（光学工程专业论文）汽车电动助力转向虚拟测试系统的研究.pdf

摘要 转向性能的好坏对于一切车辆来说都是至关重要的。汽车电动助力转向是一 种利用电动机直接为汽车转向系统提供助力的高新技术，具有传统液力助力转向 系统所不具有的低能耗、环保、高安全性等优点，代表着未来汽车动力转向技术 的发展方向。如果采用传统的硬件测量设备，不仅设备数量增加，检验工作量加 大，而且各硬件设备灵活性不强，成本也过高。因此，目前迫切需要一种方便、 快捷的e p s 系统测试仪器。论文以虚拟仪器的概念为基础，结合汽车转向系统测 试分析技术，利用图形化编程语言l a b v i e w ，在w i n d o w s 下构建了一套基于虚拟 仪器的汽车电动助力转向测试分析系统。 文中首先对虚拟仪器的概念和内容作了简要介绍；然后对电动助力转向系统 的工作原理作了详细的阐述；在完成了理论分析后，使用基于l a b v i e w 的图形化 编程语言，进行了测试系统的总体设计，介绍了系统硬件的选择和配置，以及系 统软件的设计流程和各功能模块的作用，充分考虑了数据采集系统的抗干扰技术， 并采用模拟信号对系统进行了初步验证，验证了程序设计的正确性和系统的可靠 性。 基于虚拟仪器的汽车电动助力转向测试系统采用模块化设计思想，集数据采 集、测试、存储、分析和显示功能于一体，可实现信号的f f ，i 变换、相关性、功 率谱和数字滤波等分析。测试结果表明：本虚拟测试系统操作简便、快速，运行 可靠，测试精度高，测试成本低，可维护性高，可扩充性好。 关键词：汽车电动助力转向系统；虚拟测试；l a b v i e w a b s t r a c t t h et u m i n gp e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n tf o ra l lv e h i c l e s a u t o m o b i l ee l e c t r i c p o w e rs t e e r i n g ( e p s ) i so n es u p e r i o rt e c h n i q u ew h i c hs u p p l yp o w e r t os t e e r i n gs y s t e m o fa u t o m o b i l e 、 ，i mm o t o rd i r e c t l y i th a sm a n yc o n s p i c u o u sv i r t u ew h i c ho t h e r t r a d i t i o n a li n s t r u m e n td i d n th a v e ，s u c ha sl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，h i 曲s a f e t ye t c i th a sb e c o m eo n es i g no f f u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f 1 1 i g ht e c h n i q u eo fa u t o m o b i l e i ti sn o to n l yt h en u m b e ro ft e s t i n ge q u i p m e n t sa n dt h e w o r k l o a d so ft e s t i n gw i l lb ei n c r e a s e d ，b u ta l s ot h ec o s to ft h et e s t i n gw i l lb eh i 曲e r , i f w eu s et r a d i t i o n a lh a r d w a r et e s t i n ge q u i p m e n t s s oac o n v e n i e n ta n dq u i c k l yt e s t i n g i n s t r u m e n ti sn e e d e d b a s e do nt h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n t ，c o m b i n e d 埘t l lt h e m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i st e c h n i q u e so fe p s ，a n du s i n gg r a p h i cp r o g r a m m i n g l a n g u a g el a b v i e w , t h es u b j e c tc o n s t r u c t sam e a s u r e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mo f t h e e p sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tu n d e rw i n d o w se n v k o n m e n t f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o na n dc o n t e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t ，a n d t h e nd i s c u s s e st h eg e n e r a t i o nt h e o r yo fe p sd e t a i l e d l y a f t e rf i n i s h e dt h et h e o r y a n a l y s i s ，t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no ft h es y s t e mi sd e v e l o p e d 晰t hg r a p h i cp r o g r a m m i n g l a n g u a g el a b v i e w t h e nt h eh a r d w a r es e l e c t i o na n dc o n f i g u r a t i o n , a n dt h es o f t w a r e s t r u c t u r ea n di t sm o d u l e s f u n c t i o na r ei n t r o d u c e d a tt h es a n l et i m e ，t h ef u n c t i o n so f t h es y s t e mi sv e r i f i e da n dc o r r e c t e d f i n a l l y , v e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o g r a m a n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mt h r o u g ht e s t 埘t ha n a l o gs i g n a l s t h et e s t i n ga n da n a l y t i cs y s t e mo fe p sa d o p t st h ei d e ao fm o d u l a rd e s i g na n d o f f e r st h ef u n c t i o n so fc o l l e c t i o n , m e a s u r e m e n t ，s t o r a g e ，a n a l y s i sa n dd i s p l a y t h e f u n c t i o n so ff f tt r a n s i t i o n ，c o r r e l a t i o n ，p o w e rs p e c t r u m ，e t ca r er e a l i z e di nt h e s o f t w a r e t h ev i r t u et e s t i n gs y s t e mo fe l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi nt h i sa r t i c l ei s v e r yc o n v e n i e n ta n da d v a n c e d ，h i 曲s t a b i l i z a t i o n ，h i g hp r e c i s i o n ，l o we x p e n s e f u r t h e r m o r e ，i th a sag o o dp e r f o r m a n c eo fm a i n t e n a n c ea n de x t e n d i b i l i t y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ee l e c t r o n i cp o w e rs t e e r i n g ；l a b v i e w ；v i r t u a lt e s t i n g 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。 学位论文作者虢袁节玄 嗍砷年夕月另 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 日 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：嚷节芙 日期：加哆年垆月易日 指导教师签名： 日期：功哆年垆月彦日 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：袁笮炙 日期：劢哆年垆月g 日 指导教师签名 日期：矽哆年俨月8 口 第一章绪论 第一章绪论 随着汽车行驶速度的高速化，对汽车操纵的轻便性和灵活性要求越来越高， 广泛应用的液压式动力转向系统，无论是否转向都需要消耗一定的能量，同时存 在着结构复杂、价格高、维修保养困难等缺陷，应用范围受到一定影响( 主要应 用于中、重型汽车及高级轿车上) 。而电动助力转向系统( e l e c t r i c p o w e r - a s s i s t e ds t e e r i n g ，简称e p a s ) 由于靠蓄电池提供能量，免去了液压装 置，利用电动机直接来提供助力，助力大小由微控制器( e l e c t r i cc o n t r o l l e ru n i t ， 简称e c u ) 控制，而且只有在助力时才消耗能量。它的应用能够节约燃料，提高 主动安全性，且有利于环保，可广泛应用于轻型汽车及普通轿车上，并可提高汽 车的操纵灵活性。 虚拟仪器充分发挥了计算机的作用，具有结构简单，成本低廉，一机多用， 测量精度高，用户可以自行开发软件，便于通过计算机通信网络来组建复杂的大 规模测试系统等优点。利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测量速度，系统 易扩充、易修改，使得测试系统体积小、灵活方便，效率高，成为现代测试系统 发展的主流。因此，开发一套方便、快捷、可靠的汽车电动助力转向的虚拟测试 系统具有重要的现实意义。 1 1汽车电动助力转向系统的发展与研究现状 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车 在行驶过程中能按照驾驶员的操作要求适当的改变其行驶方向，并在受到路面传 来的冲击及汽车以外的因素而偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车 的操纵稳定性和安全性。汽车转向系统是非常重要的部件，它的性能直接关系到 车辆的安全性、舒适性、灵敏性，对路况有良好的感知是转向系统追求的目标口1 。 1 9 8 8 年2 月，日本铃木公司在其c e r v o 微型轿车上首次装备电动助力转向 系统( e p a s ) ，随后还用在了其a l t o 车上。从此之后，电动助力转向技术如雨后 春笋得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国 的d e l p h i 汽车系统公司、t r w 公司，德国的z f 公司，都相继研制出各自的 e p a s 。比如：大发汽车公司在其m i r a 车上装备了e p s ，三菱汽车公司则在其 m i n i c a 车上装备了e p a s ；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装电动助力转 向；d e l p h i 汽车系统公司已经为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出e p s 。 第一章绪论 t r w 从1 9 9 8 年开始，便投入了大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。他 们最初针对客车开发出转向柱助力式e p a s ，如今小齿轮助力式e p a s 开发也已获 成功。1 9 9 9 年3 月，他们的e p s 已经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和 m a z d a 3 2 3 f 等。m e r c e d e sb e n z 和s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于开发e p s ，年产3 0 0 万套，成为全球e p a s 制造商。他们计划开发出 适用于汽车前桥负荷超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目 标。 经过2 0 几年的发展，e p s 技术日趋完善。其应用范围已经从最初的微型轿 车向更大型轿车和商用客车方向发展，本田甚至还在其a c u r a n s x 赛车上装备了 e p s 。e p s 的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形 式与功能也进一步加强。日本早期的e p s 仅仅在低速和停车时提供助力，高速时 e p a s 将停止工作。新一代的e p s 则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在 高速时提高汽车的操纵稳定性。由d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速范围 助力型，并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。 当车速大于7 0 k m h 后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速 时有合适的路感。这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发 生危险。市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更 平滑引。 相比之下，在我国电动助力转向的开发还处于初级阶段，国产电动助力转向 尚属空白，大部分文献只是介绍国外电动助力转向系统状况以及电动转向系统基 本组成和特点。吉林大学于2 0 0 0 年开始电动助力转向的研究，其它高校如清华 大学，北京理工大学，同济大学都在开展电动助力转向课题的研究，目前都已取 得了多项理论与应用成果，其中北京理工大学的循环球式电动助力转向器已申请 专利。 1 2 汽车虚拟测试技术的发展与意义 现代测试技术是指在科学技术高度发展的今天进行测试所采用的技术。与一 般的测量相比，采用现代测试技术进行测试使得可以测量的量更多，测量的范围 更广，得到的被测量的值更准确，采用的技术更先进、更复杂，可以对被测量进 行自动采集、分析和处理数据，并以人们常见的形式予以显示。测试技术与信号 处理( 简称测试) 是信息技术三大支柱( 测控技术、计算机技术和通讯技术) 之 一。特别是随着汽车电子技术的不断发展，对汽车测试技术提出了新的更高的要 求。汽车测试技术对于保证汽车整车及零部件产品的质量和性能，提高汽车产品 第一章绪论 3 的竞争力具有重要的意义。 汽车测试技术是伴随汽车工业的发展而逐渐成长起来的。自1 9 1 3 年第一条汽 车总装生产流水线建成后，劳动生产率显著提高，汽车的成本下降，产量增加， 并扩大了使用范围。从2 0 世纪初至2 0 世纪4 0 年代，由于采用了大规模生产技术 和流水生产线，产品的可靠性、寿命和性能方面的许多问题需要通过试验来解决， 汽车行业逐渐制订了相关的标准和规范，形成了具有行业特色的试验方法和试验 设备，道路试验成为汽车试验的重要方法之一，并出现了专用的汽车试验场h 。 随着汽车工业的不断发展，特别是相关科学的发展，汽车测试技术开始大量 应用电子、光学、理化与机械相结合的测试技术。进入2 0 世纪7 0 年代以来，随 着计算机技术的发展和应用，以及汽车各系统功能的不断提升和扩展，汽车测试 技术获得了巨大发展，相关的测试标准日渐完善。有限元方法( f e m ) 、虚拟仪器 ( v i ) 、仿真分析方法、虚拟显示( v r ) 技术和虚拟试验场( v p g ) 技术等在汽车测试 中得到了不同程度的应用，不仅能够预测汽车的整车性能，而且能够模拟特定的 试验工况进行试验。汽车测试技术正在向高性能、多功能、集成化和网络化方向 发展。 在以p c 为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计 来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多 种测试功能因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试 技术与计算机深层次的结合。 比起传统仪器，虚拟仪器有着不可比拟的优势，虚拟仪器的硬、软件具有开 放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，有用户定义仪器功能，并且测量输 入信号特性( 如电压、频率、上升时间等) 只需要一个量化的数据模块，要测量的 信号特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试集于一体的方法缩短了测试 的时间，从而提高了测试速度。同时嵌入式数据处理器的出现允许建立一些功能 的数学模型，使测试数据不会随时间发生变化，因此可以保证测量精度和重复性， 不需要定期进行校准。 有专家预测，未来几年内我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器，无疑，虚拟仪器 将会逐步取代传统仪器而成为主流。在汽车检测领域中，虚拟测试技术的应用也 越来越普及。如清华大学构建的汽车发动机综合性能检测系统已成功的用于发动 机出厂检测；此外，虚拟测试技术在汽车排放、电喷模块、故障诊断、车灯配置、 雨刮器电机、汽车碰撞、制动器、测功器、燃料电池解决方案、汽车后桥、电动 摇窗机、a b s 管道特性检测系统、离合器检测等方面也得到了研究和应用”。 随着社会的发展和人民生活水平的提高，全世界汽车产量逐年增加：随着中国 加入w t o 和中国有众多的人口，中国的汽车市场拥有广阔的前景：因而汽车虚拟测 4 第一章绪论 试也有很广阔的市场前景。随着各种新技术的发展，测控仪器将会向高效、高速、 高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网络化的方向发展，并且越来越大众化 和小型化。开放式数据采集标准将使虚拟仪器走上标准化、通用化、系列化和模 块化的道路。 当前e p s 已在轻型车( 轿车) 上得到应用，其性能已得到人们的普遍认可。随 着直流电机性能的改进，e p s 助力性能的提高，其应用范围将进一步拓宽，现在3 升级的运动型跑车有安装e p s 的。e p s 代表未来动力转向技术的发展方向，将作 为标准件装备到汽车上，并将在动力转向领域占据主导地位。据t r w 公司预测， 到2 0 1 0 年全世界生产的每3 辆轿车中就有1 辆装备e p s 。特别是低排放汽车( l e v ) ， 混合动力汽车( h e v ) ，燃料电池汽车( f c e v ) 、电动汽车( e v ) 四大e v 汽车将构成未来 汽车发展的主体，这给e p s 带来了更加广阔的应用前景。因此，建立一套e p s 虚 拟测试系统意义重大。 1 3 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是虚拟技术在仪器仪表领域中的 一个重要应用，它是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域 密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育的一项新成果。 1 9 8 6 年美国的国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由硬件资源、模块化仪器硬件和用 于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机 操纵的模块化一起系统。进一步说，虚拟仪器是以计算机作为一起统一的硬件平 台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能 化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起 来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时 又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统肺3 。由于仪器的专业化功能和面板 控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”或称“软 件即仪器”。 各种功能强大、越来越复杂的虚拟仪器不断涌现，促使虚拟仪器得到了高速 发展。作为共性，虚拟仪器的特点主要表现为： 1 ) 硬件接口标准化； 2 ) 硬件软件化； 3 ) 软件模块化； 4 ) 模块控件化； 第一章绪论 5 5 ) 系统集成化； 6 ) 程序设计图形化； 7 ) 计算可视化； 8 ) 硬件接口软件驱动化。 以p c 机为仪器的统一硬件平台，将测试仪器的功能和形象逼真的仪器面板控 件均形成相应的软件并以文件形式存放于机内的软件库中，同时在计算机的总线 槽内插入对应的、可实现数据交换的模块化硬件接口卡，若使库内一起测试功能、 仪器控件的软件和由接口卡输入至机内的数据，在计算机系统管理器的统一指挥 和协调下运行，便构成了一类新概念的仪器虚拟式仪器。 1 4论文研究的目的、意义、主要内容 1 4 1 论文研究目的和意义 随着计算机技术的发展和普及，尤其是便携式计算机的普及，虚拟仪器的开 发已成为当前和今后的发展趋势。强大的系统资源和良好的操作界面，以及巨大 的存储容量和各种各样的应用软件等，提供了极好的设计平台和环境。因此，本 课题基于虚拟仪器的思想，用l a b v i e w 软件和专用的数据采集设备进行汽车电动 助力转向系统的检测和分析，利用计算机丰富的软硬件资源来完成传统仪器的测 试功能。这样，不仅可以大大减少检测的工作量，降低测试系统成本，还可以提 高测试效率，适应在速度、准确度、数据分析以及现场实用性等方面日益提高的 测试要求，同时使汽车检测设备投资少，开发周期短，通用性强，易于维护。伴 随着虚拟仪器技术的不断完善，它必将在汽车性能测试领域中得到更为广泛的应 用。 本课题把虚拟仪器的概念引入到汽车电动助力转向系统测试分析中，在保证 测试数据准确的前提下，同时具有操作方便，功能齐全的特点。用户还可根据需 要对系统功能进行扩展，不仅大大降低了测试系统的成本，更增强了系统的灵活 性，因此具有重要的实际意义。 1 4 2 论文研究的主要内容 本研究的主要内容为如何充分利用虚拟仪器平台的功能控件构建一个集信 号的采集、存储、分析和处理为一体的测试分析系统，对汽车电动助力转向系各 部件的情况进行测试和分析，为进一步研究相关部件之间的因果关系奠定基础。 本课题采用模块化设计思想，在虚拟仪器软件平台一l a b v i e w 、p c i 一6 0 2 4 e 6 第一章绪论 数据采集卡和计算机的基础上，建立了一套适合于便携测试的汽车电动助力转向 系统数据采集与分析的虚拟仪器系统。在实践中探讨了l a b v i e w 软件包的使用方 法和编程方式。本系统所使用的仪器设备包括：扭矩传感器、电流传感器、数据 采集卡( p c i - - 6 0 2 4 e ) ，计算机，开发软件使用n i 公司的l a b v l e w 软件。 在本文中，首先对虚拟仪器的概念和内容作了简要介绍；然后对汽车电动助 力转向系统的工作原理作了详细的阐述；在完成了理论分析后，使用基于l a b v l e w 的图形化编程语言，进行了测试系统的总体设计，介绍了系统硬件的选择和配置， 以及系统软件的设计流程和各功能模块的作用，并进行初步验证；最后通过实际 测试验证了测试系统的可靠性。 本课题主要进行了以下研究工作： 完成硬件选择和配置：扭矩传感器、电流传感器和数据采集卡； 完成测试系统的总体方案设计； 完成测试系统硬件开发； 开发测试系统软件：利用软件l a b v i e w 编制信号采集、存储、分析处理和 结果显示程序； 进行验证性实验：利用软件设计的相应测试功能对模拟信号进行分析，主 要包括f f t 、相关性、功率谱，滤波分析，并总结测试结果。 第二章虚拟仪器技术 7 第二章虚拟仪器技术 虚拟仪器技术是二十一世纪科学技术中的核心技术之一，它包含了计算机技 术、自动控制技术、测量技术、电子技术等多方面。美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 于八十年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚 拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。 虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上是一种基于计算机的 自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融 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。 2 1虚拟仪器技术介绍 虚拟仪器是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。通过应用程序将通用计 算机和功能模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机， 完成对测试数据的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器系统中 的硬件仅仅是为了解决信号的调理和输入输出与传统的电子仪器相比，虚拟仪器 以软件取代了部分的硬件，用软件实现了数据读取、数据分析处理、数据显示等 传统仪器只能用硬件实现的功能。虚拟仪器通过友好的图形界面( 虚拟前面板) 操 作这台计算机，就像在操作自己定制的一台传统仪器一样。它以透明的方式把计 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f o 、定 时器、信号调理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现数据的分析处理、 表达。以这种方式构成的虚拟仪器系统实质是计算机仪器系统，从某种意义上来 说，“软件就是仪器。这意指，当硬件平台一f 0 接口设备与计算机确定后，编制 某种测量功能的软件就可以构成具有该种功能的测试仪器。 虚拟仪器相对传统仪器的优势是显而易见的，概括起来有一下几个方面： 传统仪器功能由仪器厂商定义，虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制造厂 商仅需提供基本的软硬件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情。 硬件是传统仪器的关键部分，而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输入输 出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软件来实现。它将所有 的仪器控制信息均集中在虚拟仪器的软件模块中，可以采用多种方式显示数 据采集、结果分析和过程控制，真正做到“界面友好，人机交互。 传统仪器图形界面小，人工读数，信息量少而且很容易出现读数误差，虚拟 8 第二章虚拟仪器技术 仪器利用计算机强大的图形用户界面( g u i ) ，计算机直接读数，使用人员可 以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分 析与处理。 传统仪器与其它仪器设备的连接受到限制，而虚拟仪器则是面向应用的系统 结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接，可利用网络进行多用户数据 共享。 传统仪器系统封闭，功能固定，虚拟仪器则是基于计算机技术的开放灵活地 功能模块，用户可自定义接口，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器， 实现自动测量。 传统仪器扩展性差，数据无法编辑，一般只能对被测对象作定性测试，虚拟 仪器则可实时地、直接地对数据进行编辑，或通过计算机总线将数据传输到 存储器或打印机，一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机 的存储能力，具有几乎无限的数据记录容量。 信号每经过一次硬件处理都会引起误差，由于虚拟仪器减少了硬件的使用， 因而减少了测量误差。 可在程序中内置多媒体操作指令，能自动生成测试运行报告，具有完整的时 间记录和测试记录，具有高品质的打印功能。 传统仪器价格高，技术更新慢( 周期约为5 1 0 年) ，开发和维护费用亦高， 虚拟仪器价格低，而且可重复利用，技术更新也快( 周期约为1 2 年) ，基 于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用口盯。 由以上分析不难看出，使用虚拟仪器可以很容易的扩充软件功能。当测量要 求变化时，可以重新配置已有仪器的硬件接口，改变软件功能就可组成新的仪器。 2 2 虚拟仪器系统组成 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由数据采集与控制、数据分析和处理、结 果显示三部分组成。对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成：对于虚拟仪器， 前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计 日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。 2 2 1 虚拟仪器的硬件系统及体系结构 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测试功能硬件。计算机硬件 平台可以是各种类型的计算机，如p c 机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机 等。计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。计算机技术 第二章虚拟仪器技术9 在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，推动着虚拟仪器 的发展。 按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器可分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准 体系结构。虽然虚拟仪器的功能是由用户自己定义的，但其所能达到的性能指标和 系统能力不仅与采集模块的数字化能力有关，而且与体系结构有关。p c d a q 的数 字化能力低于g p i b 和v x i 仪器模块，但p c - d a q 和v x i 体系结构的系统性能明显 优于g p i b 。从市面品种来看，目前g p i b 仪器有上万种，而p c d a q 和v x i 模块仅 有上千种。因此一般不考虑选用g p i b 仪器。虚拟仪器的构成方式如下图2 1 所示。 信号处理 数据采集卡 叫g p i b 接口仪器 伟g p i b 接口卡 卜 串行仪器p l c 装有v i 测 开发软 控 件的计 对 算机或 象 v x l 总线仪器 工作站 p x i 总线仪器 其他设备接口 图2 1 虚拟仪器的构成框图 f i g2 1t h es t r u c t u r eo ft h ev i r t u a ii n s t r u m e n t 虚拟仪器的发展随着计算机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： p c d a q 虚拟仪器系统 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件，完成测试任务。 它充分利用计算机的总线、系统内存、机箱、电源以及软件的便利，大大增加了 测试系统的灵活性和扩展性。具有良好的开放式软、硬件平台。其接口总线简化 了系统构成，使得系统扩充、变更更容易，构建的测试系统更灵活，系统的总体 性能优于g p i b 。并且随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号 调理技术的迅速发展。测试系统的采样速率最高已达到1 g b s ，精度更高达2 4 位， 通道数高达6 4 个，并能任意结合数字f o 、模拟i 0 、计数器定时器等通道。仪 器厂家生产了大量的测试功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串行 1 0 第二章虚拟仪器技术 数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在p c 计算机上挂接若干测试 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。但这种方 式受p c 机机箱和总线限制，且存在电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、机 箱内无屏蔽等缺点。由于插卡式仪器价格最便宜，性价比比较高，灵活性较好， 个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛。 一个好的数据采集产品不仅包括高性能、高可靠性，还应提供高性能的驱动 程序、简单易用的高层语言接口。只有这样才能为用户快速建立高可靠性的应用 系统提供最大方便。 一个典型的数据采集控制系统由四部分组成，如图2 2 所示。 图2 2 虚拟仪器构成原理框图 f i 9 2 2c o f f l d o s i n gp r i n c i p i eo ft h ev ir t u a ii n s t r u m e n t g p i b 虚拟仪器系统 g p i b 技术是e i e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测 量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台 p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。在 标准配置情况下，一块g p i b 接口卡可以带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达到 2 0 m 。g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方 式，可以很方便的把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。g p i b 测试系 统的结构和命令简单，主要市场在台式仪器市场。但是它与p c 机相连需要专用 接口以及g p i b 仪器，结构复杂，传递速率较低，逐渐被其他形式的仪器所替代。 g p i b 测试系统适合于精确度要求高，但不要求对计算机进行高速数据传输的应 用，成本也较高。 v x i 总线虚拟仪器系统 v x i 总线是v m e 总线( 一种高速计算机总线) 在仪器领域的扩展，即在v m e 总线原有的基础上扩展了一些适应仪器系统所需的总线而构成的。v x i 总线具 有小型、便携、数据传输率高、组建及使用方便等优点，具有标准开放、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、众多仪器厂家支 第二章虚拟仪器技术 持以及电磁兼容性好等特点，已经成为当今国际上测量仪器总线的主体，在世 界范围内得到了迅速的发展和推广。 p x i 总线虚拟仪器系统 p x i 总线方式是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形 成的，增加了多板同步触发总线的参考时钟。用于精确定时的星型触发总线， 可在相邻模块间使用的用于高速通讯的局部总线。p x i 具有高度可扩展性，p x i 有八个扩展槽，而台式p c i 系统只有3 4 个扩展槽，p x i 通过使用桥接技术 可扩展到2 5 6 个扩展槽，台式p c 性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展 优势结合起来，将形成未来主要的虚拟仪器平台。 并行口式虚拟仪器系统 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集 成在一个采集盒里或一个探头上，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，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、 任意波形发生器、数字万用表等。它们的最大好处是可以与笔记本电脑相连， 方便野外作业，又可与台式p c 机相连，实现台式和便携式两用。 2 2 2虚拟仪器软件系统 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件资源和软件资源，使本来由硬件实 现的功能软件化，以便最大幅度的降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。“软 件即仪器”这一口号正是基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用而提出的。虚。一 拟仪器的软件框架从低层到顶层包括三部分：v s i a 库、设备驱动程序、虚拟仪 器开发软件( 应用软件) 。 v s i a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 阳1 v s i a 即虚拟仪器软件体系结构，是v p p 系统联盟制定的i o 接口软件标准及 其相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为v s i a 库，它对于仪器驱动程序开 发者来说是一个个可调用的操作函数集。 v i s a 是随着虚拟仪器系统，特别是v x i 总线技术的发展而出现的。在v x i 总线系统中，v i s a 的作用如图2 3 所示 第二章虚拟仪器技术 i v xi 总线虚拟仪器系统应用 l 仪器驱动程序i 仪器驱动程序 虚拟仪器 软件结构 拟仪器硬件结构 图2 3v x i 虚拟仪器系统结构框图 f i 9 2 3t h es t r u c t u r eo ft h ev x iv ir t u ai i n s t r u m e n t 作为i 0 接口软件，v i s a 库一般用于编写符合v p p 规范的仪器驱动程序，执 行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程 控。其中，v x i 零槽模块与其他仪器一起构成了v x l 总线系统的硬件结构。v s i a 库作为底层i o 接口软件驻留在系统管理器计算机系统中，是实现计算机系 统与仪器之间命令与数据传输的桥梁和纽带。 与其他现存的i o 接口软件相比，v i s a 具有以下三个特点： 1 ) v i s a 的i o 控制功能适用于各种仪器类型。 2 ) v i s a 的i o 控制功能适用于各种仪器硬件接口类型。 3 ) v i s a 的i o 控制功能适用于多种网络机制。 设备驱动程序 设备驱动程序是完成对某一特定设备的控制与通信的软件程序集合，是应用 程序实现设备控制的桥梁。每个设备都有自己的驱动程序，仪器厂商以源码的形 式提供给用户。每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而 设计的。每个设备驱动程序都有一个共同的应用程序接口( a p i ) ，因此，不管虚 拟仪器所使用的计算机或者操作系统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可 移植的。 应用软件 应用软件建立在设备驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好 的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能、来完成自动测试任务。 目前，较流行的虚拟仪器软件开发环境主要有两类： 1 ) 文本式编程软件。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与v i s u a lc + + 、 第二章虚拟仪器技术 b o r l a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公司的p o w e rb u ii d e r ； 2 ) 专业图形化编程软件。如h p 公司的v e e n 制，n i 公司的l a b v i e w 和 l a b w i n d o w s c v i n 门等。与文本式编程语言相比，图形化编程语言具有编程简单、 直观、开发效率高等特点。 虚拟仪器应用软件主要有三个目的：提供一个集成的开发环境；提供一个与 仪器硬件的高级接口；提供一个与虚拟仪器用户的借口。这些都是国际上公认的 优秀的虚拟仪器开发软件平台。通过应用软件用户可方便、直观地对程序进行后 期开发。 2 3 图形化虚拟仪器开发平台一- a b v i 酬 2 3 1 l a b vie w 概述 美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器 的主要厂家有h p 公司，目前生产1 0 0 多种型号的虚拟仪器；t e k r o n i x 公司，目 前生产约8 0 多种型号的虚拟仪器；还有n i 公司生产的多种型号的虚拟产品。这 些厂家的产品在国际市场上有较强的竞争力，目前已开始进入我国市场。 l a b v i e w 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言的虚拟仪器软件开发工具，是 目前国际上应用最广泛的虚拟仪器软件平台之一，主要应用于仪器控制、数据采 集、数据显示等领域，可应用于w i n d o w s 、m a c i n t o s h 、u n i x 等多种操作系统平台。 与传统程序语言不同，l a b v i e w 采用强大的图形化语言编程，面向测试工程师而 非专业程序员，编程方便，人机交互界面直观、友好。设计者可以像搭积木一样， 轻松组建测量系统，构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的计算机代码的 编写。 g 语言是一种适合应用于任何编程任务、界面友好、直观的编程语言，采用 图形化编程方式。g 语言的典型代表l a b v i e w 是带有可扩展函数库和子程序库的 通用程序设计系统。它提供了用于g p i b 设备控制、v x i 总线控制、串行口设备控 制、数据分析、显示和存储的应用程序模块。l a b v i e w 可方便地调用w i n d o w s 动 态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；l a b v i e w 还提供了c i n ( c i n t e r f a c en o d e ) 节点，用户可以使用由c 或c + + 语言编译的程序模块，使得 l a b v i e w 成为一个开放的开发平台；l a b v i e w 还直接支持动态数据交换( d d e ) 、结 构化查询语言( a q l ) 、t c p 和u d p 网络协议等。此外，l a b v i e w 还提供了专门用于 程序开发的工具箱，用户能够很方便地设置断点，动态地执行程序以便直观形象 地观察数据的传输过程，以及调试程序。 1 4第二章虚拟仪器技术 2 3 2 l a b vi 酬的开发环境 所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器均包括程序前面板、流程图以及图表 连接器三部分u 幻。 前面板 程序前面板是图形用户界面，用于设置输入数值和观察输出量，模拟真实仪 表的前面板。这一界面上有用户输入和显示输出两类对象。在程序前面板上，输 入量被称为控制，输出量被称为显示。控制和显示是以各种图标形式出现在前面 板上，如，旋钮、开关、按钮、图表、图形等，使得前面板直观易懂。 流程图 每一个程序前面板都对应着一