（光学工程专业论文）汽车振动性能测试系统开发.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 汽车振动是影响车辆平顺性、操稳性、乘坐舒适性以及汽车零部件使用寿命的重要 因素。因此，研究汽车的振动性能越发显得重要。能否合理有效地处理汽车振动信号， 进而采取必要措施减小或抑制汽车振动成为众多学者的研究课题。 本课题研究开发了一套以v i s u a lb 勰i c 为平台，结合m a t r i x v b 4 5 和m | a t l 嗵，配 合必要的传感器、信号调理器等硬件设备，对拓普u d a q 便携式数据采集器进行二次 开发的汽车振动性能测试系统。最后，对软件系统进行打包，以便在脱离和m a t l a b 的w i n d o w s 环境下运行。该系统能够实现信号采集、信号分析、结果显示和保存功能。 信号采集模块包括采集界面设计、工程标定界面设计、采集卡配置界面设计、数据 单次及连续采集、数据文件输出，以及信号时域波形的绘制、波形参数的显示、相关系 数的计算和主要控件属性设置。信号波形参数的内容包括信号的最大值、最小值、均值、 标准差、方差、均方值、均方根值以及采样频率和采样周期。信号保存文件格式包括仅t 和m a t ，对连续采集还提供自动保存功能。 信号分析模块包括有效信号和误差信号文件的导入，信号时域波形的再现和保存、 信号波形参数的显示和保存，信号取反，信号预处理，包括去多项式趋势项、平滑，信 号滤波，加窗，f f r 变换，时域和频域传递率分析，自相关分析、互相关分析，自功率 谱分析、互功率谱分析，频响函数和相干函数。信号分析数据保存为x l s 格式文件，分 析图形以j p g 格式文件输出。 运用该测试系统对轻型货车进行道路试验，结果表明该系统性能稳定，操作简单， 功能较全面，具有较强的实用性、较好的经济性和一定的专业性。 关键词：振动性能测试；信号采集；信号分析；v is u a lb a s i c ；m a t l a b 汽车振动性能测试系统开发 a b s t r a c t t h ev 砌c l ev i b r a t i o ni sm ei i l l p o r t 锄tf a c t o rm a ta f f i e c t sv e l l i c l e sr i d ec o m f o n p e r f 0 肋锄c e ，h 锄d l i n gs t a b i l i 妙，r i d m gc o m f o n ，s e r v i c el i f co f 踟t 0p a n s ，e t c t h e r e f o r e ，i t b e c o m e sm o r ei m p o r t a n tt 0r e s e a r c hm ev e t l i c l e v i b r a t i o np c r f o m l a n c e t h e r ea r em m l e r o u s s c h o l a r st 0s t u d yh o wt 0r e 弱o n a b l y 锄de f f 。c t i v e l yp r o c e s st i l ev e m c l e sv i b r a t i o ns i g n a l s ， 锄dt i l e nt a k et l l en c c e s s m ym e 雒珈吧st 0r e d l l c eo r b i tt 1 1 e 、，i b r a t i o no fv e m c l e t h ea u m o rh 硒d e v e l o p e dav e l l i c l ev i b r a t i o np e r f o 咖a n c et e s ts y s t e l i l ，w m c hb 勰o do n v i 泐lb a s i c ，c o m b i n e dt l l e m a t r i x v b 4 5 ，m a t l 也，狐c de s s e m i a ls e 璐。倦，s i 趴a l c 0 n d i t i o n i n g 锄do t i l e rh a r d w a r ed e v i c e s ，m a d et h es e c o n d a d ，d e v e l o p m e i l tf o rt 叩su d a q p o r t a b l ed a t ac 0 l l o c t o r a “a s t ，t 1 1 es o r w a r es y s t e mi sp a c k a g e dt 0 证s t a l l a t i o nf i l e s ，i i lo r d e r t 0mi t 1 d e rt i l ew 访d o w se n v 打d n m e n tm l i l ：l s t a l l e dt l l ev i s u a lb 勰i c 锄dm a t l a b t h e s y s t 锄i sa b l et 0a c i l i e v et h 髓e 缸l “o i l so fs i 印a la c q u i s i t i o 玛s i 印a l 锄a l y s i s ，嗽；u l t sd i s p l a y a n ds a v ef i l e s s i 印a lc 0 l l e c t i o nm o d u l ei i l c l u d e st l l ei l l t e r f a c ed e s i g 璐o fs i 印a la c q u i s i t i o 玛锄g i i l e e r i n g c a l i b r a t i o i l d a t aa c q u i s i t i c a r dc 0 幽g u r a t i o n ；s i n g l es i 印a la c i 叫s i t i o n ，c o n t m u o u ss i 印a l a c q u i s i t i o n d a t af i l eo u t p u t a l i 1 1 c l u d 懿t l l es i 印a lt h n ed o m a i l lw a v e f o 姗d r a w i i l & w a v e f 0 衄p 猢殴e rd i s p l a y c o l l r e l a t i o nc o e f n c i e n tc a l c u l a t i o n 锄dt i l em a i nc o i l n 0 l s p r o p e n ys e t t i n g t h ec o n t e n t so fn l es i 印a lw a v e f o r mp a r 锄e t e 塔i i l c l u d e l es i g n a l m 觚i n l 眦，n l j 嘶n m 吐m e a 玛s 切n 洲d e 、，i a t i 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仔e q u 髓c y d o m a i l l 仃觚s m i s s i o nr a t ea n a l y s i s ，c o r r e l a t i o n 锄a l y s i s ，c r o s sc 0 仃e l a t i o n 锄a l y s i s ，p o w c r s p e c t r l 啪锄甜y s i s ，c r o s sp o w e rs p e c 呲n 锄a l y s i s ，能q u c yr e s p o 璐e m c t i o n 懿t i i i l a t i o 玛 锄dc 0 h e 啪c e 劬c t i t l l ed a 协o fs i 弘a l 锄a l y s i sc 锄b es a v c d 鹪“x l s f i l e ，t l l e 锄a l y s i s 矿a p l l i c sa r e0 u t p u n e di i lj p gf o n l l a tf i l e s w eh a dar o a dt e s tf o rl i g h t 仇l c ki i lu s eo ft l l ev e 量l i c l ev i b r a t i o np e r f 0 咖蛐c et e s ts y s t 锄 t h et e s tr e s u l t ss h o w 酣t l l a tt l l es y s t 锄h 舔c h 锄c t e r i s t i c so fs t a b l ep e r f o m l 锄c e ，s i r r l p l e o p e r a t i o i l ，如l l e rm n c t i o i l s t r o n g e rp m c t i c d b i l i t ) r ，h i g h e re c o n o m i c 锄dc e r t a j np r o f e s s i o n a l i i 西华大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：v i b r a t i o np e m 恤锄c et e s t ；s i 弘a la c q u i s i t i o 珥s i 印a la n a l y s i s ；v i s u 越 b a s i c ：m a t l a b 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究的背景和意义 振动是一种普遍存在的自然现象，利用振动可以用来进行运输、加工打桩等，但更 多的振动则是影响机械设备性能和寿命的主要因素【i 】。信号是传输信息的载体，信息是 物质客观存在或运动状态特征的表现，信息蕴含于信号之中。人们认识客观事物依靠的 是测试。测试包含测量与试验，在测试过程中借助专门的设备，通过合适的实验和必要 的数据处理，得到研究对象的有关信息量值。测试信号中既携带着人们所需的有用信息， 也常常含有大量人们不感兴趣的其他信息，后者被称为干扰噪声，它在测试过程中会不 可避免地渗入到测试系统。 测试技术按被测物理量是否随时间的变化而变化分为静态测试和动态测试。前者的 被测量静止不变，仪器输入量为常量；后者的被测量随时间或空间而变，仪器的输入量 及测试结果( 数据或信号) 也随时间而变【2 捌。通常，振动测量的内容包括振动的位移、 速度、加速度、激振力的测量等，通常称之为动态参数，因此，振动测量属于动态测量 范围。动态测试过程是由传感器测得非电物理量并转换为电信号，经过放大：滤波、分 析等对信号进行调理，最后将测量结果传递给数据存储与显示部分，供人们观察和分析 【4 】 o 振动信号处理是对振动试验和振动测试所获得的数据进行加工，这样才能从振动信 号中提取所需的信息，以便采取措施解决振动问题或对振动问题做出准确的评价。 信号分析有时域分析和频域分析两种经典方法。时域分析又称波形分析，是用信号 幅值随时间变化的图形或表达式的形式进行分析，能得到任一时刻的瞬时值或者信号的 最大值、均值、最小值、均方值、均方根值等：也可通过信号的时域分解，研究稳定分 量与波动分量；对信号进行相关分析，可以研究信号本身或相互间的相似程度；研究信 号的幅值分布状态，能了解信号幅值取值的概率以及概率分布情况，后者又可称为幅值 域分析。信号的频域分析是把信号的幅值、相位或能量变换成以频率表示的函数，以分 析其频率特性的分析方法，又可称为频谱分析，如幅值谱、相位谱、功率谱密度、能量 谱密度等。对信号进行频谱分析可以获得更多的有用信息，是近代信息技术发展中的重 要手段之一【5 川。 汽车振动是影响汽车性能的重要因素，会影响汽车的平顺性、操纵稳定性以及汽车 零部件的疲劳寿命并产生噪声，甚至会影响驾驶员的操作安全性以及乘员的舒适性。因 此，研究汽车振动的测试具有非常重要的意义。 汽车振动性能测试系统开发 1 2国内外振动测试与信号分析技术的发展现状 随着振动测试技术理论、计算机技术、通信技术、信号分析技术的发展和生产中对 测试的需求与日俱增，振动测试也在不断发展。 振动测试分析技术从2 0 世纪初发展至今，经几代科学工作者的探索，正逐步走向 完善，测试分析仪器也在不断发展和成熟。 2 0 世纪5 0 年代以前，主要是信号模拟分析法，进入2 0 世纪5 0 年代，大型通用数 字计算机应用在信号分析中。进入2 0 世纪6 0 年代，人造卫星、宇航探测以及通信、雷 达技术的发展，对信号分析的速度、分辨力提出了更高的要求。1 9 6 5 年美国库列 ( j w c 0 0 l e y ) 和图基( j w t u l ( e y ) 提出了快速傅里叶变换( f f r ) ，大大提高了计算 速度，促进了数字信号处理的发展，开辟了信号分析的新纪元【5 】。随后，建立在快速傅 里叶变换算法基础上的经典谱分析( 时间序列的频域) 、属于现代谱分析( 参数化方法) 的a r m a 分析( 自回归滑动平均) 、经典维纳( w i 神滤波、卡尔曼( k a l l l l 趾) 滤波、 熵谱分析以及倒谱分析等基于统计理论的分析方法被应用于汽车振动信号处理【8 1 。近年 来，神经网络技术、模糊技术、模态分析技术、小波分析技术等在科学研究领域内取得 了很大发展和丰硕成果，这些技术以计算机为基础，可以方便地应用到虚拟仪器技术中。 振动测试仪器经历了三个阶段：模拟仪器、数字化仪器和智能仪裂9 1 。传统模拟测 试仪器的基本结构是磁电机械式，采用模拟器件组成各种电路，存在体积庞大，功能单 一，性价比低，精度低，速度慢，开放性差等诸多缺陷。数字化仪器如数字转速表等， 主要由数字电路实现，在测试精度、速度和仪器寿命等方面与模拟仪器相比有较大提高。 随着数字信号处理技术及大规模集成电路的发展，出现了以微机为核心的智能测试仪 器，但性价比不高，不易进行功能扩展，开放性差，而且智能测试仪器由厂商定义，用 户无法更改，其开发和应用都缺乏灵活性。 随着测试技术的发展，虚拟仪器的出现对汽车性能测试系统产生了较大影响，使测 试技术走向信息化、集成化、模块化、通用化、标准化。虚拟仪器【3 l o j ( v i n 岫lh 沏姗e n t ) 是指以计算机( 主要是微机) 为核心，将计算机与测量系统融合于一体，用计算机软件 代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板的测量仪 器。虚拟仪器通过键盘、鼠标代替实际的仪器面板或按钮，操作员通过友好的图形化用 户界面以及图形化编程语言来控制仪器的启动、运行、结束，完成对被测信号的数据采 集、信号分析、谱图显示、数据存储、数据回放以及控制输出等功能。与传统仪器相比， 虚拟仪器具有开发周期短、维护费用低、操作界面简便、自定义仪器功能、通用性强、 开放性好、升级方便等优点 2 西华大学硕士学位论文 中国海洋大学的唐世振【1 1 】开发了一套基于m a t l a b 的振动信号采集与分析系统， 主要硬件是研华公司的p c i 1 7 1 2 采集卡与压电式传感器。该系统能实时采集和分析振 动信号，分析项目包括信号预处理、信号时域处理、信号频域处理和模态参数识别。 河北工业大学的陈伟【9 】开发了一套以p c 机为硬件平台、以美国国家仪器公司( n i ) 的l a b v 正w 为软件开发平台，配合必要的传感器、信号调理器和数据采集卡组成的便 携式振动和平顺性测试和分析系统。该系统能很好的实现数据采集、处理分析和结果显 示功能。软件处理功能主要包括时域分析、幅值域分析、频域分析、时频联合分析和平 顺性分析五个模块。 合肥工业大学的姜永胜【8 】开发了一套基于v i s 吼lb 嬲i c6 0 的汽车振动信号后处理软 件，并能与m a t i ，a b 进行数据交换，实现了振动信号的数据文件格式转换、三维显示、 云图显示、基频处里。该系统选用傅里叶变换和小波分析对汽车振动信号进行处理，重 点介绍了小波分析，归纳出三种改进的小波系数调整策略，并应用于仿真信号和实测汽 车振动信号的去噪中。 西华大学交通与汽车工程学院是国内较早进行汽车整车性能测试与分析研究的高 校之一，其车辆工程学科是四川省重点学科，且拥有四川省车辆工程重点实验室。目前 已研制了以笔记本电脑为控制中心，数据采集仪、o e s u 型和o e s 1 i i 型非接触式光电 传感器、油耗仪、q c w 3 b 汽车操纵稳定性测试仪、州2 0 1 2 转向力角测量仪、电荷放 大器、加速度传感器等传感器为硬件基础的汽车道路试验综合性能测试系统，能够进行 汽车的动力性、制动性、经济性、排放性、操纵稳定性、平顺性等试验，该系统测试软 件以虚拟仪器软件l a b v 正w 7 1 为平台，具有分析、处理、存储数据，显示测试结果和 绘制曲线的功能【l2 1 。 西华大学的杜掣”】以便携式数据采集器和传感器为硬件基础，以v b 和m a t i a b 为软件平台开发了一套车载光学设备振动测量与数据分析系统，对g 、f 2 6 5 l 陆用无谐 振峰减振装置进行了试验台低频振动试验和不同路面的道路试验，采集和保存振动信 号，并对数据进行时域和频域分析，对减振器性能提出了合理的改进建议。 在国外，丹麦b & k 公司开发的模态分析软件陋0 p e v e s ，伴随着b & k 的成功， 国外相继出现了成熟的模态分析系统，如比利时l m s 公司开发的c a d a x 系统，美国 m t s 公司开发的i d e a s 系统，美国n i 公司的数据采集软件，m + p 公司开发的 s m a r t o 伍c e ，日本黜o n 公司开发的d s p s 动态信号采集分析系统、m a s 模态分析软件 等。在国内，动态信号采集与分析软件系统也在不断地涌现，例如：d a s 1 动态信号分 析与故障诊断系统、北京东方振动与噪声技术研究所的d a s p 系统、南京航空航天大学 汽车振动性能测试系统开发 的v a m s 系统、北京波谱科技有限公司开发的v i b s y s 振动信号采集、处理和分析软 件v 1 0 2 等【i l 】。 目前信号分析技术的发展目标是：进一步提高在线实时能力；分辨力和精度的 提高；扩大和发展新的专用功能；专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉【l 】。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题获得四川省“车辆工程”重点学科和四川省高校重点“车辆工程”实验室基 金支助，以实验室现有硬件为基础，v i s u a lb a s i c 和m a t l a b 为软件平台，建立一套汽 车振动性能测试系统，主要包括信号采集和信号分析模块，既具通用性，又有一定的专 业性。 数据采集模块包括：工程标定，参数设置，单次采集，连续采集，单次采集数据保 存，连续采集自动保存，时域波形显示，显示波形参数，计算相关系数等。 信号分析模块包括：有效信号和误差信号文件导入，再现时域信号波形，显示波形 参数，信号取反，信号去多项式趋势项、平滑、滤波，相关分析，加窗，f f t 变换，时 域和频域传递率分析，功率谱密度分析，频响函数估计，相干函数等。 为了验证系统测试的可行性和准确性，该系统被应用某项目的汽车道路试验，并用 数据采集器配套的软件t 0 p v i 删2 0 0 0 进行对该系统相同功能项目进行了较验证。 1 4 本章小结 本章简单介绍了分析振动信号的背景和意义，以及国内外振动测试与信号分析技术 的发展现状，并陈述了论文的主要内容。 4 西华大学硕士学位论文 2系统开发环境及方案设计 2 1系统开发环境 本系统以v b 程序设计语言编写图形化用户界面，通过调用四川拓普u d a q l o o l 6 便携式数据采集器的底层文件，实现数据的实时采集。通过m a t r i x 实现矩阵操作， 提高运算速度。为了能实现特定功能的数据分析，本系统利用m a t l a b 强大的运算功 能和图形展示，通过c o m 组件生成器将编写m 文件生成c o m 组件，供v b 调用。 2 1 1v is u a ib a sic v i s 吼lb 丛i c 是一种由m i c m s o r 公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、以 事件驱动为机制的可视化程序设计语言。它简单易学、人机对话方便、程序运行调试方 便。利用可以创建c o m 组件，也可以通过“工程引用”外部组件，极大地丰富了 应用程序的功能。在的集成开发环境中，用户不但可以设计界面、编写代码和调试 程序，而且还能把应用程序编译成可执行文件，甚至将应用程序打包制作成安装盘，以 便能够在脱离v b 的w i n d o w s 环境中运行【1 4 】。本系统开所用的v b 版本是m i c r o s o n v i s u a lb 觞i c6 0 中文版。 2 1 2m a t l a b m a t l a b 是由m a t h w o r k s 公司开发的一种主要用于数值计算、可视化图形处 理的工具语言，是当今最优秀的科技应用软件之一【”】。它编写简单，编程效率高， 易学易懂，具有强大的数值分析、矩阵运算、数据可视化和图形图像处理等功能。 它是一个集成的用户工作空间，允许用户输入、输出数据，更重要的是提供了m 文件的集成编译和调试环境，方便用户实现特定算法。它包含了大量工具箱，包括 信号处理、图像处理、通信、控制等，为用户提供了大量方便实用的处理工具， 在线帮助文档为用户提供了实时帮助信息。m a t l 惦自带的组件生成器可以将编写 的m 文件制作成d l l 格式的c o m 组件，供调用，实现v b 与m a t l a b 的混合编 程。本系统开所用的m a l l l a b 版本是m a t l a br 2 0 1 0 a 。 2 1 3m a t rix v b m a t r i x v b 是第三方m a t h w o r l ( s 公司针对v b 提供的一个c o m 组件库。m a t r i x v b 为提供了强大的功能扩展，通过m a t r i x v b 实现了v b 与m a t l a b 的又一种混合编 程【l6 1 。m a 吨v b 函数库包含了6 0 0 多个函数，可以分为八大类：矩阵运算、信号处理、 汽车振动性能测试系统开发 图形和文件处理、最优化运算、插值与拟合、随机与统计分析、控制系统设计，极大地 方便了数值运算和图形绘制的功能。 m a n 奴v b 4 5 安装完成后，需要对m m a n 奴d u 进行注册，即在w 血d o w s 的程序附 件运行中输入r e g s v r 3 2m m a t r i x d l l ，点击确定，然后在v b 的工程中引用m m a t r i x ，即 可创建矩阵并调用其中的函数。 2 2 系统方案设计 根据测试系统的功能，测试系统分为硬件与软件两大部分。 2 2 1 硬件设计 系统开发的硬件基础是四川拓普i j l ) a q l 0 0 1 6 便携式数据采集器，它是针对振动、 冲击、现场爆破、噪声、建筑工程、桥梁、隧道等测试而专门优化设计的，用于信号记 录和分析。其外观如图2 1 所示： 叠曼罴 岱g 口9 增蠢赫，骨! l ， 黼鼍每赣：j 图2 1u d a q l 0 0 1 6 数据采集器 f i g 2 1u i ) a q l 0 0 1 6d a t aa c q u i s i 石o nu n i t 它能对传感器产生的动态、静态模拟信号进行数字转换与存储，在触发机制的保证 下对只关心的信号参数进行正确的信号记录。掉电保护功能使记录下的数据长期不丢 失，并且能够通过u s b 接口与计算机进行通信、传送数据。可连接的传感器包括速度 传感器、加速度传感器、压力传感器、应变传感器、温度传感器等。 该设备的主要硬件指标： 接口：同时具备1 个i 峪2 3 2 接口和1 个u s b 2 0 ( 兼容u s b l 1 ) 6 西华大学硕士学位论文 模拟输入通道：8 通道 采集方式：并行采集 最高采样频率：1 0 0 k s p s c h ，1 8 个档程控设置 a d 分辨率：1 6 b i t s r a m 缓存深度：3 2 k 字节c h ( 可扩至2 5 6 k 字节c h ) 输入方式：b n c 单端双极性电压输入 输入信号带宽：0 h z 5 0 l z 量程：5 0 m v 、士1 0 0 m v 、士2 5 0 m v 、士5 0 0 m v 、l v 、士2 v 、士5 v 、士1 0 v 信噪比：= 7 6 d b 该设备的三大功能模块： ( 1 ) 信号调理与转换 信号调理和采集部分实现了模拟信号的调理与a d 转换。a d 转换采用的是高精度 1 6 位模数转换芯片，其功耗低，信噪比高。 ( 2 ) 采集控制 ， 采集控制部分实现对采集的控制和数据的存储。 ( 3 ) u s b 通信 u s b 通信部分实现主机( p c ) 与设备之间通过u s b 接口进行数据交换。 2 2 2 软件设计 u d a q l 0 0 1 6 的二次开发包包含有采集卡底层支持文件，包括t d e c a p i d 1 1 ， t d e c a p i 1 i b 和t d e c d a s y s ，它们是二次开发的基础。 二次开发之前，首先应安装采集卡驱动程序，其安装过程与其他即插即用设备一样。 安装完成后，在设备管理器中检查新设备是否安装正常。待一切就绪，将采集卡底层支 持文件复制到s y s t 锄3 2 目录下。 汽车振动性能测试系统软件设计的基本流程是：打开软件，进入欢迎界面，输入密 码进入程序主界面，首先对四川拓普u d a q l 0 0 1 6 便携式数据采集器进行工程标定和参 数设置，进而对振动信号进行采集和保存。主程序界面中能在线查看振动信号的时域波 形和有关波形参数，亦能计算任意两通道的相关系数。进入信号分析界面后，不但能分 析刚采集到的振动信号，还能分析之前采集到的振动信号，且增加了误差项的处理。此 时导入的数据文件为m a t 文件或者仅t 文件。若有误差信号的导入，系统能对有效信号、 误差信号和误差后信号进行时域波形和参数的显示与保存，若有需要能将有效信号文 汽车振动性能测试系统开发 件、误差信号文件进行格式转换，将其转换为x l s 数据文件，在特殊情况下还有必要对 误差后的信号进行取反操作；若无误差信号的导入，则均是对在线采集到的振动有效信 号或离线导入的振动有效信号进行的操作。信号预处理包括去除多项式趋势项、平滑， 还有滤波和加窗，再进行双通道分析，包括f f t 变换、时域传递率和频域传递率的计算、 相关分析、功率谱分析，其中f f t 变换能进行批处理操作。系统还增加了汽车平顺性评 价的功能，以座椅位置处的加权加速度均方根值作为评价指标。详细功能如图2 2 所示。 8 西华大学硕士学位论文 图2 2 系统功能图 f i g 2 2d i a g 舳o f t h es y s t 锄f u n c t i o n 2 3t d e c a p i 应用程序接口 2 3 1t d e c a pi 动态链接厍概述 t d e c a p i 是以动态链接库的形式发布的提供二次开发的应用程序接口。动态链接 库的主要设计思想，是向用户层屏蔽物理层所带来的硬件特性。用户层关心的仅仅是一 些逻辑信息和命令，而与硬件特性无关。从用户层向物理层逐级向下延伸，实现了层次 性结构的管理。 从a p p 、t d e c a p i 动态链接库及硬件驱动的工作层次关系来看，a p p 与t o p 动态 库是工作在用户模式下，而硬件驱动是工作在内核模式下。t d e c a p i 动态链接库起到 联系上层a p p 与下层驱动的作用。系统内部层次关系如图2 3 所示。 汽车振动性能测试系统开发 图2 3 系统内部层次关系示意图 f i g 2 3 s c h 锄撕cd i a 野衄o fm eh i e r a r c h y 谢吐l i n 也es y s t e m 2 3 2t d e c a p i 主要函数及说明 ( 1 ) 两个自定义类型 采集卡系统信息变量t s y s i i l f 0 ， p r i v a t et y p et s y s i n f 0 c a r d n 啪a sd o u b l e b 勰e j ：r qa sd o u b l e c h n u ma sd o u b l e m a x s m p k g 山a sd o u b l e c l k r a t e t a b ( 17 ) a sd o u b l e r 姐g e t a b ( 7 ) a sd o u b l e e n dt y p e 用来保存采集卡的相应信息。 表示采集卡卡数 表示采集卡基频 采集卡逻辑通道数 最大采样长度 每个元素表示对应的采样频率值 每个元素表示对应的量程值 采集卡控制参数t c n l i n f 0 ，用来存储采集卡相应的采集参数。 p r i v a t et y p et c n l i l l f 0 a c q l 锄嬲d o u b l e采样长度 t r g c h 弱d o u b l e触发通道 采集卡相应的采集参数 e n d t y p e ( 2 ) 函数的申明和用法 s e t h 莉w 娥v b 描述：设置采集卡工作参数，每次采集之前都要先调用此函数进行参数设置 1 0 西华大学硕士学位论文 s y s i n j l v b 描述：打开及初始化动态库，函数返回后t s y s i i l f 0 包含系统的采集卡信息 c h e c k s t a t u s - v b描述：检测采集卡状态，o 表示采集完成 a c qv b描述：开始采集 s t o p a c q 描述：停止采集 p a c kv b描述：将通道数据送到d a t a b u f c l o s e d l l 描述：关闭动态链接库 ( 3 ) 函数调用流程 图2 4 动态链接库函数调用图 f i g 2 4 s c h 锄a t i cd i a 踟o f c a l l 啦d y n 锄i cl i i l l ( 1 i b 鞠d ，胁c t i o n 2 4 本章小结 本章简要介绍了汽车振动性能测试系统的开发环境、系统设计方案、系统的功能： 以及硬件系统元件的选择，系统的软件设计等。 汽车振动性能测试系统开发 3 汽车振动性能测试系统的软件开发 3 1软件的主要功能 软件是系统开发的核心部分。该系统最大采集通道为八通道， 数据采集与数据分析两大功能，具体内容如下： ( 1 ) 采集卡的配置功能。包括工程标定和参数设置。 ( 2 ) 数据的采集功能。采集方式包括单次采集和连续采集， 采集卡进行参数配置，并选择信号采集的通道。 主要实现振动信号的 数据采集之前需要对 ( 3 ) 时域振动信号的保存功能。数据保存的文件类型包括m a t 文件和t x t 文本文件。 其中单次采集需要在采集结束后选择数据保存类型，才能完成文件保存任务。而连续保 存可以通过连续采集自动保存选项，设置文件保存路径，选择数据保存类型，再开始信 号采集，采集结束后自动完成文件保存任务。 ( 4 ) 采集信号的图形显示及波形参数显示功能。通过勾选信号采集通道，即可在 p i c n 聪1 中显示该通道信号的时域波形。亦能通过全选切换按钮，快速查看所有通道的 时域波形，降低用户查看所有通道时域波形时的繁琐选择。单击波形参数按钮，可以查 看信号的相关信息，包括最大值、最小值、平均值、均方差、均方值、均方根值、周期 和采样频率。亦能通过旁边的单选按钮切换，以查看相应通道的波形参数。 ( 5 ) 信号采集模块中相关系数的计算功能。选择需要分析的两个通道，估算两者 的相关系数，估算结果显示在相应文本框中，为用户提供即时的参考价值。 ( 6 ) 文件的导入功能。本系统不但能导入有效信号，还能导入误差信号，增加误 差项的处理。 ( 7 ) 波形和参数的显示和保存功能。此时的波形和参数的显示与保存属于信号分 析模块。不但能对有效信号的波形和参数进行显示和保存，还能对误差信号、误差后信 号进行相关波形和参数的显示与保存。 ( 8 ) 信号的取反功能。系统只针对误差后的信号取反，保存的文件为e x c e l 文档。 ( 9 ) 振动信号文件类型的转换功能。由于保存的振动信号类型为m a t 和臼【t ，方便 了数据的查看，本系统为了使用户能够更为便捷地使用有效信号、误差信号、误差后信 号特意转换为) d s 文件类型。 ( 1 0 ) 批处理功能。该功能就所有通道的相应分析而言，主要应用于两处，是信 号波形及参数的显示和保存，二是下面提到的双通道分析项目中f f t 变换和时域传递率 的保存。 1 2 西华大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 信号预处理功能。包括去多项式趋势项、平滑。 ( 1 2 ) 滤波和加窗。滤波和加窗一方面提供显示和保存滤波器频响函数图形和窗函 数曲线图形，另一方面为f f t 变换和功率谱估计提供数据处理。 ( 1 3 ) 双通道分析功能。主要包括f f t 变换、时域传递率、频域传递率、相关分析 功率谱估计、频响函数和相干函数。其中，f f t 变换可以进行批处理，时域和频域传递 率均包括平均与未平均的数值运算，相关分析包含自相关分析与互相关分析，功率谱估 计包含自功率谱密度函数的估计和互功率谱密度函数的估计。均当输出通道与输入通道 相同时为自相关与自谱密度函数估计，否则为互相关与互谱密度函数估计。双通道分析 的结果通过两个单选按钮和一个复选框来确定波形的显示与否和文件的保存与否。 ( 1 4 ) 平顺性分析功能。针对座椅位置处的均方根值进行三相加权合成，得到加权 加速度均方根值。 3 2 软件界面 本系统主要有三个界面，分别是欢迎界面、主程序界面和信号分析界面。 3 2 1欢迎界面 欢迎界面是本系统的入口，如图3 1 所示。 西华大学交通与汽车工程学院 八通道汽车振动性能测试系统 。 ：_ ，o i ， 图3 1 欢迎界面 f i g 3 1d i a g r a mo f 廿l ee n t e 血gi i l t e r f a c e 汽车振动性能测试系统开发 3 2 2 主程序界面 主程序界面主要负责信号采集，同时也是信号分析的入口。根据软件的功能需求， 设计的主程序界面如图3 2 所示。 塑蚓塑蔓塑翻 二：翌窦苎塑生= |o ：苎! 曼：量5 | ：糟关系獭i 眵心麓噩 | _ 熏耍匾至 l 阊酮圈啊鼍誓三t l 。二- 曩蚺鞭弦 i 堂l 磊菇青 图3 2 主程序界面 d i a 粤即mo f t l l em a i l lp r o g r a mi n t e r f a c e 下面分别介绍主程序界面的所有对象： 1 1 个复选框( c h e c l ( b o x ) ：c h e c k l 用于选择是否自动保存连续采集的振动信号； c h e c k 2 用于选择数据是否保存为m a t 文件类型；c h e c k 3 用于选择数据是否保存为t ) 【t 文件类型；8 个c h e c k 4 控件数组分别对应八通道显示的时域波形曲线。 1 0 个组合框( c o m b o b o x ) ：8 个c o m b 0 1 控件数组用来显示被选中通道的八个波 形参数值：2 个c o m b 0 2 控件数组用来选择相关分析的两个通道。 1 1 个命令按钮( c o m m 锄d ) ：c o 衄趾d 1 工程标定：c o m m a i l d 2 参数设置；c o i i l 】 i l a n d 3 开始采集：c o m m 柚d 4 停止采集；c o m m 锄d 5 确定数据保存；c o m m a n d 6 全选切换按钮： c o i n m a n d 7 波形参数：c o m m a i l d 8 确定相关分析：c o m m 锄d 9 返回上一级：c o m m a n d l o 进入信号分析界面；c o 衄卸d 11 退出系统。 西华大学硕士学位论文 1 个通用对话框( c o m m o r l d i a 】0 9 1 ) ：c o m m o n d i a l o g 控件提供了一组基于w i n d o w s 的标准对话框界面，可以完成文件打开、另存为、颜色设置、字体设置、打印等操作。 此处仅用于保存数据文件。 1 个窗体( f o 肋) ：其名称为f o mm a i n ，其c a p t i o n 为“数据采集。 5 个框架( f r 锄e ) ：f 捌 1 l e l 采集卡配置、f 姗e 2 数据采集、f r a u m e 3 数据保存、f r 锄e 4 信号采集通道和时域波形及波形参数显示、f r 锄e 5 相关分析。 1 3 个标签( l a b e l ) ：l a b e l l 的c a p t i o n 为“采集次数： ，用来提示输入连续采集 的次数；l a b e l 2 的c a p t i o n 为“次”，作为连续采集次数的单位；l a b e l 3 的c a p t i o n 为 “保存数据类型：”；l a b e l 4 的c a p t i o n 为“采集状态 ；l a b e l 5 的c a p t i o n 默认为“未 知 ，当采集卡的状态发生变化时，它将做相应的改变，采集卡的三种状态分别是“等 待触发”、“正在采集 和“空闲”；l a b e l 6 ( o ) 的c a p t i o n 是“最大值( v ) ： ， l a b e l 6 ( 1 ) 的c a p t i o n 是“最小值( v ) ： ，l a b e l 6 ( 2 ) 的c a p t i o n 是“平均值( v ) ：”， l a b e l 6 ( 3 ) 的c 印t i o n 是“均方差( v ) ： ，l a b e l 6 ( 4 ) 的c a p t i o n 是“均方值( 矿2 ) ： ， l a b e l 6 ( 5 ) 的c a p t i o n 是“均方根值( v ) ： ，l a b e l 6 ( 6 ) 的c a p t i o n 是“周期( s ) ：”， l a b e l 6 ( 7 ) 的c a p t i o n 是“采样频率( h z ) ： ，这8 个l a b e l 6 控件数组共同显示了 信号的波形参数。 1 0 个单选按钮( o p t i o n b 皑o n ) ：o p t i o n l 的c a p t i o n 是“单次采集 ，o p t i o n 2 的 c a p t i o n 是“连续采集”，它们是用于选择数据采集的方式；此外，8 个o p t i o r l 3 控件数 组分别对应于八通道显示的波形参数。 1 个图形框( p i c t u r e b o x ) ：p i c 眦l 用于显示采集的振动信号。程序自动扫描将显 示的通道，画出基准线，再显示相应的时域波形曲线。 2 个文本框( t e x t b o x ) ：t e x t l 用来输入连续采集的次数，t e x t 2 用来显示两通道 相关系数的值。 1 个时钟控件( t i m e r ) ：t i m e r 控件能有规律地以一定时间间隔激发计时器时间， 以便执行相应的程序代码。当程序运行时，该控件就扫描采集卡的状态返回值，以使 l a b e l 5 显示相应的采集状态。单次采集时，显示的采集状态分别是“空闲”、“等待触 发 、“正在采集 、“空闲 ，当采集结束后，调用