwareandsoftwareusedthesamelanguage Canreducetheinterferencecausedproductsbyincompatible．Atlast，adoptedcompany’Sthetothewhichisinneed．Andsignalgeneratorgeneratethen，toprovedigitalsignaltheandittotheinstntmentvirtualtestsystem’Svalidityreliability,sentsystem．，nliscalltesttheandoftheinstrument’Ssystemfunction precisionintelligentmeter,fueloilspeedometer,revolutiongauge，coolanttemperaturegauge，andpressure．Usersneedtotheinitializationandsendthesensor’Stotheonlyinputparameterssignalvirtualtestthecanrealizethefunctionofdatasystem，thensystemanalysis，processing，andSOcantheinstrumentsornot．on,andcorrespondingqualifieddisplay,storagejudge Thistesthasbeautifulandconvenientinteractionmainsystemhuman―computeranddatainterface，convenientinterface，intuitiveinterface，quickoperationdisplaywhichCanmaketheuser’smucheasier．Torealizethethetestmodules’operationmachine’’modelwhichcanmakeeachmodulesrunfunction，adopted“stateinterferewithhaS eachtestother．Besides，thisindependently,notsystemgoodfeatures．portability,convenientupgradeTestInstrument；VirtualKeyWords：Vehicle；IntelligentSystem目录第一章绪论……．．．．．．．．．．．…．．．．．．…．．．…．．…．．．．．11．1研究背景和意义………………………………．．1 1．2汽车仪表系统概述………………………………l1．2．1汽车仪表的发展现状…………………………………l1．2．2汽车智能仪表的概念及发展现状………………………．．21．3汽车仪表测试系统发展趋势…………………………31．3．1汽车仪表测试系统的发展现状…………………………．31．3．2虚拟仪器技术在汽车测试上的应用………………………41．4研究的主要内容及主要成果…………………………51．4．1研究的主要内容……………………………………51．4．2研究的主要成果……………………………………5第二章虚拟仪器技术…．．………．．．…………………62．1虚拟仪器概述…………………………………6 2．1．1虚拟仪器的概念……………………………………．62．1．2虚拟仪器的发展和分类………………………………．62．1．3虚拟仪器的特点……………………………………．72．2虚拟仪器的结构………．．………………………82．2．1虚拟仪器硬件系统组成………………………………．92．2．2虚拟仪器软件开发环境………………………………102．3虚拟测试技术概念辨析…………………………．．11第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理…．．………．123．1系统测试参数的选择……………………………．123．1．1汽车智能仪表的各参数说明…………………………．．123．1．2系统测试参数的选择………………………………．．14 3．2虚拟测试系统总体方案…………………………．．143．3智能仪表虚拟测试系统测试原理……………………．．153．3．1车速表测试原理……………………………………153．3．2转速表测试原理……………………………………153．3．3燃油表测试原理……………………………………173．3．4冷却液温度表测试原理………………………………203．3．5机油压力表测试原理………………………………．．21第四章虚拟测试系统的硬件开发．．．…．．．．．……．………244．1虚拟测试系统的组成……………………………．244．2虚拟测试系统数据采集系统的硬件选型…………………244．2．1 NI虚拟仪器数据采集系统的基本组成简介………………．244．2．2硬件选型………………………………………．．264．3NI4．4接线方式的选择………………………………………．．294．4．1NI数据采集卡提供的终端模式………………………．．294．4．2三种终端模式的优缺点………………………………304．5NIPCI-6014驱动………………………………………314．6NIPCI-6014数据采集卡测试………………………32第五章虚拟测试系统的软件开发………………………．355．1虚拟测试系统软件开发概述………………………………．35 5．1．1软件开发平台的选择………………………………．．355．1．2软件开发的总体架构………………………………．．355．2界面开发……………………………………………．．365．2．1启动画面…………………………………………375．2．2运行菜单…………………………………………375．2．3测试系统各测试模块界面开发…………………………385．3数据采集软件开发………………………………………405．3．1频率测量软件开发…………………………………．415．3．2电压测量软件开发…………………………………445．4数据分析处理…………………………………………．445．5数据存贮……………………………………………．．45 5．6数据显示……………………………………………．．475．7测试系统程序代码………………………………………48第六章虚拟测试系统试验．．．．．．……．……．………．．．．．506．1试验内容……………………………………………．．506．2试验条件……………………………………………．．506．3测试结果分析…………………………………………．516．3．1频率测量试验分析…………………………………．516．3．2电压测量试验分析…………………………………536．3．3智能仪表虚拟测试系统试验结果分析…………………．．546．4测试系统抗干扰措施……………………………………．596．4．1测试系统受到的干扰………………………………．．59 6．4．2抗干扰措施………………………………………59第七章结论与展望．．…．．．……………．．．．．．．．．．…．．．617．1结论…………………………………………………6l7．2展望…………………………………………………61致谢……．…．．……．…．………………．．．…．．．63参考文献．．……………．．………………．…．…．．．64在学期间发表的论著及取得的科研成果．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．66第一章绪论第一章绪论1．1研究背景和意义汽车仪表是驾驶员与汽车进行人机交互的窗口，对于延长汽车的使用寿命， 提高汽车行驶的安全性、经济性等起着至关重要的作用。驾驶员靠汽车仪表的指示来随时掌握汽车的工作状态，特别是在条件恶劣的环境中如崎岖的山区行驶的汽车，准确无误的仪表指示更是不可缺少的n1。随着经济的飞速发展和人们生活水平的提高，对汽车的智能化要求也越来越高，汽车的附属功能越来越多，附属装置也越来越多。为了使驾驶员能够更多更快地掌握汽车行驶信息，及时有效地采取相应的操作，汽车仪表板已经成为现代汽车的信息中心。近年来，汽车行业的高速发展不断推动着汽车仪表的更新换代。随着微电子 技术、网络通信技术和液晶显示技术在汽车仪表中的应用，汽车仪表正加速朝着数字化、智能化、多元化和人性化的方向发展‘21。汽车智能仪表是适应汽车电子化潮流而诞生的高科技产品，它能识别汽车所需要的一切参量和信息，并具有记忆处理能力‘31。由于汽车智能仪表相对于传统指针式仪表的种种优势，使其成为汽车仪表制造厂家竞相发展的产品。但是，由于电子器件生产工艺的特殊性，造成即使是同一类型的电子器件其电气特性也无法完全相同“1，因此即使是从同一条生产线上用同样的工艺生产出来的同一型号的仪表也需要逐个进行检验标定。而国内的大部分仪器仪表生产厂家对成品的检测标定都是依靠经验进行人工标 定，或者将成品送到专门的技术质检部门进行检验。这样就不可避免地浪费了大量的人力物力，并且严重影响了生产效率。由此可见，如果能开发出一种能对汽车智能仪表进行检测标定的测试系统，将极大地节约生产厂家的制造成本并提高其生产效率。本文的选题就是基于这个基础，研究开发一个能对汽车智能仪表进行检测的虚拟测试系统。1．2汽车仪表系统概述1．2．1汽车仪表的发展现状汽车仪表作为汽车人机交互不可缺少的一部分，在整个仪表行业和汽车零配 件行业充当了相当重要的角色。我国汽车仪表行业发展至今已有60年的历史，大致经历了单表仿制、成套仪表生产和产品开发三个发展阶段‘5’。目前国内汽车仪表生产企业的生产技术水平参差不齐，汽车仪表技术普遍落后。业内专家认为，2第一章绪论我国汽车仪表产品技术水平低、造型设计单调，产品耐久性和可靠性差，数字化程度低，跟不上整车发展。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，但国内本土企业还不具备完善的开发环境和技术条件。随着我国汽车产量的与日俱增，汽车仪表的市场份额也在不断增加。目前， 中国汽车仪器仪表市场规模约7亿美元，约占汽车电子总市场的10．2％。据有关人士称，在汽车仪表的市场格局上，一方面国际性大公司在中高端市场上占有较大份额；另一方面中国本土厂商经过多年打拼也占据了一定的市场份额。他们与国际性大公司合作，争取更多的市场、资源，以低成本抢夺低端市场。从技术发展的角度来看，我国本土厂商在技术上处于跟进状态，在技术储备和产品发展路线把握方面还有待提高n，。总的来说，汽车仪表正在向着“综合信息系统”的方向发展。一个带有ECU的智能化汽车仪表将成为未来汽车仪表行业的主力产品，它的功能将不局限于车 速、里程、发动机转速、油量、水温、方向灯的指示，还能指示安全系统运行状态，如轮胎气压、安全气囊、制动装置等。1．2．2汽车智能仪表的概念及发展现状微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的巨大改变。有些仪表已经能实现人脑的部分功能，如四则运算、逻辑判断、命令识别等，有的还能进行自校正、自诊断，并具有自适应、自学习的能力¨1。目前获得大多数专家认可的智能仪表的定义是：具有自校正、自诊断、自适应、自学习等反馈的仪表。 通常，智能仪表由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括MCU、过程输入／输出通道模拟量输入／输出通道和开关量输入／输出通道、人机交互部分和接口电序、中断处理或服务程序以及实现各种算法的功能模块[810汽车智能仪表利用现行汽车使用的各种传感器，将采集的各种参量信息统一由智能仪表的转换器变成微电脑能识别的信号分别进行识别处理，并按照设定的要求由执行系统执行显示、存储、报警等功能。并且，汽车智能仪表具有自动检测功能，可以对仪表自身的工作状态进行检测；对设定的参量能自动显示，超限报警；具有人机对话 按键，真正实现以人为本；设有防盗报警功能，只有输入正确的密码，汽车才能正常行驶；还有自动调光系统，使仪表亮度能随环境光线的强弱自动变换等功能细’。近年来，随着计算机技术、微电子技术、精密机械技术、网络技术、纳米技术等高新技术的迅速发展，智能仪表技术的发展表现出一些新的特点：比如硬件功能的软件化、模块化功能硬件的集成化、参数修改的实时化、硬件平台的通用第一章绪论3化等[101。为了适应新型智能仪表的各种要求并降低开发成本，缩短开发周期，虚拟化设计与可编程技术是近几年智能仪表设计的发展趋势。虚拟仪器技术“软件 即仪器’’的设计理念极大地节约了设计成本，缩短了开发周期，并且增强了智能仪表的可移植性。随着社会发展、科技进步，人们对智能仪表的功能要求越来越高，智能仪表开始朝着微型化、网络化、虚拟化、数字化、智能化的方向发展。总之，随着微电子技术、测量控制技术、通信技术、计算机技术的发展和相互渗透，汽车智能仪表必将向着小型、轻量、快速、多功能、高精度、高性价比的方向发展。在国际市场上，智能仪表的开发速度很快，市场十分广阔，如测控仪器、光学分析仪器等平均每年以20％的速度增长。虽然智能仪表在我国起步较晚，但其发 展极为迅速，国内市场也一片看好，开发潜力巨大，市场极为广阔，已成为国内仪器、仪表行业今后发展的主导产品n¨。1．3汽车仪表测试系统发展趋势1．3．1汽车仪表测试系统的发展现状汽车测试仪器的发展与我国汽车工业的发展息息相关，我国汽车测试仪器发展较晚，技术水平不高，大多数是单参数测量，精度较低。国内大部分仪器仪表生产厂家对成品的检测标定都是依靠经验进行人工标定，或者将成品送到专门的技术质检部门进行检验，消耗了大量的人力、物力。因此，开发一种能对汽车智 能仪表进行检测标定的测试系统已成为近年来比较热门的一个研究方向。各大高校、研究院、汽车生产厂家都在不同程度上进行着研究。电子测量仪器发展至今，大体可以分为模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器四代。模拟仪器仪表的基本结构是电磁式机械，借助指针来显示最终结果；数字化仪器主要是借助于单片机设计的专用化仪器仪表，以数字方式输出最终结果；智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，但由于它的功能块全部以硬件或固化软件的形式存在，无论是开发还是应用都缺乏灵活性[121。与前三代电子测量仪器相比，虚拟仪器作为现代计算机技术、 通信技术和测量技术相结合的产物，是对传统仪器的一次重大变革，是将来测量仪器产业发展的重要方向。虚拟仪器可利用强大的计算机资源进行数据处理、显示、存贮、打印、报表等功能，并且可利用网络技术提供的数据远程传输通道实现远程测试或网络测试，这些都是传统仪器无法企及的。另外，软件作为虚拟仪器的核心，可极大地方便用户自定义或扩展系统功能。虚拟仪器技术的快速发展为汽车测试提供了灵活的4第一章绪论解决方案，使之在汽车工程测试领域中的应用不断深入，大量取代了传统的汽车 测试仪器，并提高了测试效率。比如车载数据采集、噪声和振动测试、燃料电池测试等，都逐渐融入了虚拟仪器技术。在汽车仪表测试中，虚拟仪器的优势也逐渐显露出来。前不久，由北京中科泛华测控技术有限公司为汽车电子检测行业新设计的汽车仪表盘检测系统已经交付客户使用，该检测系统通过全程的机器及数字化处理，实现了对仪表指针的校准与验证、LED颜色与亮度、LCD字段完整性等项目测试。长春一公司制造的国内第一台产品型汽车仪表检测机器人也已“上岗"，可替代人检测汽车仪表和操纵系统，它已有了视觉系统，触觉系统还需迸一步完善。 但是，目前大多数测试系统还停留在硬件研究阶段，已研发出来的汽车仪表检测系统几乎都是用单片机开发出来的，其针对性较强，可移植性较差。相比而言，国外利用虚拟仪器技术构建的测试系统，可移植性较强，并且其内容已经涉及电力、医学、汽车以及实验室建立等多个领域[13-171。1．3．2虚拟仪器技术在汽车测试上的应用虚拟仪器是以计算机及网络为基础，以软件为核心的自然科学信息测试、分析、存储、传输与控制的系统。虚拟仪器技术是在LabVIEW诞生以后兴起的一门年LabVIEW进入中国，国内对于虚拟仪器的研究也已初见成果，在机械参数测试、 机械故障诊断、机械生产过程控制中都得到了广泛的应用。与传统仪器相比，虚拟仪器具有系统性能升级方便，价格低廉，仪器间的资源可重复利用，开发与维护费用低，技术更新周期短等优点。因此，采用虚拟仪器技术开发仪表测试系统比单独用硬件开发测试系统其源代码可重用性强，开发及升级费用低，系统可靠性好且扩展性强。在“软件即仪器"的概念下，一台仪器不再是传统意义上的仪器，而是通过计算机软件来实现测控功能的仪器。随着社会生活水平的提高和消费者需求的多样化，汽车的性能和配置不断地 提高，增加了汽车测试的复杂程度。现代汽车测试系统应该支持多种信号的测量与分析。虚拟仪器技术的出现为汽车测试提供了高效、便捷的解决方案。近年来虚拟仪器技术在汽车测试中崭露头角，大量替代传统的汽车测试仪器，并实现了新的功能。比如汽车性能测试、车载数据采集、CAN总线控制信号采集、发动机ECU测试系统、噪声和振动测试，甚至燃料电池汽车的测试也开始应用虚拟仪器技术n盯。目前，已经实现了用VC++面向对象技术开发虚拟仪表类来实现快速开发汽车电子动态仿真系统，并在此基础上开发了汽车ABSAnti．10ckBreaking 第一章绪论5构开发的汽车检测仪；用LabVIEW实现的可测量起动性能、点火系统性能、空载动力性能、配气相位、振动异响等的发动机虚拟测试仪；可对汽车的制动性和操纵稳定性等技术指标进行测试并打印输出相应曲线的测试系统等等[19-：'11。伟世通汽车电子有限公司曾使用NI产品开发了一系列包括用于气候控制、扩音器和CD音响等的测试系统，他们发现，采用NI的开发平台，成本低、用途广，还具有良好的系统集成能力和强大的技术支持。此外，为了减少开发时间和昂贵的样机数量，本田公司也曾采用NI的数据采集卡和LabVIEW软件成功开发了在道路测试中 能精确反映所受压力的道路仿真系统RS和虚拟道路仿真系统VRS，开发成本只有预期的十分之一。由此可见，虚拟仪器技术在汽车测试领域有着广泛的发展空间和良好的应用前景。1．4研究的主要内容及主要成果1．4．1研究的主要内容①确定汽车智能仪表虚拟测试系统的主要功能；D研究汽车智能仪表虚拟测试系统的工作原理和总体框架；．．D硬件系统开发；D软件系统开发： D对汽车智能仪表虚拟测试系统进行试验，验证该系统的准确性与可靠性。，1．4．2研究的主要成果采用NI虚拟测试系统。该测试系统具有美观、便捷的人机交互主界面，方便、快捷的操作界面，直观的数据显示界面，便于用户操作。采用“状态机"模式，各测试模块能独立运行，互不干扰。该系统可移植性好，升级方便。6第二章虚拟仪器技术第二章虚拟仪器技术2．1虚拟仪器概述 2．1．1虚拟仪器的概念虚拟仪器Virtual上，通过友好的图形界面来操作计算机，根据需求定义和设计仪器的测试功能，将计算机与功能化硬件结合起来，从而实现对被测对象的采集、分析、判断、显示、存储等功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，方便地改变、增减仪器的功能。虚拟仪器真正得以实现是在PCI、GPIB、VXI、PXI等总线标准出现之后，并 且随着卡式仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器等的推出而得到迅速发展。虚拟仪器技术是仪器技术、通信技术、总线技术、数字化技术、计算机技术等有机结合的产物[2210虚拟仪器从本质上说是一个开放式结构，用通用计算机、DSP信号处理器或其他CPU提供系统管理、信号处理、存储以及显示功能；用数据采集板、GPIB或VXI总线接口板提供信号获取和控制信号输出，从而实现传统仪器功能。2．1．2虚拟仪器的发展和分类从1986年以专用集成电路ASIC和计算机技术为基础的总线仪器――虚拟仪器的雏形问世到1993年，虚拟仪器已经发展到300多家厂商，一千多种产品。 1995年厂商更达到一千余家，产品达数千种。虚拟仪器的发展有两种方式：一是GPIB―VXI．PXI总线方式，适合大型高精度集成系统；一是PC插卡．并口一串口．USB方式，适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景。按照采用总线方式的不同，可将虚拟仪器分为以下类型[Z3l●PC总线一插卡式虚拟仪器这种方式采用插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabvIEW相结合。它充分利用了计算机总线、机箱、电源及软件的便利，但是有受PC机机箱和总线限制，电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高等缺点。 ●并行口式虚拟仪器第二章虚拟仪器技术7这种方式把仪器硬件集成在一个采集盒内，通过并行口连接到计算机上，仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能。比如美国LINK公司的DSO．2XXX系列虚拟仪器，它们既可以与便携式计算机连接，方便野外作业，又可以与台式PC机相连。由于其价格低廉，用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。●串行口式虚拟仪器这种方式把仪器硬件集成在一个采集盒内，通过串行口连接到计算机上。 ●USB口式虚拟仪器USB口式虚拟仪器是把硬件集成在一个采集盒内，通过USB接口连接到计算机上。●GPIB总线方式虚拟仪器GPIB的出现使电子测量从独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，而成。GPIB测量系统的结构和命令简单，适用于精确度要求高但不要求计算机高速传输的情况。??VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的 电源，强有力的冷却能力和严格的RFI／EMI屏蔽。由于标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用等优点，VXI系统越来越多地用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。??PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是在PCI总线内核技术的基础上增加了成熟的技术规范和要求形成的适用于相邻模块的高速通讯的总线方式。PXI具有高度可扩展性。2．1．3虚拟仪器的特点虚拟仪器技术是当前测试与控制技术领域的研究热点，其“软件即仪器"的特点使仪器设计变得简单、灵活。虚拟仪器的主要特点是： ●可移植性高“软件即仪器"的概念使得虚拟仪器的功能不再完全由硬件决定，用户可以根据自己的需要通过软件编程更改或重新定义仪器的功能，而不需要更换硬件。●扩展性强由于虚拟仪器技术的核心是软件，其硬件结构具有统一的标准，从而可以很方便地加入通用仪器模块或更换仪器模块，而不必重新购买新系统，有利于测试系统扩展。8第二章虚拟仪器技术●开发周期短 随着仪器性能的不断完善，新方法、新技术更新很快，而虚拟仪器由于软件的强大功能可以很快地完成新功能、新系统的设计，及时跟上新事物的发展，大大缩短开发周期。虚拟仪器与传统仪器的比较如表2．1所示[241：表2．1虚拟仪器与传统仪器的对比Table2．1ContrastofVirtualTraditionalInstrumentandInstrument虚拟仪器传统仪器开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭、仪器间相互配合较差 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载关键是硬件，升级成本较高，且升级必升级程序即可须上门服务价格低廉，仪器间的资源可重复利用价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一．只能连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护费开销高技术更新周期短1--2年技术更新周期长5―10年 2．2虚拟仪器的结构虚拟仪器的组成与传统仪器一样，同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大模块如图2．1所示。插入式数据采集板数字信号处理网络通信GPIB仪器数字滤波硬盘拷贝输出VXI／PXI仪器统计分析文件I／O串El／并D／USB仪器数值分析图形用户接口图2．1虚拟仪器的功能模块2．1FunctionmoduleofVirtual FigInstrument第二章虚拟仪器技术9对于传统仪器，三个部分几乎都由硬件完成，而对于虚拟仪器，后两部分几乎都可以由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计周期缩短，设计工作量减少。从构成上讲，虚拟仪器已经完全脱离了原有的单个仪器的概念，它并不是在计算机上实现某一台仪器的功能，而是几种仪器的综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。2．2．1虚拟仪器硬件系统组成 虚拟仪器的硬件结构如图2．2所示|251。它主要以计算机为核心，在其基础上扩展了不同类型的硬件设备，构成不同类型的虚拟仪器系统。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集系统、GPIB仪器控制系统、VXI／PXI仪器系统、串行接口仪器系统以及它们之间的任意组合。??信号调理数据采集卡，-lHl????◆IGPIB接口仪器|+◆IGPIB接口卡卜串行接口仪器／PLC测PC柄-／工控VXI／PXI仪器■―◆ 作站+测对象试软件现场总线Fieldbus，CANbus设备图像采集、DSP其它硬件模块图2．2虚拟仪器系统的构成StructureofVirtualInstrumentFi92．2System由图2．2可以看出，支持虚拟仪器的硬件是多种多样的，这极大地丰富了虚拟 仪器的功能。但是无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式电脑或者工作站上，再加上相应的应用软件而成，所以，虚拟仪器技术是伴随着计算机技术的发展而发展的。10第二章虚拟仪器技术2．2．2虚拟仪器软件开发环境虚拟仪器“软件即仪器"的特点说明软件是虚拟仪器不可缺少的部分，虚拟仪器应用程序来实现虚拟仪器面板功能并定义测试功能。虚拟仪器软件由应用程序和I／O接口仪器驱动程序构成，其中I／O接口驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。 开发一个虚拟仪器时，在基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，虚拟仪器系统的软件结构如图2．3所示。图2．3虚拟仪器软件结构SoftwareStructureofVirtualInstrumentFi92．3虚拟仪器的应用软件主要包括集成开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。应用软件开发环境的选择，可因开发者的喜好而有所不同，但最终都必须提供给用户一个友好的人机界面。目前比较流行的软件开发工具平台有‘剃： ●可视化编程工具VisualC++是一种功能齐全的面向对象的开发工具，可直接对硬件操作，支持多任务多线程。VisualC++不仅是C++语言的集成开发环境，而且与Win32紧密相连，所以，利用VisualC++开发系统可以完成各种各样应用程序的开发，从底层软件到上层直接面向用户的软件都可以用VisualC++来完成开发。●LabWindows／CVILabWindow北vI是基于ANSIC的交互式C语言集成开发平台。其特点是：基于ANSIC，不用学习C++即可实现Windows9 【／NT下的编程：可同标准C／C++兼容，实现32位用户库、目标模块、DLL的相互调用；可直接生成32位DLL，生成的DLL也可被LabVIEW直接调用；编程、调试轻松；数值分析、数字信号处理函数库丰富。●I．abVIEW第二章虚拟仪器技术NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW作为图形化编程语言，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能，并用线条将各种功能连接起来的简单编程方式。除了具备其他语言提供的常规函数功能外，LabVIEW 还集成了各种开关、旋钮、表头、刻度条等组成一个仪器所需的主要部件，使开发者可以方便快捷且直观地进行图形化编程。2．3虚拟测试技术概念辨析近年来，“虚拟Virtual’’一词受到了越来越多的关注，在测试领域也出现了“虚拟测试”这一概念。在国内绝大部分文献资料上所说的“虚拟测试技术"是指利用虚拟仪器技术来进行测试工作，而国外文献中则直接称为“虚拟仪器"。虚拟仪器是具有虚拟仪器面板的个人计算机测量仪器，它将计算机资源与仪器硬件、数字信号处理技术相结合，在系统内共享软硬件资源，既有普通仪器的功能， 又有一般仪器所没有的特殊功能‘2"。然而国内有一部分文献资料上所说的“虚拟测试技术"则是指借助虚拟现实Real技术来进行工程测试。虚拟现实Virtuality，VR是指综合利用计算机图形系统和各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成的可交互的三维环境中提Human―MachineInterface三个基本要素。另外，国外文献上所说的“虚拟测试’’则一般是指通过软件仿真的方法来对一 电子元器件尤其是集成电路IC芯片在早期开发阶段进行测试‘艄¨。本文所研究的虚拟测试系统是基于虚拟仪器技术的虚拟测试系统。12第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理3．1系统测试参数的选择3．1．1汽车智能仪表的各参数说明‘一1为了更好地对汽车智能仪表进行测量，必须了解汽车智能仪表的主要显示参数。●车速表车速表是重要的汽车仪表功能，为了保证行车安全，特别是在限速路段和限 速车道上行驶时，驾驶员必须按照车速表的指示值，根据车辆、行人和道路状况，准确地控制车速。为此，车速表一定要准确可靠。如果车速表指示误差太大，驾驶员就难以正确控制车速，极易因判断失误而造成交通事故。车速里程表传感器安装在仪表内，汽车行驶时它产生正比于汽车行驶速度的信号。汽车以不同的车速行驶时，信号处理电路将车速传感器输入的脉冲信号，转变为与车速成比例的电流信号，使电流表的指针偏转，指示出相应的车速。●转速表．发动机的转速表可以直观地指示发动机的转速，是发动机工况信息重要的指 示装置。驾驶员通过转速表，可以选择发动机最佳的速度范围，把握好车速换档时机，以充分利用经济车速。发动机的转速表有机械式和电子式两种。电子式发动机转速表又分汽油机用和柴油机用两种类型。前者的转速信号来自于点火系统的脉冲电压，后者的转速信号来自于曲轴传感器。发动机转速表实际上是一个毫安表。在发动机工作时，转速表中通过一系列的脉冲方波电流，电流的平均值与发动机转速成正比，因此电流直接驱动毫安表头指针偏转，指示出发动机相应的转速。??机油压力表 机油压力表用来显示发动机工作时发动机润滑系统主油道中机油压力的大小。机油压力表由油压指示表和油压传感器组成。机油压力指示表安装在仪表板上，机油压力传感器安装在发动机主油道或机油粗滤器上，两者通过导线相连。??冷却液温度表冷却液温度表的功用是指示发动机冷却液温度高低，防止发动机过热而损坏。它由安装在仪表板上的水温指示表、安装在发动机汽缸盖上的水温传感器以及与燃油表共用的电源稳压器等组成。冷却液温度表通常应指示在C冷和U热之间。它的传感器一般是一个可变电阻如热敏电阻，可变电阻改变流经温度表 第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理13线圈的电流的大小。当冷却液温度较低时，发送器的电阻较大而电流较小，指针指向C，随着冷却液温度的升高，发送器的电阻减小而电流增大，指针指向H。●燃油表燃油表用来指示油箱中燃油的存有量，它由燃油指示表、油面高度传感器以及电源稳压器等组成。常用的燃油指示表有电阻式、电磁式、电子集成式等。燃油表的传感器组合在燃油泵总成中，是一个油箱内浮子控制的可变电阻。浮在油 面上的浮子，随油面高度的变化而改变自身位置，同时，带动可变电阻的滑动臂连同触点在电阻器上滑动，从而改变串联在燃油表电路中的电阻值。当燃油箱内的油位较低时，电阻较低，燃油表指针的移动量或者条格的数量较少；当燃油箱内的油位较高时，电阻较高，燃油表指针的移动量从零位置或条格数量增多。●充电表充电表使驾驶员能够监视充电系统，目前大多数充电系统都采用电流表或指示灯。电流表与蓄电池和发动机串联，当发电机向蓄电池充电时，仪表指示正值+，当蓄电池不能从发电机接受足够的电时，充电表则显示负值一。??油耗表和维修间隔表 油耗表以每加仑燃油行驶英里数mpg或每百公里耗油升数告知驾驶员当前的油耗，它让驾驶员了解当前工况对燃油消耗的影响。维修间隔表能够显示汽车进行维护之前剩余的里程。计算机不只是根据行驶里程确定到下一次维修的剩余里程，还会根据其他因素对维修间隔进行修正。驾驶员的驾驶风格和汽车的行驶状况都可能影响维修间隔里程。●警告灯警告灯的形式与车型及所装的发动机有关，但符号都一样。警告灯包括转向指示灯、发电机输出电压指示灯、机油压力指示灯、前照灯指示灯。D转向指示灯。转向指示灯工作时，跳动频率为90"--'100次／分。 参发电机输出电压指示灯。点火开关接通后，该灯即发亮。发动机启动后，该灯熄灭。汽车行驶时，发电机输出电压为13．5"--'14．5V。③机油压力指示灯。点火开关接通后，该灯发亮。发动机启动后，该灯熄灭。汽车行驶时，机油压力低于工作压力或压力不正常时，该灯发亮或以一定频率闪光。D前照灯远光指示灯。使用前照灯远光时，该指示灯发亮。启动发动机时，前照灯会自动切断。●里程表 里程表显示车辆行驶的公里数，向驾驶员提供本次里程和总里程。里程表是一种数字式仪表。机械式里程表由转轴上的车速表磁铁螺旋齿轮驱动。里程表的14第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理各个数字鼓轮之间通过齿轮啮合，当其中一个鼓轮旋转一圈后，该鼓轮左侧的鼓轮就会转动1／10圈。电子里程表从车速传感器接收信息，里程表将显示7位数字，最后一位表示单位里程英里或公里的1／10。数字显示里程表的累计里程数值存储在长存式存储器中，这种存储器即使在蓄电池断开后仍然能够保存里程值。由于里程表记录了一辆汽车所行驶的里程数，所以法律规定，更换后的车速表中 的里程表记录的里程必须与被更换车速表所记录的里程数一致。因此，如果更换了车速表，就应该将新车速表中的里程表设置到原里程表的数值。单次里程表可以根据需要随时复零。3．1．2系统测试参数的选择为了满足人们对汽车安全性、舒适性等越来越高的要求，作为人机交互窗口的汽车仪表具有了越来越多的功能，其显示的参数包括车速、发动机转速、里程计数、水温、油耗、制动系统警告、座椅安全带警告等等。在这些参数中，与汽车行驶密切相关的参数是关于发动机工作状况、油量以 及车速的。在行驶过程中，特别是在限速路段和限速车道上行驶时，驾驶员必须按照车速表的指示值，根据车辆、行人和道路状况，准确地控制车速，因此，车速表、转速表一定要准确可靠。为了保证发动机的正常工作，冷却液温度表是不可缺少的仪表。发动机在工作中，各机件由于相对运动要产生摩擦，机件的表面将会发生磨损及温度升高，并耗费发动机的动力，最终导致发动机无法工作，因此在发动机运转过程中，要不断进行润滑以使金属表面不相互接触并带走热量以及微小的金属颗粒，延长发动机的工作寿命，提高发动机的有效功率。为了保证机油泵有正常的压力压送机油，就必须对机油压力进行测量。燃油表指示油箱中 燃油的油位，提醒驾驶员及时给汽车补充燃油。因此，在本文中选择车速表、转速表、冷却液温度表、机油压力、燃油表为主要研究对象，开发汽车智能仪表的虚拟测试系统。3．2虚拟测试系统总体方案本文采用NI公司的数据采集卡，主要针对智能仪表上车速、转速、冷却液温度、机油压力、燃油五个参数进行采集，并运用虚拟仪器技术构建虚拟测试系统，在该系统中实现采集信号与标准值的比较，以LabVIEW为软件开发平台，用G语言实现测试系统的人机交互，对信号进行实时监控，分析和处理。数据采集部分 着重进行软件开发，包括：滤波、数据存储、数据读取、波形显示等等。最后，由比较值判断该仪表是否合格并显示结论。第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理153．3智能仪表虚拟测试系统测试原理3．3．1车速表测试原理图3．1为汽车车速表测量原理图：n2÷io×i-n2--iIn2图3．1车速表测量原理图MeasurementofFig．3．1PrincipleDiagramSpeedometer 由图3．1所示的原理，汽车车速可由以下公式计算：n2r．rx生：―6．28x―3600×兰坐≈0．3773．1V'-2万×，．×％：2万x1fofg1000x60f0‘乇名其中，’，――汽车行驶速度km／h‘，――车轮滚动半径Cm毛――主减速器传动比‘――变速器传动比啊――驱动轮转速r／min ％――发动机转速r／min由3．1式可见，汽车的车速是通过汽车驱动轮的转速换算出来的。汽车车速里程表传感器安装在仪表内由变速器经软轴驱动，汽车行驶时它产生正比于汽车行驶速度的信号。并且，汽车实际行驶速度与车轮半径成正比关系，因此，即使车速表技术正常，车速表的指示值也会因车轮滚动半径的变化，与实际车速形成误差。3．3．2转速表测试原理发动机转速表是用来测量汽车发动机转速的。由于发动机输出力矩与转速有密 16第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理切的关系，知道了转速就能确定任何一档的最佳性能范围，在合理的匹配条件下进行换档，保证汽车处于最佳经济性能和行驶性能。同时还可以用来检查调整发动机和发电机调节器，在行车时监视发动机的运行工况。??柴油发动机转速表测试原理柴油发动机一般是通过喷油泵和喷油器将柴油直接喷入发动机的燃烧室内，与已被吸入气缸中经过高压后达到高温的空气混合，引起自燃爆发而做功，所以柴油发动机转速表的脉冲信号不是通过点火系统获得的，而是通过装在发动机壳 体上的传感器与正时齿轮运转中相对磁路间隙的脉动变化，或光电信号的脉动变化而获得的。柴油发动机转速表的工作原理是利用发动机转动的角位移，转化为变磁阻式传感器线圈电感的周期性变化，从而输出脉动信号，经整形放大后驱动磁电式测量机构指示出相应的转速。传感器线圈的电感可通过下式得到：三：丝：―W2／比―oS83．26R5其中，三――传感器线圈的电感H形――线圈匝数‰――空气的导磁率，为4万×10。7H／m 砖――气隙截面积m2可见，线圈匝数确定后，只要气隙长度或气隙截面积发生变化，线圈电感量就要相应变化。电感的变化将产生感应电动势和感应电流，并将随气隙的周期变化而变化。因此在原直流电路上就叠加了一个脉动的交变电流信号，电子转速表磁电式测量机构指针的偏转角度就正比于交变电流信号的这种频率。测试时，将信号从传感器的两端接出，用数据采集卡将脉冲信号采集到测试系统。脉冲信号的频率与正时齿轮的关系如下：I．'．矗J 。f：―nx―Z3．3一60其中，厂――脉冲信号的频率Hz拧――正时齿轮的转速r／min卜正时齿轮齿数??汽油发动机转速表测试原理汽油发动机是通过点火线圈和断电器的作用，使低压电流转变为高压电流，通过分电器和火花塞使汽油和空气的混合气在电火花作用下引燃爆发而做功的。所以，发动机转速表的脉冲信号一般是利用点火系统而获得的。发动机正常工作 时，断电器触点不断地开闭，其开闭的次数与发动机的转速成正比四冲程四缸发动机曲轴转一圈即开闭2次，六缸发动机曲轴转一圈即开闭3次。第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理17断电器的转换周期为：丁：旦3．4Z×甩其中，z_发动机的气缸数疗――发动机的转速r／min由上式得：刀――×，刀：堕× 厂～．??D，3．5。Z其中，厂――断电器的转换频率Hz3．3．3燃油表测试原理燃油的贮藏量是通过测量燃油所占有的油箱容积间接反映出来的。刻度盘上的分度值所表示的是油箱容积的0、1／4、1／2、14／4，并且所测得的油面高度只有当汽车在平地上行驶或无加速度冲击的条件下才是准确的。由于燃油表是和浮筒配套使用的，因此可变电阻值应符合浮筒在相应位置时 的标准电阻值。虚拟测试系统测试时，只需要测试浮筒相应位置的可变电阻值。测试时，在可变电阻Rx两端外接一个5V的电压和电阻&，电路图如图3．2所示，可测出R，两端的电压U。图3．2外接电阻电路图燃油表测试ofExternalCircuitResistanceFuelGaugeTestFig．3．2Diagram在此电路中有：U：旦3．6如q-Ro 则可变电阻R。的阻值为：18第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理耻啬3．7从而将对浮筒输出电阻R。的测量转换成对R，两端电压的测量。浮筒在相应位置的标准电阻值可由浮筒放射图求得。浮筒放射图如图3．3所示：图3．3浮筒放射图RadiateofPontoonFig．3．3Diagram所谓放射图，就是浮简装在油箱中浮杆及浮子在各个油面位置时的几何图形。 在放射图上可以看出各个油面高度所对应的浮杆的转角，这个转角就等于滑动接触片的转角。若知道滑动接触片的转动半径r，则可知道触头的移动距离，再乘以电阻板单位长度的输出阻值，就可以得到浮筒的输出电阻。’在浮筒放射图中，有如下关系：庇：―H-H―o+H,3．84其中，HD_零位时的汽油储备量，一般取风20--．，25mmH，――浮子碰到油箱上壁不再上升时的高度一般等于浮子半径卜油箱内腔的总深度 若知道浮杆长度I，就可求得各油面高度时浮杆的放射角口o、口。、口2、口3、吼，由几何关系得：第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理19％…s孚3．93．10％arCc。s丁3／11铲…s孕3．11％arcc。s争3．12 吼90。3．13所对应的电阻板长度为：3．140---1／4：BD：2，．×sin―Ofl--―Of0×cos丝二竺1223．15o～1／2：BDt2r×siIl学×cos学3．16o～3／4：BD2-2，础学…s竽 0"-'4／4：BA：2，．×siIl丝二鱼3．172对于线性可变电阻式浮筒，有：①平板电阻板23．18RzKl×x其中，尺J――输出电阻K――滑动接触片触头单位直线位移的输出电阻x――滑动接触片触头即电刷的直线位移②圆弧形电阻板 R工2K2×口K3×厂×口3．19其中，尺z――输出电阻K，――滑动接触片触头的单位角位移的输出电阻K，――滑动接触片触头单位直线位移的输出电阻口――滑动接触片触头的角位移20第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理，．――滑动接触片触头至转动中心的半径由式3．18或3．19就可算出浮筒在相应位置时的标准电阻值Rx／o将测得的Rx与相应位置的标准电阻值R，7比较，则可判断燃油表是否合格。3．3．4冷却液温度表测试原理 冷却液温度传感器是用来检测发动机冷却液温度的，通常采用热敏电阻RT检测水温。传感器安装在发动机冷却液通路上，冷却液温度的变化将引起电阻值的变化。热敏电阻是一种用半导体材料制成的敏感元件，与金属热电阻相比，它具有灵敏度高、体积小、使用方便等特点。热敏电阻阻值随温度变化呈非线性关系，按其阻值随温度变化的特性可将其分为3类：负温度系数NTC热敏电阻，其阻值随温度上升呈指数减小；正温度系数P，IIC热敏电阻，其阻值随温度上升显著地非线性增长；临界温度电阻式CTR热敏电阻，具有正或负温度系数特性，它 存在一个临界温度，超过临界温度，阻值将急剧变化。NTC热敏电阻的电阻―温度特性的一般数学表达式为：r11]R7’R7’o×exp|峨÷一÷I3．20』1L0J式中，J5cr”Rr――绝对温度为T。、T时热敏电阻的阻值；B。―NTC热敏电阻的材料常数。3．20式是一个经验公式，由测试结果表明，无论是由氧化物材料还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻，在不太宽的测量范围内450"C ，均可用此式嘲1。PTC热敏电阻的电阻一温度特性一般数学表达式为：R7'Rroxexp[Be×丁-ToJ3．21式中，灭r、Rr。――分别为绝对温度为T、T。时的电阻值；曰。――正温度系数热敏电阻的材料常数。正温度系数热敏电阻的电阻值随温度的升高而升高，具有正的温度系数。在汽车冷却液温度表中，常用负温度系数NTC热敏电阻或正温度系数PTC热敏电阻来检测温度。在汽车冷却液温度表的实际电路中，电子控制ECU中的电阻R1是与冷却液温度传感器的热敏电阻R，相串联的，如图3．4所示，当热敏电阻R，的电阻值变化时， THW处所得的分压值也将随之改变。第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理2l水温传感器图3．4冷却液温度传感器连接方式AttendedModeofCoolantSensorFig．3．4Temperature图3．4的等效测量电路如图3．5所示：E2图3．5等效电路图冷却液温度表测试CircuitTest Fig．3．5EquivalentDiagramCoolantTemperatureGauge则通过公式：驴等3．22可换算出对应的RT电阻值。RT值对应相应的温度。将测得的电阻值RT与对应车型不同温度下相应的阻值进行比较，则可判断冷却液温度表是否合格。3．3．5机油压力表测试原理机油压力传感器安装在发动机主油道或者机油粗滤器上，其作用是将油压的高低变为电量输送至机油压力表。电热式机油压力表中的双金属片得到电阻丝扩 22第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理散的不同热量，产生相应的挠曲推动指针指示出相应的润滑油压力。目前，一般车型的仪表板上没有机油压力表，采用油压指示系统监视润滑系统的机油压力。当油压过低或过高时，通过油压报警灯和蜂鸣器报警哺1。在某些车型中，有两个机油压力开关，一个是低压开关，另一个是高压开关。低压开关常闭，高压开关常开。当打开点火开关而未启动发动机时，由于低压开关常闭，此时，机油压力报警灯亮。当发动机启动后，建立起一定的油压，把常闭开关打开，报警灯熄灭。 随着发动机转速的提高，机油压力也相应提高，当发动机转速达到一定值，机油压力未达到应该达到的值时，无法关闭高压开关，于是报警灯闪亮并且蜂鸣器叫。在汽车中，用膜片式压力传感器来测量机油压力时，膜片式压力传感器的工作原理是，当气体或液体压力作用在弹性元件膜片的承压面上时，膜片变形，使粘贴在膜片另一面的电阻应变片随之形变，并改变阻值。这时测量电路中的电桥失去平衡，产生输出电压。膜片表面应变分布图如图3．6所示。图3．6膜片表面应变分布图DistributionaboutStrainonSurfaceFig．3．6Diaphragm 圆枚内任蒽一点径同厘燹和切同应焚的厘变值计算公式如卜：一‖‘，‘一33．23占，K妇3__pp。f!．0一‖2，．2―3X2占，2子力。Eg．一“。lI3．24l●，、q8h3-舞Pe1一‖2r2_x2E式中‘、q――径向和切向应变；r、h――膜片的半径和厚度；E一杨氏模量：第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理23 ‖――膜片材料的泊松系数；工――距圆心的径向距离。为了提高灵敏度并进行温度补偿，应把应变片Rl、R4和R2、R3接在全桥中的相对臂上，构成全桥差动电路。如图3．7所示：BE图3．7全桥差动电桥DifferentialFig．3．7Full―bridgeBridge若ARIAR2AR3AR4AR，且RIR2R3R4R，则 砜：ER”R1+ARl+R2一AR2R3一AR3+R4+aR4式中，E_杨氏模量；K_q属应变计的灵敏系数；占――应变。由此可见，将全桥差动电路的B、D端接入数据采集卡，采得电压Uo，联立公式3．23、3．24、3．25，即可换算出机油压力P。令A8h2E，B卜lI2r2-3x2，C卜u2r2一x2，则换算出的机油压力为。p2丽A2s．23．26 输入预设的机油压力报警门限，若测得的机油压力p超出门限范围，则报警灯亮且蜂鸣器响。24第四章虚拟测试系统的硬件开发第四章虚拟测试系统的硬件开发4．1虚拟测试系统的组成汽车智能仪表虚拟测试系统硬件部分由前端输入设备和数据采集卡组成。测试时，将前端输入信号经数据采集卡采集到虚拟测试系统，再由虚拟测试系统的软件部分对测得的信号进行处理分析。虚拟测试系统的整体组成如图4．1所示：车速卜-一 毒速卜测试数系统据软冷却液温度，卜――一采件开集发机油压力‘7卜――_ 油耗卜一图4．1虚拟测试系统组成框图ofVirtualFig．4．1DiagramMeasurementCompositionSystem4．2虚拟测试系统数据采集系统的硬件选型4．2．1…虚拟仪器数据采集系统的基本组成简介一个完整的数据采集系统通常由原始信号、信号调理设备、数据采集设备和计算机四个部分组成。通常，自然界的原始信号不能直接测量，于是我们会通过传感器将这些物理信号转换为数据采集设备可以识别的电压或者电流信号。为了 使数据采集设备更便于对信号进行精确的测量，还需要用信号调理设备对信号进行诸如放大、滤波、隔离等处理。数据采集设备的作用就是将模拟的电信号转换为数字信号传给计算机进行处理，或者将计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出。对于数据采集应用来说，主要包括数据采集硬件、驱动和应用软件三个部分。在本文中，采用NI公司提供的设备。下面，首先对NI虚拟仪器数据采集系统的基本组成作简要介绍。第四章虚拟测试系统的硬件开发 ??NI提供的数据采集硬件平台及CompactRIO平台。PXI提供了一个基于PC的模块化平台。位于最左边的槽可以插入PXI控制器，使得PXI系统具备同Pc机一样强大的处理能力，并且该控制器还可同时支持Windows操作系统和RT实时操作系统。剩下的槽位可插入多块PXI数据采集板卡，满足多通道、多测量类型应用的需求，所以PXI是大中型复杂数据采集应用的理想之选。并且，PXI总线在PCI总线的基础上增加了触发和定时功能，可适用于多通道或者多机箱同步的数据采集应用。同时，PXI系统具有宽泛的工作温度范围和 良好的抗震能力，适用于环境较为恶劣的工业级应用。CompactDAQ即“紧凑数据采集系统’’，提供即插即用的USB连接，可以非常方CompactDAQ数据采集模块。其特点是体积小巧，低功耗，便于携带，并且成本较低。理器和丰富的可重配置的FPGA资源，可以脱离PC机独立运行，也可通过以太网接口与上位机进行通信，适用于高性能的、独立的嵌入式或分布式应用。此外，受高达509的冲击力，同时具备了体积小巧、低功耗和便于携带的优点，因此被广泛应用在了车载数据采集、建筑状态监测、PID控制等领域。 除了这三大平台，NI还提供基于其它标准总线接口的数据采集模块，如PCI数据采集卡、USB数据采集模块、基于Wi-Fi的无线传输数据采集模块等。??数据采集系统的软件架构NI的数据采集硬件设备对应的驱动软件是DAQmx，它提供了一系列API函数供编写数据采集程序时调用。并且，DAOmx不仅提供支持NI的应用软件LabVlEW，序与其它应用程序整合到一起。另外，NI还提供了一款配置管理软件MeasurementandAutomationExplorer，以方便用户与硬件进行交互。位于最上层的是应用软图标的放置和连线的方式开发数据采集程序。同时，LabVIEW提供了大量的函数， 可以帮助用户对采集到的数据进行后续的分析处理，它还提供大量的控件，可以帮助用户设计出专业美观的用户界面。NI数据采集软件架构如图4．2所示。第四章虚拟测试系统的硬件开发数据采集硬件图4．2数据采集软件架构SoftwareArchitectureofDataFig．4．2Acquisition4．2．2硬件选型在进行硬件选型时，需要重点考虑以下几点：●通道数目能否满足应用需要 ??待测信号的幅度是否在数据采集板卡的信号幅度范围以内??采样率和分辨率能否满足要求采样率决定了数据采集设备的ADC每秒钟进行模数转换的次数。采样率越高，给定时间内采集到的数据越多，就能越好地反映原始信号。根据奈奎斯特采样定理，要在频域还原信号，采样率至少是信号最高频率的2倍；而要在时域还原信号，采样率至少应该是信号最高频率的5～10倍。分辨率对应的是ADC用来表示模拟信号的位数。分辨率越高，整个信号范围被分割成的区间数目越多，能检测到的信号变化就越小。??此外，还需根据实际应用的情况考虑动态范围、稳定时间、噪声、通道间 转换速率等。在第三章中，已经确定了本文研究的主要参数，即车速、转速、冷却液温度、燃油、机油压力。对于汽车仪表的车速表和发动机转速表，需要采集的是脉冲信号，不同的车型由于传感器不同，所输出的脉冲信号高电平从3V～12V不等；而燃油表、冷却液温度表和机油压力需要采集的是模拟信号。由以上分析可知，智能仪表虚拟测试系统至少需要两个采集脉冲信号的通道，以及三个采集模拟信号的通道。由第三章的测试原理可知，本测试系统需用两个计数器通道来采集脉冲 信号的频率，三个AI通道来采集模拟信号，若采用差分连接方式，则需要六个AI通道。再考虑到成本问题，本文数据采集系统硬件设备选用NIPCI-6014数据采集卡。第四章虚拟测试系统的硬件开发274．3NIPCI-6014数据采集卡NI序进行寄存器级的编程；可以与NISCC信号调理模块一起使用；可以连续高速地进行数据记录，记录速度达200KS／s；可利用外部时钟或触发进行采集。NIPCI-6014数据采集卡有IOOGQ的输入阻抗，保证干扰电流不会影响输入的信号， uV范从而大大提高数据精确度。PCI-6014数据采集卡还能探测到模拟输入信号4围内的变化，从而为用户提供高质量的测量精度。并且，为了更大程度地减少数字化误差，该数据采集卡还加入了防止温度漂移的电路，以减少由于元部件升温而引起的误差，并且该数据采集卡可最大程度地消除噪声。PCI一6014数据采集卡既能接5VPCI一6014数据式连接，则为8路16位精度模拟输入，2路16位模拟输出。NI采集卡见图4．3。 NI图4．3PCI-6014数据采集卡NIPCI一6014DataCardFig．4．3AcquisitionNIPCI-6014数据采集卡的部分技术指标为：D模拟输入特性模拟输入通道：16路单端参考接线模式或8路差分接线模式可用软件选择每个通道分辨率…………………………………………………………………………16bit采样率………………………………………………………………………… 200kS／s28第四章虚拟测试系统的硬件开发输入电压范围：设备增益范围O．5±lOV1±5V10±500mV100±50mV放大器特性：输入偏置电流………………………………………………±200pA输入补偿电流………………………………………………±lOOpA增益10，100……………………96db D模拟输出特性模拟输出通道：2路电压输出分辨率…………………………………………………………………………16bit最大更新速率DMR……………………………………………………………lOkHz000………??lkHz中l折…“…………………………………………”0电压输出：电压输出范围：±lOV；双输出，直流。驱动电流……………………………………………………………………最大±5mAD数字输入输出 数字通道数：8路输入／输出可与TTL／CMOS兼容数字逻辑电平：LevelMin输入低电压OV0．8V输入高电压2V5V输入低电流V。。0V一320IlA输入高电流Vt。5V10IlA输出低电压IoL24mA0．4V输出高电压I乱lOmA4．35V最大转换率…………………………………………………………………50kwords／s D定时／计数器通道数量：2个计数器／定时器，一个频率脉冲计数器分辨率：计数器／定时器……………………………………………………24bits频率脉冲计数器…………………………………………………4bits可与TTL／CMOS兼容。第四章虚拟测试系统的硬件开发29可用时基：计数器／定时器………………………………………20MHz，lOOkHz脉冲频率计数器………………………………………IOMHz，lOOkHz时基精度……………………………………………………………………±0．019620删z 频率最大值Source……………………………………………………最小脉冲周期Source……………………………………lOns，边界扫描模式最小脉冲周期Gate……………………………………lOns，边界扫描模式⑤触发数字触发：可与TTL兼容，