（光学工程专业论文）基于虚拟仪器的汽车座椅头枕测试系统开发.pdf

摘要 汽车的安全标准分为主动安全标准、一般安全标准及被动安全标准。主动安 全标准是指驾驶员根据道路情况采取措施避让险情、主动预防事故中所涉及的车 辆技术要求：一般安全标准是对车辆结构、主要技术参数、图形信号等方面的技 术要求；被动安全标准是在事故中避免或减少对车内人员伤害的技术要求。 汽车座椅的头枕是保护乘员颈部及头部的重要装置，属于被动安全性能领域， 需要根据g b l15 5 0 - - - 1 9 9 5 汽车座椅头枕性能要求和试验方法的要求进行检测， 如果不符合标准要求，就不能装车使用。由于对于头枕的检测直接关系到乘员的 人生安全，所以需要一套精度高、可靠性好的测试系统来评价汽车座椅的性能。 随着虚拟仪器技术的发展，采用低成本软件化技术，研制各类多功能智能测 试设备呈迅猛发展之势，并逐渐批量进入工业测试领域。特别是在机械、冶金、 测试等行业，已大量融入各种类型的虚拟仪器，其卓越的性能、较强的功能扩展 性、移植性、良好的数据在线处理能力和实时数据通讯能力以及友好的人机交互 平台，得到各行业研究人员的普遍关注。 本文结合虚拟仪器技术开发了汽车座椅头枕检测虚拟测试系统。重点论述了 汽车座椅头枕检测系统的组成、台架的开发、控制系统软硬件设计。详细研究了 数据采集卡的选取、信号干扰的抑制，c 语言在软件开发中的应用。研究开发的 测试系统在应用中取得了良好的效果。 该测试系统主要有以下特点： 整个测试过程在p c 机和软件的控制下自动完成，实现了测试过程的自动 化和智能化； 能够实时采集各项试验数据并以曲线或数据形式输出； 能对数据进行存档与打印；具有自动报警和自动关闭试验系统的功能，以 保证系统运行安全可靠； 测试系统界面友好、易于操控、系统功能可扩展性好、测试精度高、稳定 性较好、成本低、简单便于维护等特点。 通过实际测试试验，证明了该系统完全满足测试的要求。 关键词：虚拟仪器；测试系统；汽车座椅头枕；开发 a bs t r a c t t h es a f es t a n d a r do ft h ea u t o m o b i l ei sd i v i d e di n t ot h ea c t i v es a f e t ys t a n d a r d ，g e n e r a l s a f es t a n d a r da n dp a s s i v ea n ds a f es t a n d a r d t h ea c t i v es a f es t a n d a r dm e a nt h ep i l o t a d o p t sa c c o r d i n gt ot h er o a dc i r c u m s t a n c et h em e a s u r ea v o i d st o l e tt h ei n s u r a n c e f e e l i n g ，a c t i v ep r e v e n t i o nt r o u b l ei ni n v o l v eo ft h ev e h i c l et e c h n i q u er e q u e s t ；g e n e r a l s a f e t yt h es t a n d a r di st h et e c h n i q u er e q u e s tt ot h ev e h i c l es t r u c t u r e ，m a i nt e c h n i q u e p a r a m e t e r ，t h es k e t c hs i g n a le t c ；t h ep a s s i v es a f e t ys t a n d a r da v o i d so rr e d u c e si nt h e t r o u b l et ot h eh a r m f u lt e c h n i q u er e q u e s to ft h ec a rw i f em e m b e r t h eh e a d r e s to fac h a i ro fa u t o m o b i l ei sa ni m p o r t a n td e v i c et h a tp r o t e c t sp a s s e n g e r s n e c ka n dh e a d s ，b e l o n g i n gt ot h ep a s s i v ea n ds a f ef u n c t i o nr e a l m ，n e e dt ob ea c c o r d i n g t ot h eg b115 5 0 一ac h a i ro f19 9 5 a u t o m o b i l eh e a d r e s tf u n c t i o nr e q u e s t sa n d e x p e r i m e n t st h em e t h o d o fr e q u e s tc a r r i e so nt h ee x a m i n a t i o n ，i f n o ta g r e ew i t ht h eu p t os t a n d a r dr e q u e s t ，c a n tp a c kt h ec a ru s a g e b e c a u s er e l a t i n gt ot h ep a s s e n g e r sl i f e s a f e t yt ot h ee x a m i n a t i o no ft h eh e a d r e s td i r e c t l y ，s on e e da s e to fa c c u r a c yh i g h ，t h et e s t s y s t e mt h a tc r e d i b i l i t yl i k et oe v a l u a t et h ef u n c t i o no fac h a i ro fa u t o m o b i l e a l o n g 、析t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t a d o p tt h el o w c o s ts o f t w a r e t ot u r nt h et e c h n i q u e ，r e s e a r c ht om a n u f a c t u r ee a c hk i n do fm u l t i - f u n c t i o ni n t e l l i g e n c e t e s te q u i p m e n tt op r e s e n tf a s tf i e r c ed e v e l o pi t sp o w e r ，a n dt h eg r a d u a lb a t c hq u a n t i t y e n t e r st h ei n d u s t r yt e s tr e a l m e s p e c i a l l yi nt h ep r o f e s s i o n s ，s u c ha sm a c h i n e ，m e t a l l u r g y a n dt e s t e t c ，h a v ea l r e a d ym e l t e di n t ot h ev i r t u a li n s t r u m e n to fv a r i o u st y p ei ng r e a t q u a n t i t i e s ，i t so u t s t a n d i n gf u n c t i o n ，s t r o n g e rf u n c t i o ne x p a n d ss e x ，t r a n s p l a n t a t i o n ，g o o d d a t ao n - l i n ep r o c e s s i n ga b i l i t ya n dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o na b i l i t yo fs o l i dh o u r sa n d p e r s o n sm a c h i n eo ft h ea m i t i e st oh a n do v e rw i t he a c ho t h e rt e r r a c e ，g e te a c hp r o f e s s i o n r e s e a r c h e r sw i d e s p r e a dc o n c e m t h i st e x tc o m b i n e dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u et od e v e l o pac h a i ro fa u t o m o b i l e h e a d r e s te x a m i n a t i o nc o n j e c t u r et e s ts y s t e m t h ep o i n td i s c u s s e sac h a i ro fa u t o m o b i l e h e a d r e s te x a m i n a t i o ns y s t e mt oc o n s t i t u t e ，s o f th a r d w a r eo ft h ed e v e l o p m e n t ，t h e c o n t r o ls y s t e mo ft h ep e d e s t a ld e s i g n d e t a i l e ds t u d i e dt h ed a t at oc o l l e c tt h es e l e c t i o n ， t h es i g n a li n t e r f e r e n c eo ft h ec a r dt or e p r e s s ，t h el a n g u a g eo fci si ns o f t w a r ed e v e l o po f a p p l i c a t i o n t h et e s ts y s t e mt h a ts t u d i e st h ed e v e l o p m e n t o b t a i n e dt h eg o o dr e s u l ti nt h e a p p l i c a t i o n s h o u l dt e s tt h es y s t e mt om a i n l yh a v et h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： t h ew h o l et e s tp r o c e s so fc o m p l e t e sa u t o m a t i c a l l yu n d e rp cm a c h i n ea n dt h ec o n t r o l o ft h es o f l w a r e s ，a u t o m a t i o na n d c a na c t u a l l yt h eh o u rc o l l e c t o rt h ed a t af o r m ； i n t e l l i g e n c e st h a tc a r d e do u t v a r i o u se x p e r i m e n tt h ed a t a t h et e s tp r o c e s st u r n ； a n do u t p u tw i t ht h ec u r v e t h ea b i l i t yl o g a r i t h m sa c c o r d i n gt oc a r r yo nt h eb a c k u pw i t hp r i n t ；h a v et h ea u t o r e p o r t st ot h ep o l i c et oe x p e r i m e n tt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m 诵t ha u t o m a t i cc l o s e ，t h a t t h es y s t e mc i r c u l a t e st h es a f ec r e d i b i l i t yw i t ht h ea s s u r a n c e ； t h et e s t s y s t e mi n t e r f a c ea m i t y ，b ee a s yt ot h eo p e r a t i o n ，t h es y s t e mf u n c t i o nc a n e x p a n ds e xg o o d ，t e s tt h ea c c u r a c yi sh i g h ，t h es t a b i l i t yc o m p a r eg o o d ，t h ec o s ti sl o w , s i m p l ee a s yt om a i n t e n a n c ee t c c h a r a c t e r i s t i c s p a s st h ea c t u a lt e s tt oe x p e r i m e n t ，p r o v e dt h a ts y s t e mc o m p l e t es a t i s f yt h er e q u e s t o f t h et e s t k e yw o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；t h es y s t e mt e s t ；ac h a i rh e a d r e s to fa u t o m o b i l e ； d e v e l o p m e n t 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，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 抛立江日期：抄夕年尹月汐日 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：芙f ) 立江 日期：少产甲月9 日 指导教师签名他 日期：谚俨笋月矿日 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c n k i 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：射立沮， 日期：砷年中月g 同 指导教师签名：伽 日期：c 2 吖年年月p 日 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论弟一早 三百下匕 随着中国经济的不断发展，汽车已经成为人们的主要代步工具进入千家万户。 人们在买车或用车时，对安全带和安全气囊的重要性已经有了深刻的认识，但对 于汽车头枕，大部分汽车用户只是简单地认为汽车头枕更多的是为了增加乘坐的 舒适性，在乘坐的时候可以把头靠在上面。然而据有关专家介绍，其实设置头枕 的主要目的是出于安全考虑，而并非是为了乘坐舒适。“当车辆前部发生碰撞时， 后排乘客的头部会因巨大的惯性而向前冲，如果在前排座椅上适当高度的位置处 加置了头枕，就可以使后排乘客的头部直接撞击在头枕上，起到一个保护作用。 当车辆后部被追尾时，前排乘客的头颈会向后闪，如果力量很大，甚至可能把乘 客的脖子折断，而如果在本座椅适当高度上加置了头枕，那就可以接住头部，从 而保护头部。”根据美国公路安全保险协会的统计，2 0 0 6 年车内因颈部受伤而导 致理赔的事件多达2 0 0 万起，金额高达8 5 亿美元【1 1 。 随着现代汽车工业对轿车及零部件的性能要求提高，传统手摸、眼看、耳听 的原始测试手段已不能满足要求。现代的检测设备是集计算机、传感器、仪表、 软件于一体的综合系统，实现了状态信号采集、特征提取、状态识别自动化，并 能以显示、打印、绘图等方式自动输出检测分析结果，使检测结果更精确、可靠、 方便，效率更高。要测得头枕的撞击性能，按照传统的测试方法测试精度低，测 试效率也比较低。所以要准确分析和评价头枕的性能，必须用计算机控制测试系 统来实现。 当前，虚拟仪器技术已成为国内多 i - n 控行业的热点。虚拟仪器技术是用户自 定义的基于p c 技术的测试和测量解决方案。应用虚拟仪器技术，可以通过软件 将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理 能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体 积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器较传统仪器具 有升级容易，功能扩展方便，使用寿命长，开发和维护费用低，可以实现网络共 享等的特点【2 1 。 国外汽车工业由于发展时间较长，且对试验检测工作十分重视，资金上投入 巨大，一般都有较为齐全的试验装备。再加上严格管理和精良的制造设备，较国 内汽车企业，具有明显的优势。加入w t o 以后，我国与国际之间的合作与竞争 日益多样化，为了适应国际化大市场，我国汽车生产企业必须加大试验检测力度， 缩短同国外同类厂家在试验手段上的差距，才有利于提升我国汽车产品在国内外 2 第一章绪论 的竞争能力。 本文所开发的基于虚拟仪器的汽车座椅头枕检测系统，是重庆车辆检测研究 院国家客车质量监督检验中心为满足广大汽车座椅生产企业的产品质量测试需求 而研制的。该测试系统是通过模拟人体头部碰撞座椅头枕，在试验室完成对汽车 座椅头枕安全性指标的测试。该试验台主要的特点是整个测试过程在p c 机和软 件的控制下自动完成，并能实时显示测试数据与曲线等，实现了测试过程的智能 化和自动化。该试验台的研制进一步完善了对汽车座椅头枕的测试，为广大汽车 座椅生产企业提供了更好的产品检测平台。而且，基于我国汽车行业整个测试领 域在检测手段智能化、多样化等方面与国外相比处于相对落后的状况，开发针对 汽车座椅头枕的智能化测试系统，不仅具有较高的现实意义，也具有较大的经济 价值。 目前我国颁布实施的与汽车座椅头枕有关的国家标准有：g b l1 5 5 0 1 9 9 5 汽 车座椅头枕性能要求与试验方法，主要是针对座椅头枕的。该标准于1 9 9 7 年1 月1 日实行，主要是规定了汽车座椅头枕的性能要求与测试方法。本标准适用于 m l 类车辆的前排外侧座椅头枕和m 2 类( 总质量3 5 0 0 k g 以下) 和n 1 类车辆的前 排外侧座位头枕。g b l 5 0 8 3 2 0 0 6 汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试 验方法是g b l 5 0 8 3 1 9 9 4 的修订版本，对汽车座椅、座椅的安装固定及座椅头 枕都提出了技术要求。该标准于2 0 0 7 年2 月1 日起正式实施。其技术内容的制定 采用了欧洲经济委员会e c er 1 7 法规机动车座椅、座椅固定装置及头枕认证的 统一规定中的有关座椅、座椅固定装置及头枕强度方面的相关条款，同时又比 e c er 1 7 法规增加了座椅固定装置、调节装置、锁紧装置以及移位折叠强度的静 态试验方法。该标准的实施填补了以往国家标准中有关方面的空白，体现了相关 部门在被动安全方面对车辆的技术要求，同时也表明了厂商和广大消费者对车内 人员的安全防护问题越来越重视。该标准适用于m 1 类汽车的前排外侧座椅头枕。 值得注意的是，在g b l 5 0 8 3 2 0 0 6 中，增加的对汽车座椅头枕的相关技术要 求比g b l l 5 5 0 1 9 9 5 的规定更为严格，而g b l l 5 5 0 的最新修订版本已经完成了标 准报批，在其中最新修订版本中针对m l 和n l 类汽车座椅头枕部分的内容与g b 1 5 0 8 3 2 0 0 6 中的相关规定是一致的。由于g b l 5 0 8 3 2 0 0 6 中关于头枕的测试方法 是引用g b l1 5 5 0 1 9 9 5 的，其本身并没有规定汽车座椅头枕的具体测试方法，所 以本测试系统主要依据g b l1 5 5 0 1 9 9 5 进行开发【3 11 4 1 。 1 2 国外状况 美联社在2 0 0 7 年4 月5 日报道说，在美国公路安全保险协会对7 5 款汽车的 第一章绪论 3 最新撞击测验中，竟然只有2 2 款汽车对驾驶员头颈部的保护措施是合格的。在头 枕性能不那么好的汽车中，还有不少名牌车。 在实验中，研究人员让被测车辆处于静止状态，模拟另一辆车以3 2 公里的时 速从后方撞向这辆车，然后对受测车辆头枕的保护作用进行检测。如果头枕在汽 车受到撞击时能够很快将车内假人的头部托住，并且对假人的颈部产生的推力较 低，那么这个头枕将被认为相对安全。 根据测试结果，在7 5 种被测试的汽车中，约7 0 的汽车头枕对头颈保护不 够。尤其值得注意的是，一些著名车型在头枕安全性测试中也表现得很不好。其 中包括本田车系的a c u r a ，别克君越、别克l u c e r n e ，凯迪拉克c t s 、s t s 和d t s 汽车，雪佛兰乐骋，本田雅阁和飞度，现代a c c e n t ，起亚千里马，丰田亚洲龙和 花冠汽车等。连美洲豹x - - t y p e 和宝马5 系的某些车型，也被“点名”。 根据这项实验，在头颈保护方面表现最好的汽车包括奥迪a 4 、a 6 和s 4 等车 型；沃尔沃$ 4 0 、$ 6 0 、$ 8 0 汽车；福特5 0 0 和福特“水星”汽车；大众新甲壳虫的 某些车型；美洲豹s t y p e 汽车；现代索纳塔汽车；奔驰e - - c l a s s ；本田思域等。 美国有专门的协会分析了5 0 0 0 多个保险索赔得出：在同等条件下，使用良好 等级头枕的司机比使用劣质产品的在追尾事故中的颈部损伤概率降低2 4 。在纽 约罗彻斯特，该协会测试了5 8 5 位发生追尾事故的司机。测试进行的时候，司机 坐在正常的位置上，但头枕则处于追尾时的位置。结果显示，放置在头部重心或 者重心上部的保护装置能够降低追尾中颈部受伤的概率。正确使用该保护装置的 司机比错误使用的司机发生受伤的概率减少了4 0 。 由于国外汽车行业发展较早，技术较为成熟。对安全也比较重视，所以他们 的检测设备和检测手段已经向多样化、智能化方向发展，但测试原理基本相同， 也是采取撞击或者冲击试验。大部分国家都把头枕的安全性作为n c a p ( n c a p 是英文n e wa s s e s s m e n tp r o g r a m 的缩写，译为新车评价程序) 的评分标准之一。 由于地区差异，各国实行的n c a p 也不尽相同，在撞击速度、撞击形式以及评分 细则上都会有差异。 1 3 国内状况 目前，国内大部分相关企业以及检测机构仍然在使用一些比较传统的设备， 但是这些设备有很多缺点，主要表现在以下三个方面： 测试系统功能相对较弱，测试水平不高，而且主要以传统的“硬”仪器系统 为主； 测试手段落后，不能满足某些指标的检测： 测试效率低，不能满足实际生产和检测的需要。 第一章绪论 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电子测量技术 领域的应用，国内的相关汽车座椅头枕检测设备呈现出数字化、智能化和显示图 形化的特点。因此开发出测试手段更为先进、自动化程度更高、交互性能更好的 图形化测试系统己成为国内相关企业追求的目标。 现在国内已经有较多企业已经开始生产比较先进的液压伺服式头枕冲击试验 机，比如：( 昆山) 创新科技检测仪器有限公司生产的c ) 【- 7 1 0 3 计算机伺服汽车 座椅头枕冲击试验机，台湾金戈检测仪器有限公司生产的s g m 0 1 b 电脑伺服汽 车座椅头枕冲击试验机等，虽然这些头枕冲击试验机测试精度比较高，但是价格 一般在1 5 万元以上，这样的价格是非常贵的，这对于很多汽车座椅生产企业和检 测机构是难以接受的。而且这些头枕冲击试验机维护比较困难，需要专业人员进 行，维护费用也相对较高，这也是一笔很大的开支。在这种情况下，重庆车辆检 测研究院没有选择购买这种设备，而是决定自主开发功能更为强大、成本更低的 测试系统，我的任务是负责基于虚拟仪器的汽车座椅头枕测试系统研究与开发。 当前国内典型的头枕冲击试验检测设备主要有两种：一种是摆锤式，另一种 是液压榨制式如图1 1 所示： 图11 液压式头枕冲击试验检测设备 f i g u r ei ll i q u i d s p r e s s t y p eh e a d r e s t i m p a c t t e s t e x a m i n a t i o ne q u i p m e n t s e s 对于头枕装车以后的检测，出于中国的n c a p ( c - n c a p ) 起步较晚，c - n c a p 试验及评分上还没有涉及头枕方面的评价。这说明了我国汽车工业的发展仍然任 重而道远，需要汽车生产企业及汽车零部件企业不断提高生产质量，也需要检测 第一章绪论 5 机构不断提高检测手段，加强检测能力。 1 4 本论文主要研究内容 本文主要是根据g b l1 5 5 0 - - 1 9 9 5 基于c 语言软件开发汽车座椅头枕测试平 台，通过操作该系统，可以完成对头枕的性能的自动检测。 系统具体功能如下：可检测摆锤撞击头枕时的减速度，能测试摆锤在最低处 时的最大速度，实时显示测试的数据，试验数据可存储及打印输出；具备自动判 断头枕是否合格的功能。其全部测试过程均由微机全程控制。 其具体步骤如下： 测试系统总体方案的研究； 数据采集系统的研究与开发。信号采集部分数据采集卡和传感器的选择； 信号的预处理；硬、软件抗干扰技术等； 测试系统程序设计； 摆锤下落的控制系统的研究与开发； 试验分析及数据处理。 1 5 本章小结 本章分析了在我国汽车工业不断发展壮大的形势下，人们对整车及其零部件 提出了更高的要求，国家也对相关行业的行业规范进行了修订，因此对于汽车产 品的检测要求也将更高。还探讨了国内外n c a p 的试验对比，总结出国内外对于 头枕的安全都较为重视，但是国产的汽车产品还是不容乐观，需要汽车生产企业 及汽车零部件企业不断提高生产质量，也需要检n s j l 构不断提高检测手段，加强 检测能力。所以开发集计算机、传感器、仪表、软件等技术于一体的汽车座椅头 枕检测系统具有较高的现实意义和极大的经济价值。通过对该类试验系统国内的 状况提出了本论文的主要研究内容。 6 第二章虚拟测试系统的基本理论 第二章虚拟测试系统的基本理论 随着计算机技术与微电子技术的飞速发展，传统仪器逐渐向智能仪器、虚拟 仪器演化。虚拟仪器技术是把测试分析仪器的采集、分析、输出三大功能模块全 部放到计算机上来实现。虚拟仪器系统概念是对传统仪器概念的重大突破，是计 算机技术与仪器技术相结合的产物。 2 1 虚拟仪器概述 2 1 1 仪器的发展历史 5 0 年代初，仪器仪表技术取得重大了突破，数字技术的出现使各种数字仪器 得以问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个数量级，为实现测 试自动化打下了良好的基础。 6 0 年代中，测试技术又取得了重大进展，计算机的引入使仪器的功能发生了 质的变化，从对个别电量的测量转变成对整个系统特征参数的测量；从单纯的接 收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从用单个仪器进行测量转 变成用测量系统进行测量。 进人7 0 年代以来，计算机技术的进一步渗透，使现代电子仪器在传统的时域 与频域之外，又出现了数据域( d a t ad o m a i n ) 钡, o 试，被测系统的信息载体为二进制 数据流，仪器前面板则向键盘化方向发展；不同于传统独立仪器( s t a n da l o n e i n s t r u m e m ) 模式，而是充分利用个人计算机软硬件资源的个人仪器( p e r s o n a l i n s t r u m e n t ) 得到了充分发展【5 j 。 2 1 2 虚拟仪器的概念 自从1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n i ) 提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ， 简称v i ) 的概念以来，虚拟仪器作为一个新兴的研究领域，始终受到中外科研工 作者的关注。随着科技的不断进步，特别是计算机科学的飞速发展和计算机产品 的广泛普及，虚拟仪器技术也有了长足的发展。虚拟仪器由专为控制应用设计的 直观的软件和针对不同频率与精度范围的通用测量硬件组成，因此n i 提出了“软 件就是仪器”的概念。v i 通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户 可以通过友好的图形界面( 虚拟仪器前面板) 来操作这台计算机，就像在操作自 己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。v i 以透明的方式把计算机资源( 如 微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时器、信 号调理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件来实现对数据的采集、分析、 处理及显示。 第二章虚拟测试系统的基本理论 7 所有的测量仪器的功能可由数据采集、数据分析、结果输出显示三大部分组 成。在这三大功能中，数据分析和结果显示完全可由基于计算机的软件完成，只 要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机硬软件组成的测量仪器。由 此可以看到，虚拟仪器与传统仪器的基本区别在于传统仪器的这些功能都是以硬 件或者固化的软件的形式存在的，而虚拟仪器的功能则是用软件完成的。因此软 件是虚拟仪器的核心。下图2 1 为虚拟仪器与传统仪器的区别。 图2 1 虚拟仪器与传统仪器区别框图 f i g u r e2 1v i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n td i f f e r e n t i a t i o nf l a m ed i a g r a m s 在实验室、生产车间和户外现场，为完成某项测试或维修任务，传统测试手 段通常需要许多仪器，如信号源、示波器、磁带机、频谱分析仪等等。由众多的 仪器构成的测试系统，价格昂贵，体积庞大，连接和操作复杂，测试效率低。而 使用p c 资源( 处理器、存储器、显示器等) 、仪器硬件( 传感器、信号调理器、 转换卡等) 和数据采集、过程通讯、信号处理及图形用户界面的应用软件有效地 结合起来，便可构成一种全新的基于p c 的虚拟动态分析仪器。这种仪器从概念 上改变了传统仪器的技术模式，它可以在一台计算机上完成多种功能，多种仪器 共享p c 资源。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软 件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。当用户从一个项目转向另一 个项目时，能简单地构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件和软件资源，从而 大大节省设备量和成本，方便操作，缩短开发时间。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息 技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算 机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬 件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适 合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量 8 第二章虚拟测试系统的基本理论 与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析 一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可 行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是十分宽广的。 总的来说，虚拟仪器就是基于计算机的全数字化测量分析仪器，是现代计算 系统、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术和仪器系统技术相结合的产物，是当今 计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。虚拟仪器技术就是利用高性能的 模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。它推 动着传统仪器朝着数字化( 智能化) 、模块化、虚拟化、网络化的方向发展。v i 技术研究现已成为电子测量和计算机测试控制的前沿课题【6 】【7 】吼 2 1 。3 虚拟仪器的特点 丰富和增强了传统仪器的功能 虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理， 充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得组建系统变得更加灵 活、简单。 便于功能扩展、升级 传统的仪器系统封闭、功能固定、可扩展性差，而虚拟仪器具有开发的功能 模块化，可以比较容易构建多种测试仪器，也可以在同一台仪器上完成多种测试， 便于仪器的升级换代。 突出“软件就是仪器”的概念 传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软件代替，由于减少了许多随时间可能 漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使仪器的测量 精度、测量速度和可重复性都大大提高。 仪器功能由用户自己定义 虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，可以很方便地修 改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发功能，实现与外设、网络及其 他应用的连接，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 开放的工业标准 虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，因此用户可以将仪器的设计、 使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展， 管理规范，生产、维护和开发费用降低。 仪器开发和维护费用低 虚拟仪器将传统仪器用硬件实现的功能利用软件来实现，大大节约了仪器开 发的周期和成本。而且，虚拟仪器较传统仪器也有维护方便的特点。 硬件利用率高 第二章虚拟测试系统的基本理论 9 虚拟仪器可将原来已有的设备进行改造或升级，实现相同或者更高级的功能， 大大提高了硬件资源的利用率，降低了硬件成本。 功能移植 虚拟仪器设计完一个功能后，可将其进行模块化，以方便以后类似功能的移 植，这样大大节省了开发的时间，提高了开发效率。 2 1 4 虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术的优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易， 转换灵活，因此应用领域十分广阔。目前，国内外有许多部门和公司都在积极地 开展这些方面的研究和应用工作。重庆市车辆检测研究院对虚拟仪器有较为广泛 的应用，比如汽车传动轴静扭试验系统；汽车传动轴动平衡试验系统；汽车驱动 桥试验系统等。国内外许多也大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机 辅助教学中；清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发 动机出厂前的自动检验；重庆大学测试中心已研制开发出小波变换信号分析仪、 多线示波器与数据记录仪等5 种虚拟式仪器。专家们说，这一成果使我国在虚拟式 仪器研制方面达到国际先进水平。虚拟仪器己在超大规模集成电路测试、模拟电 路数字电路测试、现代电器产品测试、电子元件电力电子器件测试以及军事、航 天、生物医学、工厂测试、电工技术等领域的可移动式现场测试工作中得到应用， 并且其应用领域还将不断拓宽。 2 1 5 虚拟仪器的构成 从虚拟仪器外部结构的角度出发，虚拟仪器由计算机、仪器硬件和应用软件 三部分组成。其中计算机和仪器硬件又合称为v i 的通用仪器平台。其构成方式 主要有以下几种。 p c d a q 系统。是以数据采集板卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平 台组成的p c d a q 测试系统。 g p i b 系统。是以g p i b 标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的测试 系统。 v x i 系统。是以v i x 标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的测试系 统。 串口系统。是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的测试系 统。 现场总线系统。是以f i e l d b u s 标准总线仪器与计算机仪器硬件平台组成的 测试系统。 无论以上哪种测试v i 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 或 工作站等多种计算机平台加上应用软件而构成。因此，v i 的发展已经完全跟上计 1 0 第二章虚拟测试系统的基本理论 算机的发展步伐，同时也显示出v i 的灵活性和强大生命力9 1 。 2 2 基于p c - d a 0 系统虚拟仪器须解决的问题 在计算机的发展史上，没有一种计算机的普及和发展超过p c 机。由于p c 机 的广泛使用，尤其是其较低的成本，加上成熟的p c d a q 系统，本论文主要采用 p c d a q 来进行汽车座椅头枕检测系统的开发。但是一台p c 机并不就是虚拟仪 器，p c 机具有数据传输速度慢的缺点，但p c 机拥有强大的硬件基础、广泛的软 件支持、众多熟练的用户以及低廉的价格等优势，使得基于p c d a q 虚拟仪器必 将成为虚拟仪器的一个重要发展方向。 基于p c d a q 系统虚拟仪器的基本模块为软件系统、总线以及功能化硬件模 块。其中软件系统和采集板卡在很大程度上决定了虚拟仪器的性能。开发基于 p c d a q 虚拟仪器需要解决包括硬件、软件和电磁兼容性三方面的问题【9 】 1 0 】。 2 2 1 硬件问题 p c 总线上数据传输速率较慢。提高p c 总线数据传输效率是基于p c d a q 系统虚拟仪器的关键技术。虽然p c 总线从最初的8 位发展到1 6 位、3 2 位，甚至 6 4 位，数据传输速率也得到了快速增长，但p c 总线毕竟是计算机总线，它主要 是为计算机服务的。存储器刷新、磁盘读写、c p u 运行等，都需要占用总线时间， 依靠现在的p c 总线来传输虚拟仪器的大量数据，必然影响到虚拟仪器的实时性。 因此在只能利用现有p c 总线条件下，可以采取其他技术措施减轻p c 总线的负担。 例如通过采用高速d s p 和高速局部总线系统来提高系统的实时性和减轻p c 总线 数据传输压力。这是因为p c 机的作用是充当管理者的角色，采集和处理过程中 的大量数据将在局部总线中传输，而占用p c 总线传输的仅仅是发出的各种命令 和经过处理的结果数据。 如何增强虚拟仪器硬件功能。将大规模集成专用电路a s i c 技术和可编程 逻辑器件技术应用于基于p c d a q 虚拟仪器硬件模块中，可以有效的增强虚拟仪 器硬件功能。大规模a s i c 技术使得众多的硬件布线集中于芯片内部，避免了较 长的外部走线，在功能硬件板上容易形成高速局部总线，可以得到较宽的总线带 宽。另外，基于p c d a q 虚拟仪器系统，一般采用插卡的形式，对可供布线的印 制板在面积和形状上的要求十分苛刻，p c 机的电源系统能力也有限，要求使用高 度集成化和省电的器件，大规模a s i c 技术和可编程逻辑器件技术在这个方面可 满足要求1 1 1 l 。 2 2 2 软件问题 基于p c d a q 的虚拟仪器测试系统的功能主要是由软件来实现的，虽然p c 第二章虚拟测试系统的基本理论 机拥有庞大的软件支持，但专门为基于p c 总线虚拟仪器设计的软件系统价格十 分昂贵。为此，和g p i b 、v x i 等虚拟仪器一样，p c 虚拟仪器系统也需要功能齐 全的软件系统和大量的仪器成品程序库。此外，如何使用户方便地通过图形编程 系统控制功能化硬件模块，如何灵活地加载、运行d s p 程序，在一定程度上实现 硬件的柔性化，最大限度地通过同样的硬件模块完成多种虚拟仪器功能，也是研 制基于p c 总线虚拟仪器软件中重点考虑的问题。 2 2 3 电磁兼容性问题 电磁干扰e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) ，有传导干扰和辐射干扰两种。传 导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合( 干扰) 到另一个电网络。 辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合( 干扰) 到另一个电网络。在高速p c b 及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天 线特性的辐射干扰源，比如电磁铁等，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内 其他子系统的正常工作。 电磁干扰( e m i ) 是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，e m i 通常由 电磁辐射发生源如马达和机器产生的。 自从电子系统降噪技术在7 0 年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委 员会在1 9 9 0 年和欧盟在1 9 9 2 提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求 各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品 称为具有电磁兼容性e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 。 在基于p c 总线虚拟仪器中，电磁干扰的问题可以通过硬件和软件相结合的 办法得到缓解。面对众多的p c 机，电磁兼容性不可能完全一致，很难设计同样 的硬件适应各种电磁干扰环境，因此获得的信号必然存在各种各样的干扰。采用 硬件电路抗干扰是最为常见的方法之一。现在，越来越多的是利用软件技术配合 硬件电