基于LabVIEW的汽车空调控制面板性能测试系统设计

基于LABVIEW的汽车空调控制面板性能测试系统设计米熊迪武汉理工大学，武汉430070黄博东风汽车公司技术中心，武汉430058【摘要】针对汽车空调控制面板性能测试效率低下的现状，基于LABVIEW设计一种融合了电路设计、虚拟仪器技术、单片机技术、串口通讯技术和数据库技术的汽车空调控制面板性能测试系统。介绍了测试系统的总体结构、硬件组成、电路设计和软件设计，并针对某型空调面板样件进行了测试试验。【ABSTRACT】FORTHEINEFFICIENTTESTOFAUTOMOTIVEAIRCONDITIONERCONTROLPANELPERFORMANCE，AKINDOFAUTOMOTIVEAIRCONDITIONERCONTROLPANELPERFORMANCETESTSYSTEMBASEDONLABVIEWISDEVELOPEDTHESYSTEMMIXESTHETECHNOLOGIESOFCIRCUITDESIGN，VIRTUALINSTRUMENT，MCU，SERIALCOMMUNICATIONANDDATABASETHEWHOLESTRUCTURE，HARDWARECONFIGURATION，CIRCUITDESIGNANDSO,WAREDESIGNOFTHISTESTSYSTEMAREINTRODUCEDANDTESTED【关键词】测试系统汽车空调面板性能DOI103969JISSN1007455420140305本文利用LABVIEW软件开发了一套汽车空调控制面板性能测试系统，实现了现场模拟量、开关量的采集和步进电动机的控制，将采集的现场数据进行实时动态显示、分析、计算和存储，提高了汽车空调控制面板性能测试精度、效率和稳定性，降低了企业成本。1系统总体结构设计该系统系某汽车空调制造厂家定制，需要完成汽车空调面板上控制装置的精确定位，能够对面板上的按键力、旋钮扭矩、拨杆拉压力进行自动化测量，并实时反映其随各自行程的变化情况，分析计算出特征值点。系统总体结构如图1所示。在机械平台的基收稿日期20140LO7基金项目国家科技部“863”项目20LLAA11A260。上海汽车201403础上，传感器、编码器、光栅尺获得的信号经相应调理电路调理进入数据采集卡，采集卡通过PCI总线与工控机通讯，最后通过打印机、显示器和其他设备完成测试系统的实时显示、数据记录和分析。同时，工控机通过单片机完成对各个步进电机的控制。2系统硬件设计系统要完成对汽车空调面板控制装置的综合性能测试，需要对多路传感器信号进行采集，并对传感器信号进行适当调理，同时还需要驱动控制相应的步进电机完成整个测试。系统硬件在保证功能实现和测试精度的情况下，能够合理控制成本。19I按键力传感器卜打I接键位移传感器卜数据缸嘲印L大蟹棵招矩传感器卜放大采集卡段机滤波_PCI一I小撂穰栩钳佶威辨卜电路总线17L1I拔杆拉压力传感器卜L拔杆位移传感器卜L里1上胍U删口口I工显IJ1ITMH自口L数据控不采集卡机器PCI一L轴光栅尺_1784LZ轴光栅尺LL按键步进电机_电RS其L大量程旋扭步进电机机堕他232算驱一门设L小量程旋扭步进电机动机备I拔杆步进电机器图1测试系统硬件总体结构21采集卡选型选用研华PCI171L多功能数据采集卡采集传感器信号，PCI一1784四轴正交编码器和计数器卡采集光栅尺和编码器信号。PCI1784带有4个32位四元AB相位编码计数器。PCI1711有16路单端模拟量输入，12位AD转换器，采样速率可达100KHZ，每个输入通道的增益可编程，自动通道增益扫描，板载1K采样FIFO缓冲器，有2路L2位模拟量输出，16路数字量输入和16路数字量输出。22放大滤波电路设计力传感器和位移传感器的模拟量信号值仅为010MV，而且容易受到干扰产生噪声，需要经过放大电路放大和适当滤波后才能成为适于采集卡能识别的电信号。具体电路如图2所示，放大电路采用了两片TLO84结型场效应输入电压反馈型4运算放大器芯片。利用第1片TLD84的4个运算放大器组成高精度放大电路，外电路中添加可变电阻W1可调节放大增益，在14引脚增加电压调零电路，将此引脚的输入电压稳定在0V，同时电路中适当添加合适大小的电感、电阻、电容起到滤波作用。利用第2片TLO84的一个运算放大器滤波，利用另一个运算放大器组成电压跟随电路，最终将输出信号稳定放大到05V送人采集卡。设计的放大滤波电路具有高共模抑制比、高输入阻抗、低失调电压等特点。23切换电路设计PCI1784接3路光栅尺信号后仅剩一路可用，要实现对两个编码器信号的采集需设计切换电路。系统选用CD4066四双向模拟开关实现对编码器信号采集的切换。CD4066的每个封装内部有4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制3个端子，其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时开关截止。使用PCI1711的2路数字量输出通道分别输出高低电平至CIM066两个模拟开关控制端实现来简单可靠的编码器信号采集的切换。24隔离电路设计该测试设备在工厂实验室工作，环境中存在着许多干扰，在单片机和电机驱动器之间使用具有绝缘隔离功能的光电耦合隔离电路来维持数据的完整性并保护互连设备。隔离电路如图3所示。光电耦合器TLP521输入端接电阻R1降低输入电流，输出端同时使用三极管8050和二极管IN47进一步20图2放大滤波电路上海汽车201403一机械部分一起到反向阻断的作用，有效保护单片机。图3隔离电路3系统软件设计利用LABVIEW完成主要程序编写，包括数据采集、数据处理、数据显示、实时系统保护以及和单片机的通讯。系统控制程序结构如图4所示。图4系统控制程序结31软件整体架构测试过程划分为初始化、载人信息、正向测试、反向测试、分析数据、存储数据、错误处理和退出8个不同的状态，软件针对每种不同的状态进行编程。利用LABVIEW的WHILE循环作为主循环，嵌套事件结构后组成典型状态机结构，利用包含各种状态的枚举型严格自定义控件和移位寄存器实现测试状态的跳转，从而将各个控制装置性能测试的不同项目高效整合到这个统一的架构，来实现“摩尔状态机”所描述的算法。系统状态如图5所示。32数据采集系统中数字量信号、编码器信号相对较少，传感器模拟量信号数量较多。数字量信号和编码器信号的采集程序较简单，直接在主程序循环中添加函数打开采集卡、读取对应通道数据、关闭采集卡即可。模拟量信号采集程序在不同测试项目中多次调用，为使程序框图界面简洁，增强可读性和复用上海汽车201403图5系统状态图性，故使用子VI编写。采集子VI中，首先通过设备的驱动句柄找到数据采集卡，并利用MAICONFIGVI对设备进行具体的配置，例如模拟输入通道的输入电压范围、通道数、起始通道等；接着利用MAIVOHAGEINVI从指定的模拟输入通道读取该通道的电流值和电压值，再通过SPLITLDAIRAYVI将读取的电流值和电压值进行数组转化，将一维的数组转化成一个二维的数组，这样就可以根据通道号区分出各个通道的值。然后将指定的通道号的数据提取出来乘以传感器标定确定的传感器系数存人队列中。最后在主程序中通过获取采集子VI创建的队列引用，使用数据出队列和数组索引函数读取对应数值便得到用户所需要的数值。33与单片机通讯工控机与单片机的通信采用基于RS232C标准协议的串口通讯。系统采用AT89S52型单片机，利用C语言编写单片机串口通讯和电机控制程序。工控机端，利用LABVIEW中的NIVISA函数编写工控机和单片机串口通讯程序，向单片机发送控制命令。串口通讯程序框图如图6所示。首先使用VISACONFIGURESERIALPORTVI配置VISA资源名称、波特率、数据位、校验位、停止位，然后使用VISAWRITEVI将数据写入缓冲区，最后使用VISACLOSEVI关闭串口。34用户界面设计登录界面简洁大方，用户通过输入用户名和密码进入测试系统，通过选择对应的测试项目可以直接进行相应的测试。登录程序的设计采用了ACCESS数据库技术对登录人员的信息进行管理，能根据用户权限执行不同的操作。该功能的实现，利用21卜柙州啪国团CI图6串口通讯程序了LABSQL数据库访问工具包。如查数据库查询功能的实现，先使用ADOCONNECTIONCREATEVI创建一个数据库连接对象，再利用ADOCONNECTIONOPENVI建立与数据库的连接，然后通过LABSQL语句利用ADOCONNECTIONEXECUTEVI对数据库进行查询操作，得到需要的数据，最后利用ADOCONNECTIONCLOSEVI关闭与数据库之间的连接。测试界面可以实时显示测试曲线和测试进行的状态，并通过事件结构响应前面板参数配置、数据管理等操作。由于测试精度高，测试数据量大，也同样结合ACCESS数据库利用LABSQL工具包对测试数据进行管理。图7设计曲线005101520253035位移MM4测试结果及分析5结语以机械自锁按钮为例，其测试过程分为锁紧过程和复位过程。锁紧过程是按键由自由状态行程为0被按下到底最大行程然后按键反弹锁紧结束行程的全部过程；复位过程是按键由锁紧状态行程为0被按下到底最大行程然后按键反弹至自由状态结束行程的全部过程。由于该按键主要由弹性机构和锁紧机构构成，其设计曲线单向行程呈现三段式变化，其中按键锁紧和复位拐点的行程和方向设计控制的关键。机械自锁按键设计曲线和滤波后测试曲线如图7、8所示，对比两种曲线可对人操作按键时的手感做出评价。若按键力曲线斜率随行程无明显变化，则可判定按键操作反馈不明显；若拐点未在设计设计范围之内，则可判定键程过短或过长。针对测试出现问题，及时调整按键机械结构来改进产品品质。对面板上同一控制装置的反复测试发现，测试曲线与控制装置设计曲线趋势相吻合，通过对曲线和数据的分析可以直观地判断产品能否达到设计要求，为产品改进提供了判断依据。22图8测试曲线位移RAM本文研究了一种基于LABVIEW的汽车空调控制面板性能测试系统，设计了系统的总体结构，综合应用电路设计、虚拟仪器技术、单片机技术、串口通讯技术和数据库技术，有效提高了汽车空调控制面板性能测试效率和精度。通过厂家实际应用表明，该测试系统使用方便、可靠，完全满足汽车空调面板控制装置性能全面测试的需求，测量数据精度高且运行稳定。参考文献1JEFFERYTRAVIS，JIMKRINGLABVIEW大学实用教