（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器技术的汽车静侧翻稳定性测控系统的研究与开发.pdf

摘要 汽车最大侧倾稳定角是评价汽车静侧翻稳定性的重要指标之一。本文设计的汽车静侧翻稳定 性测控系统提升了以前靠人工观察、记录横向静侧翻试验台的科技含量( 包括检测精度和自动化 程度) 。通过检测汽车在空载、静态状态下的最大侧翻角来评价汽车的稳定性 本课题采用虚拟仪器技术，实现了静侧翻试验台的计算机自动检测和实时控制，该系统包括 车轮外侧法向支反力检测、侧倾稳定角检测和翻转自动控制等功能模块组成。软件使用a c t i v e x 技 术实现了w o r d 和w i n d o w sm e d i ap l a y e r 的a c t i v e x 控件的调用。论文涉及测控系统的总体设计、 硬件集成方案设计和软件各模块的设计，以及软、硬件技术的论述。经过试验证明，试验台测控 系统成功的完成了系统预定的各种功能，并能保障倾翻试验台科学、精确、安全的运行。 关键宇：倾翻试验台、虚拟仪器、测控、a c t i v e x 、数据库 a b s t r a c t t h em a xs t e a d y s t a t er o l la n g l ei so n eo fm a n yi n d e x e st oj u d g et h es t a b i l i t yo fr o l ls t e a d y s t a t eo f a u t o s t h et e s t i n gs y s t e md e s i g n e db yt h i sp a p e ru p g r a d e st e c h n o l o g i c a lc o n t e n to ft e s t - b e dw h i c hi s o b s e r v e da n dn o t e dt r a d i t i o n a l l yb yp e o p l e t h ea u t o m o b i l es t a b i l i t yi sa p p r a i s e db yt e s t i n gt h em a xr o l l a n g l ei nt h ec o n d i t i o no fe m p t yl o a da n ds t a t i cs t a t e t h i sp r o j e c ta p p l i e sv i r t u a li n s t r u m e n tt oa c c o m p l i s ha u t o - t e s t i n gb yc o m p u t e ra n dr e a l - - t i m ec o n t r o l o fs t a t i cr o l ls t e a d yo fa u t o m o b i l e t h es y s t e mc o n s i s t so ff u n c t i o nm o d u l e sa b o u tt e s t i n go fw h e e l s o u t e rs i d eo fv e r t i c a lf o r c e s 、t e s t i n go ft h es t a t i cr o l la n g l ea n da u t o m o b i l eo fr o l l i n ge t e f u n c t i o n so f w o r da n dw i n d o w sm e d i a p l a y e ra c t i v e ) ( a r ea c h i e v e di ns y s t e ms o f t w a r eb yu s i n ga c t i v e xt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri sr e l a t e dt ot h eo v e r a l ld e s i g nt e s t i n gs y s t e m ，h a r d w a r ei n t e g r a t i o nd e s i g n ，s o f t w a r em o d u l e d e s i g na n dd i s s e r t a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g yp r o v e db yt e s t i n g ，t h et e s t i n gs y s t e mh a s a c c o m p l i s h e da l lk i n d so ff u n c t i o n sp r e a r r a n g e ds u c c e s s f u l l ya n de n s u r e dt h et e s t b e dt or u ns c i e n t i f i c a l l y , a c c u r a t e l ya n ds a f e l y k e yw o r d s ：r o l lt e s t - b e d ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，t e s t ，a c t i v e x ，d a t a b a s e 独创性声明 y9 3 8 1 6 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 音1 愆母i 时间：沙d )年弘月知日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：司毛剐 时间：山口易年孕月d 日 导师签名： 时间：c k 6 年f 月名日 1 1 研究背景 1 1 1 现代测试技术发展状况 第一章绪论 测试是人类认识客观世界的手段，是科学研究的基本方法。科学的基本目的在于客观的描述 自然界。科学探索需要测试技术，用准确而简明的定量关系和数学语言米表述科学规律和理论也 需要测试技术，检验科学理论和规律的正确性同样需要测试技术。可以认为精确的测试是科学的 根基。 测试技术的应用范围 现代测试技术受到各行业，特别是军事领域的强有利的需求牵引，尤其是近些年来，现代测试 技术和现代测试系统飞速发展。总的来说现代测试技术主要应用于如下场台： 1 高速、高效率的功能、性能测试。对于那些大批量生产并且测试项目多而且复杂的电子产 品，以往的人工手动测试已经不能适应，采用自动测试系统是非常必要的。 2 快速检测、诊断维护。提高装备的机动性。特别是现代军事武器系统都是十分复杂的系 统。如飞机起飞前后，导弹、鱼雷等在发射前，都需要快速检测与诊断，遇有故障应快速准确的 定位和排除。因此掌握先进的现代检测技术是非常必要的。 3 高档复杂设备的综合检测及过程监控。最先进的飞机系统及其子系统在其生产和装配过程 中，自动测试系统用来对每个系统的生产装配过程都进行测试和过程监控，实施协调和管理。由 于其环境试验是一项困难、费时、费力的任务。这类测试任务也必须应用自动测试技术 测试系统的发展概况 自动测试系统经历了从专用型向通用型发展的过程。大致可分为三个阶段： 1 第一代自动测试系统专用型 早期的自动测试系统多为专用系统，检测对象多是针对具体测试任务。它主要用于测试工作 量大的重复测试，或者可靠性高的复杂测试，或者要求测试速度快，能在短时间内完成的测试。 第一代自动测试系统是基于计算机总线技术和单片机与嵌入式系统应用技术。它是从人工测 试向自动测试迈出的重要一步，无论是测试速度和效率，还是功能、性能都明显优与人工测试。 但其缺点也比较明显，接口及标准化方面尤为突出。在组建比较复杂系统时，开发工作量大，时 间长，成本提高，因为它是针对特定的被测对象研制，当需要改变测试内容其接口不具备通用性， 复用性，互换性。 2 第二代自动测试系统台式仪器积木型 第二代自动测试系统是在标准接口总线g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，在美国也称 为i e e e 4 8 8 h p i b 在欧洲。日本称之为i e c6 2 5 。) 基础上以积木方式组建的系统。这种系统中 的各个设备均为台式改备并都配有符合标准的接口电路。由于其积木式特点，使得系统更改、增 加测试的内容方便灵活，资源的复用性，通用性，互换性大大提高。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 其缺点主要表现为： ( i ) 总线的传输速率低。 ( 2 ) 由于系统是由许多独立的台式仪器用g p i b 电缆串接而成。使得系统在体积、重量方面 难以达到很高的要求。 3 第三代自动测试系统模块化仪器集成型 第三代自动测试系统是基于v x i 、p x i 等测试总线，主要由模块化的仪器设备组成的自动测 试系统。v x i ( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线v m e ( v e r s am o d u l ee u r o c a r db u s ) 计算机总线向仪器n 试领域的扩展，传输速率达到4 0 m b s 。p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线向仪器测试领域的 扩展。传输速率高达1 3 2 2 6 4 毋s 。这种系统组建是以这两种总线为基础，仪器、设各或嵌入计 算机均以v x i ( 或p x i ) 总线插卡的形式出现仪器的显示面板及操作用用统一的软面板的形式 来实现。 第三代自动测试系统具有传输速率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻。系统组建灵活，扩 展容易，资源复用性好，标准化程度高等众多优点。是各领域中先进的自动测试系统的尤其是军 用自动测试系统的主流组建方案。”3 1 1 2 虚拟仪器技术发展状况 现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科紧密结合的产物。随着微电子技术、计算机 技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构 不断山现，在许多方面己经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。 在此背景下，1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n i ) 提出了虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e r i t ，v i ) 的概念。即以计算机为控制中心，将各种测试仪器的功能和形象的仪器面 板以文件的形式存放在计算机的“仪器库”中，通过软件的形式表现出其原有的功能和形象，同 时辅以相应的硬件接口设备，最终形成新一代全新概念的电子仪器设备虚拟式仪器。传统仪 器中，仪器功能是用仪器箱内的硬件来实现的，仪器的功能相对比较固定。虚拟仪器的出现成功 的突破了这种由仪器制造商决定的“硬件固定”的模式。在应用同一硬件资源下，通过运行不同 的软件模块，可以实现不同仪器的功能，仪器的功能被部分地( 或全部) “软化”，软件成了核心 地问题。由于仪器地功能更多地、直接地体现在软件方面，因此有了“软件就是仪器”的说法。”j 虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器，组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能， 最终达到取代传统电子仪器的目的。”。 目前虚拟仪器根据数据采集和控制中采用的接口总线的不同，可分为p c 插卡、g p i b 、v x i 或 p x i 四种结构，根据计算机的并行接口、串行接口( r s 2 3 2 r s 4 8 5 等) 也可构成虚拟仪器硬件平台。 利用计算机的网络接口或不同形式的现场总线接口，还可以构成分布式或网络环境下的虚拟仪器。 虚拟仪器是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术，娃检测技术走向信息化和集成化的重 耍标志。 2 = = 虹玉垂垂里茎) = 剖数据、图像采集卡两 用厂夼 刮g p l b 接口仪器 刮里! ! 呈堡旦辟 p c 机 测 信号 或工 控 采集 = 刮v 仪器系统 作站 h ( 装 对 ， = 圳p 仪器系统 爿 数据 有虚 拟仪 象 处理 器开 = 刮 串口仪器系统p l c发软 件) r 4 现士匆总线( c a n b u s ) i 茛备 v - - - 图l 一1 虚拟仪器系统基本构成框图 如图卜1 所示。从图中我们可以看出，现代计算机技术及模块化仪器技术，已为虚拟仪器提 供了极为广阔的多种硬件平台和实现虚拟仪器软件的环境。在四种常用的结果中： 1 p c 插卡式虚拟仪器由插入计算机的数据采集卡和仪器软件相配合完成仪器功能或测试任 务。这类仪器受计算机机箱、总线、电源、插槽尺寸及数目等诸多限制，并且机箱内无屏蔽，因 此在使用上会受到很大的限制，通常只能用作教学和实验室仪器、便携式检测仪等。 2 g p i b 总线虚拟仪器通过可程控仪器的通用接口总线g p i b ，将计算机与若干台g p i b 台式仪 器以积木方式连接而成，用计算机实现对仪器的操作与控制。这类系统组建灵活、台式仪器可重 复使用，使用于高精度但对高速数据传输要求不高的各类测试系统。 3 v x i 总线虚拟仪器将仪器与仪器、仪器与计算机在高速的并行总线的基础上更紧密的连接 起来，综合了卡式仪器和台式仪器的优点，代表了今后仪器系统的发展方向。v x i 总线具有模块化 开放式结构、即插即用；结构紧凑、数据吞吐能力强、定时同步精确、模块品种多、可重复利用 等优点，适合组建大、中型规模的自动测试系统，和对速度、精度要求高的场台。但这种系统的 造价较高，其应用也只是在军事领域的应用较多。 4 p x i 总线虚拟仪器平台是在c o m p a c t p c i 总线基础上，吸收了v x i 总线的一些优点和设计思 想行程的。它是p c i 总线面向仪器领域的扩展，其目的是吸取台式p c 机的高性价比和v x i 总线好 性能模块的优点形成的新一类的虚拟仪器平台。”1 虚拟仪器的主要组成与结构可以大致为三大部分：1 信号采集( 数据采集和图像采集) ；2 分 析与处理；3 用户界面。三个组成部分最终都要在p c 机上得以实现。在软件结构上相应的分为 应用层、数据层、处理层。 虚拟仪器的最大特点在于由用户而不是由生产厂家定义仪器的功能，其灵活性与高性能直接 得益于日益发展的数字化技术和计算机技术。 与传统仪器相比，虚拟仪器有以一f 几个特点： 功能由用户自己定义 面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用等连接 展开全汉化图形界面、计算机接读数、分析处理 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 数据可编辑、存储、打印 软件是关键部分，基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器 成本低廉( 是传统仪器价格的五至十分之一) 技术升级更新快( 周期为1 2 年) 基于软件体系的结构，大大节省开发维护成本 测量精度高，测量范围宽并且性能稳定，可靠性高 智能程度高，具有i h 学习和决策能办 虚拟仪器的发展方向：网络技术在我们的现实生活中随处可见，网络化和信息化不断提高， 网络技术和信息技术在虚拟仪器中的应用是虚拟仪器发展的大趋势。将虚拟仪器、外部设备、被 测试点以及数据库等资源纳入网络，i 实现资源共享，共同完成测试任务。网络化的虚拟仪器技术 的出现，使我们可在任何地点、任意时刻实现异地或远程控制、数据采集、故障监测等。 1 1 3 汽车倾翻试验台的发展状况 最大侧倾稳定角是评价汽车静侧翻稳定性的指标。5 】在侧翻试验台上，倾斜汽车- s z j 车轮支 承平面法向反力至零时的侧翻角，叫做最大侧倾稳定角。测定汽车最大侧倾稳定角的方法有两种： 一是通过试验直接测定最大侧倾稳定角；一是测定质心高度、轮距等数据，计算出最大侧倾稳定 角( 称之为理论最大侧倾稳定角) 。理论值与实际值差别较大，其主要原因是：侧倾中心实际与假 想不能一致，悬架和轮胎等变形因素在计算时难以确定，质心测量精度也有影响。故大多采用试 验的方法。 以上两种方法在国际上均比较流行，但随着汽车：e 业的发展，人们对安全性要求也越来越严， 据美国公路安全局( n h t s a ) 的统计数据表明，在所有交通事故中，汽车侧翻事故的危害程度仅次 于汽车碰撞事故，居第二位。”1 不少国家为此而建立试验台，通过试验测量出最大侧倾稳定角值。 例如：美国在阿伯丁试验场建有侧翻试验台；日本的t a 一2 0 0 l 试验台设计也比较先进；比利时、 意大利等也有专用设备，我国近年来也有引进国外试验设备，也有自己研制试验台的。 另外，在制定标准过程中，有人认为该角度的定义应仿照日本有关规定，即在侧翻试验台上， 汽车一侧车轮支承平面法向反力为零或汽车在试验台平面上产生侧滑时的侧倾角。由于试验台平 面附着性能的影响，侧滑时的侧倾角随之而变化，加之日本有的试验规定车辆不得产生侧滑，因 此专门设计了防侧滑挡块。所以标准最后规定最大侧倾稳定角( 最小侧翻角) 的定义为，在侧翻试 验台上，汽车一侧车轮支承平面法向反力为零时的侧倾角。 目前我国的倾翻试验台大多自动化程度不高、试验条件相对比较落后。所以根据g b t1 4 1 7 2 汽车静侧翻稳定性试验方法，设计一套建立在虚拟仪器技术上的汽车静侧翻稳定性测试系统 是非常必要的。由原来的手工测量改为计算机自动测量提高检测精度；侧翻控制由原来的手工控 制改为计算机自动控制，大大提高了自动化程度，减少了试验人员的参与，降低了试验人员和车 辆危险因素，并且对汽车静侧翻试验台进行实时监控、分析并反馈大量的测试数据是非常符合现 实需要的。 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 研究的目的和意义 多年来，轿车和轻型货车的侧翻事故已经引起了车辆设计者和事故研究者们的注意。美国儿 乎每年有将近1 0 ，0 0 0 人死于侧翻事故，按照注册车辆的死亡事故率统计。车辆侧翻事故己上升 为仅次于撞车事故居第二位。美国国家事故抽样部门( n a s s ) 1 9 9 9 年统计数据，侧翻事故包括轿 车有1 3 7 ，5 0 0 辆，其中单车侧翻有1 2 4 ，8 0 0 辆，而绝大多数约1 1 4 ，8 0 0 辆侧翻于越野。1 9 9 9 年 死亡事故报告部门( f a s ) 统计数据有1 5 ，9 0 1 人在单车事故中死亡，其中因侧翻事故死亡的有8 ， 0 8 8 人( 5 1 ) 。 我国到2 0 0 0 年底公路总里程已达到1 4 0 万公里，高速公路里程已达到1 6 万公里，载重汽车 的使用逐渐普及。但随着我国道路等级的提高，汽车载荷及牵引质量的加大，使2 0 0 0 年成为我国 载重汽车发生倾翻事故的多发年。”。 由此可以看出根据g b t1 4 1 7 2 9 3 汽车静侧翻稳定性台架试验方法而设计的倾翻试验台对 于提高车辆的本身的设计、减少交通事故都是非常必要的。但目前我国的倾翻试验台大多自动化 程度不高、试验条件相对比较落后。 鉴于上述隋况，设计一套建立在虚拟仪器技术上的汽车静侧翻稳定性测试系统。由原来的手 工测量改为计算机自动测量提高检测精度；侧翻控制由原来的手工控制改为计算机自动控制，提 高自动化程度，并且对汽车静侧翻试验台进行实时监控、分析并反馈大量的测试数据是非常符台 现实需要的。本课题正是基于此而提出的。 设计一套建立在虚拟仪器技术上的汽车静侧翻稳定性测试系统。实现了对侧翻试验台自动测 量和计算机自动控制，。极大程度上减少了人工参与的环节，对检测数据进行自动分析、处理，同 时对照国家标准形成完整的一套检测报告。该系统的软件运行在w i n d o w s 2 0 0 0 x p 下，能够实现高 速实时的数据采集、处理、存储和显示。同时具有直观的动画仿真功能，可跟踪模拟车辆的翻转， 也可根据数据回放车辆的翻转过程。整体达到国际先进水平或领先水平，成为我国汽车、农业机 械检测的标志试验台。 1 3 课题的主要研究内容 汽车静侧翻稳定性测试的主要测试任务为：倾翻角和汽车外侧车轮的支反力，并且实时动态 绘制支承反力随时间的变化曲线、侧翻角度随时间的变化曲线，试验完成后绘出支承反力随侧翻 角度的变化曲线。 试验台的倾翻由手动、遥控和自动三路控制，手动、遥控优先。检测时，由计算机程控启动， 当达到最大侧翻角度时，计算机控制液压系统自动停e 侧翻，并根据需要可自动回位。 整个测试系统的设计应以计算机控制为核心，最大减少人为参与，形成一套集自动测量、过 程监控、数据分析、数据处理、报表打印以及动画跟踪仿真等功能于一体的全自动测试系统。 主要的研究内容是设计并开发一套基于虚拟仪器技术的计算机自动测试系统，依据g b t 1 4 17 2 9 3 汽车静侧翻稳定性台架试验方法。对汽车静侧翻稳定性的各方面性能参数进行实时测 量并对整个测试过程进行自动控制和动画仿真监控。具体功能如下： 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 过程监测与控制 ( 1 ) 以数据显示和动态曲线图表等形式实时记录、显示全部过程量。包括侧倾角、汽车外侧 车轮的支反力等性能参数。 ( 2 ) 根据试验的顺序过程采用计算机自动控制试验台的启动、停止、下降。同时设计手动按 钮和无线遥控控制试验台的启动、停止、下降，并可以在手动、遥控和自动之间切换。 2 系统管理 ( 1 ) 记录、存储的当前试验车辆的车辆信息和检测到的数据参量，并具备根据保存的车辆信 息进行历史查询功能和根据历史数据进行动画模拟仿真便于在办公室直观显示。 ( 2 ) 可生成w o r d 形式的试验报告，或查询历史数据生成w o r d 形式的试验报告，存档或打印 各项车辆信息、检测数据及相关曲线。 3 参数设置 ( 1 ) 在参数设置模块中可实现对角度通讯仪表、和称重传感器进行标定和串口调试工具。 4 多媒体演示系统 ( 1 ) 以动画方式仿真试验台的倾翻过程，可跟踪模拟车辆的翻转，也可根据实验数据回放车 辆的翻转过程，具有逼真效果。 6 第二章测控系统的总体方案设计 2 1 测控系统的总体方案设计 2 1 1 现代测控系统的一般功能和特点 本论文中所讨论的计算机测控系统，是以工业控制p c 机为主体，加上检测装置、执行机构， 与被检测控制的对象( 生产过程或测试过程) 共同构成的整体，图2 - 1 示出了一个典型的以计算 机为核心的现代测控系统。该系统应具备下述三方面功能： 图2 - 1 测控系统框图 ( 1 ) 采集与处理功能：主要是在测试过程( 或生产过程) 中对需要检测的参数进行采样和d a 、 滤波、a o 等的预处理，并按照一定的形式输出( 如打印制表和c r t 屏幕显示) ，为我们提供详实 的数据，以便于我们分析、控制、监视测试过程，以便更好的了解生产、测试情况的进行。 ( 2 ) 监督功能：根据实际生产过程的需要及生产、测试进程的情况，进行工况分析、故障诊 断、险情预测等，将过程或结果以图、文的形式输出，并依照其做出操作指导、事故报警等。监 督系统的输出一般都不直接作用于生产、测试过程，而是经过操作人员的判断后在由操作人员以 反馈给生产、测试过程进行干预。随后将人工输入的数据、检测的实时数据等信息进行分析、归 纳、整理、计算等二次加工，并制成实时和历史数据库加以存储。 ( 3 ) 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章测控系统的总体方案设计 接作用于生产过程。 完整的计算机测控系统是上述三种功能的综台集成，它利用计算机高速度、大容量和智能化 的特点，可以把一个复杂的生产过程组织管理成为一个综合、完整、高效的自动化整体。当然， 在实际使用中，可以根据实际对象的需求情况，系统只具有上述一项或两项功能：或是以某一项 为主，而辅以其他的功能。这样可以更针对实际应用的需要，以降低成本，减少复杂性，增强可 维护性。 典型的计算机测控系统应具有以下特点： 1 、实时性 计算机测控系统是一种实时计算机系统，实时f 生是它区别于普通( 通用) 计算机系统的关键 特点，也是衡量计算机测控系统的一个重要指标。实时性有下述几层含义： 首先，是系统对外界刺激( 事件) 及时做出相应的能力，即系统能在多少时间内响应外部时 间的发生。这一涵义常用“系统响应时间”来衡量。 其次，系统在所要求的时间内完成规定的任务的能力。 最后，实时是与分时相应的。 2 、可靠性 计算机测控系统的可靠性是指系统无故障运行的能力。：c 业生产在连续运行，计算机系统也 必须同步连续运行，对过程进行监测和控制。即使系统由于其它原因出现故障错误，计算机系统 仍能做出实时响应并记录完整的数据。可靠性常用“平均无故障运行时间”，即平均的故障问隔时 间m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 来定量的衡量。 3 、可维护性 可维护性是指进行维护工作时的方便快捷程度。计算机测控系统的故障会影响工业生产过程 的正常操作，有时会大面积的影响生产过程的进行，甚至使整个生产瘫痪。因此，方便的维护测 控系统的正常运行，在最短时间内排除它的故障成为计算机测控系统的一个重要特点。 4 、过程量、性能参数采集及输出 测控系统的一个突出的特点是具有强大的i o 功能，即大量的现场信息要直接从工业现场采 集并送入汁算机中。从当前已有的应用来看，有两大类信息： 数据信息模拟量输入( a i ) 、开关量输入( s i ) 、脉冲量输入( p i ) 图像信息 5 、人机交互 在计算机测控系统中，人机交互的方式比较丰富。特别是在复杂、大型、综合、连续的生产、 测试过程，操作人员要在短时间内接受多个信息，进行分析判断，完成有关操作，因此要求测控 系统具有多种而不是单一的人机交互方式。除常规的键盘、鼠标、c r t 显示器外，通常还有触摸屏、 专用键盘、大屏幕显示、语音。 6 、通信功能 这里所说的通信，主要是指在测控系统中，计算机与计算机之间、相同类型或不同类型总线 之间以及计算机网络之间的信息传输。在实际应用中，往往有多种类型的多台监测控制计算机在 一起联合： ：作，这时就需要在计算机之间进行通讯，实时、可靠的传递信息。特别在分级计算机 监测控制系统、分布式计算机计算机监测控制系统中，通信是非常重要的问题。 r 中国农业大学硕士学位论文 第二章测控系统的总体方案设计 7 、信息处理和控制算法 在设计计算机监测控制系统中，信息处理和控制算法的设计、开发、调试是最为核心的内容， 也是最花费时间的工作，它占据了开发调试的大部分工作量。信息处理和控制算法主要是软件工 作，这些软件的开发编制除了和采用的操作系统、软件开发工具有关外，还和硬件( 特别是接口 部件) 以及生产工艺要求有密切关系。正因为如此，监测控制系统的软件开发往往难度更大，它 要求开发设计人员具有更全面和广泛的知识。 2 1 2 现代测控系统设计的基本要求 对不同的应用对象有不同的具体要求，但对大多数监测控制系统的设计来说，运行上可靠、 技术上先进、使用上方便、应用上灵活、时间上节省，经济上合理是共同的基本要求。 1 、运行可靠 这是最基本也是最重要的要求。这首先是由于计算机监测控制系统的运行环境一般都相对恶 劣，能否适应这种环境是系统不可避免要面临的考验：其次，计算机监测控制系统往往负担着重 要的任务，它一旦出现故障，将造成整个被监控过程盼混乱，引起严重的后果，由此造成的经济 损失往往远非计算机监测控制系统本身的造价所能比拟。所以，能否确保长期可靠的运行成为计 算机测控系统中首要考虑的问题。 2 、技术先进 计算机监测控制是一个综合性、交叉性强的技术领域，它综合了计算机、自动控制、信息处理 和通信、检测技术和仪表以及生产过程和管理方面的知识，其技术先进性概括起来说体现在硬件 设备、软件平台和工具、信息处理耵i 控制策略这三方面。 3 、使用方便 这包括三方面：其一是操作方便，尽可能降低对操作人员的专业技术知识的要求。其二是排 错上方便，硬件的排列和安装合理，配有明显的指示或信号显示，并具有查错、诊断、故障报警 功能，在故障出现时能及时对它定位并排除。其三是维护上方便，尽量采用标准零部件，便于硬 件的更换。 4 、应用灵活 一个优良的计算机监测控制系统应当适于不同的设备和不同的控制对象，即应当具有良好的通 用性，能灵活的扩充、修改和升级。当应用对象不同时( 例如生产：i ：艺要求有改变，或系统应用 于另一种完全不样的生产过程) ，只需在基本系统中作适当的改动，增减某些硬软件模块，便可 满足对象的要求。为此，在系统的总线结构、通讯规程上要标准化，采用国际国内的统一标准和 规范：设计指标要留有余地，如输入输出通道不应用满。软件的设计也应规范化、模块化。模块 要易于连接和组织。 5 、时间节省 这里主要是指设计( 准确地说还应包括生产、安装、调试、投运等环节) 的时间应尽量短。一 方面可以以更快的迷度满足用户的要求，更快的产生经济效益，这在市场竞争的环境下尤为重要： 另一方面，计算机硬软件的技术发展十分迅速，更新换代很快，而其价格又呈下降趋势，要保持 性能价格比高的优势，时间是一个重要的因素。第三，尽量缩短设计周期，可以降低整个系统的 中国农业大学硕士学位论文第二章测控系统的总体方案设计 开发费用。 6 、经济合理 这是一个综合性很强的内容，应当进行全面的经济技术权衡。而这又与具体的应用对象有密切 的关系，应当根据应用对象的要求和当前的市场情况进行具体的分析。一般来说，可靠方便、价 廉是用户方面最起码和最重视的内容，而先进、灵活、节省是设计人员方面跟多考虑的内容。巧 妙的将这两方面、六项内容结合起来是设计一个良好的计算机监测控制系统的关键。 2 1 3 现代测控系统硬件组成。3 现代测试系统的硬件组成主要包括：测试控制器、激励资源、开关系统与测试信号接口装置。 测试控制器实现自动测试系统中各种激励资源、检测资源和开关系统的配置，并决定其工作方式、 状态、功能和参数，控制测试信号的通道选择与切换。测试系统与被测单元的信号交联则是通过 信号接口装置实现。其硬件组成结构如图2 2 所示 自 动 测 试 系 统 图2 2 自动测试系统硬件组成结构框图 1 测试控制器 测试控制器是测控系统的核心。测试软件在测试控制器上运行，实现对测试过程的控制。根 据测试任务需要，测试控制器可选用通用微型计算机、高性能工作站或专业计算机，同时配备必 要的磁盘驱动器、c r t 显示器、键盘、打印机等外部设备。 2 测试仪器资源 测试仪器资源包括：信号检测资源，激励资源、电源系统和模拟负载。 信号检测资源由各种程控测试测量仪器组成，用于采集各种测试信号。如示波器。频谱分析 仪。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章测控系统的总体方案设计 激励资源为被测单元工作提供必要的测试激励信号。如函数发生器、d a 转换器。 电源系统为被测单元工作提供各种交直流电源。 模拟负载是为被测单元提供相应的负载效应，模拟被测单元实际的运行环境。 3 开关系统 开关系统在测试系统中实现被测单元接口和测试资源间的连接与通道切换。借助开关系统， 自动测试系统设计者可以充分利用有限的测试资源满足被测单元测试信号完备行要求，降低挂个 测试系统的成本。 4 信号接口装置 由于被测设备的输入输出接口类型和信号定义各式各样，要实现自动测试设备与被测单元问 的规范、快速物理连接，必须经过信号接口装置。 2 i 4 现代测控系统软件组成。 测试系统软件的发展历程与自动测试酷备发展历程大致相似，大致可分为四个阶段，即根据 各个仪器自己独有的命令集和语言而编写的专用的测试软件。 8 0 年代，采用程控仪器标准命令语言和一些简单的开发环境生成的办标准化的测试软件； 9 0 年代，进入到采用v x i 即插即用标准的准通用化软件时代，能够在仪器的使用上实现即插 即用但在系统方面满足不了通用化的要求： 2 i 世纪，发展到采用通用测试软件框架、测试需求的图形化表示与执行、测试程序的自动生 成，以及采用标准化的测试语言( 如a t l a s 、c c + + ) 等，生成通用性强、可以进行系统重构的测 试软件系统。 测试软件描述了千差万别的测试需求，代表了针对各个领域、各个类型的被测对象的测试应 用。因此，其标准化的历程也是漫长而艰难的。 1 测试软件的分类 根据测试软件的特点，测试软件的组成有以下的划分方法。 按照测试软件的设计分为三个层次：定义构成摧个系统功能的组件之间的关系的体系结构层； 定义组成组件的算法和数据结构的代码层；由机器代码定义的硬件支持的存储映射，数据布局、 调用栈和寄存器等表示的执行层。 按照使用层次划分，测试软件分为系统软件、应用软件和工具软件。 按照测试系统设备集成方法划分，测试软件分为通用测试软件、专用测试软件。 2 自动测试系统组成 虚拟仪器应用在测试系统中，还需要很多的系统没计和软件开发： 作。一个典型的测试系统， 其组成包括计算机硬件、测试仪器硬件、操作系统、开发平台工具、v i s a 库、仪器驱动器和通用 测试软件框架平台，最后是v x i 系统的集成应用软件，组成一套完整的从底层到顶层的纵向结构。 自动系统组成框图如图2 - - 3 所示 中国农业大学硕士学位论文第二章测控系统的总体方案设计 l _ 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 3 自动系统组成框图 自动测试系统应用程序大多都是专用的应用程序。这些专用应用程序开发成本高、开发周期 长、专用性强、灵活性差、重复利用率低。而自动测试系统应用程序大多都是由测试系统开发人 员开发的，他们一般都不是专业的软件开发人员，因此测试程序在可靠性和可维护性，都大大降 低。开发的测试软件通常很少考虑扩展性以及通用性。由此可见，测试系统的发展必须要走通用 化、模块化和系列化的道路。“虚拟测试系统”的概念由此提出。 “虚拟测试系统”，即“软件就是通用测试平台系统”。由软件平台隔离测试系统硬件、底层 驱动软件与系统用户之间的直接联系，建立起一个抽象层，由通用平台提供一个通用测试的构成 和定义。因此“虚拟测试系统”能够满足不同被测信号之间、不同被测设备之间、不同被测系统 之间的重构和通用问题，即满足通用化、系列化、模块化的要求。 测试系统软件内部的层次关系如2 4 图 图z 一4 测试系统软件内部的层次关系 自动测试软件的物理层，提供对系统硬件、测试仪器、开关组合的直接驱动；抽象层，建立 的是一个抽象的模型，定义了数据层的数据与物理层的设备之间的接口关系；数据层，由抽象层 概况出的系统物理设备的数据；应用层，即用户操作层。其中抽象层和数据层可以按纵向划分为 v i s a 管理层、测试资源层、用户管理层。虚拟仪器技术的出现使自动测试系统结构从传统的机架 1 2 层迭式结构发展成为模块式结构。 2 2 静侧翻稳定性试验台的总体设计 2 2 1 静侧翻稳定性试验台测控系统的工艺流程 l - 测控系统的工艺流程 整个倾翻试验台结构如图4 5 中动画所示，它由试验台和液压油缸组成。在试验台面上放置 两个可移动的测试台秤和两个支撑平台。由于试验测试对象多为重量庞大的汽车或拖拉机，为保 证其在倾翻过程中的安全性，试验开始前应做好相应的准备工作，其大致如下： 1 根据试验对象四个车轮的位置摆放好测试台秤和支持平台，测试平台放置在车辆外测的两 个车轮下，支持台秤则放置在车辆内侧两个车轮下起支撑并使车辆在试验开始前保持水平； 2 防止车辆在倾翻过程发生侧滑，影响检测参数的准确性，可采用在支撑平台上安装防侧滑 挡块的方法，挡块高度不大于3 0 m ，且只准加在侧翻中心一侧轮边： 3 待车辆停靠好后，将试验台面最外侧铁链绑在车辆外测两车轮上，保证铁链的长度能够使 车辆在最大倾翻角度下发生倾翻，外侧车辆抬起，但不致使车辆完全倾翻，损坏车辆或发生危险。 根据试验要求，试验要进行左、右各三次，三次测量值相对误差若超过3 应重新测试。每次 试验应在试验台为0 。时开始启动试验台，使汽车慢慢倾斜，试验台面倾斜角每增加5 。测量一次 车轮负荷；在达到最大侧翻稳定角前5 。起则每隔1 。测量一次车轮负荷，直到汽车外侧所有车 轮支承平面法向反力为零时止( 如果没有车轮负荷测量装置，试验到外侧所有车轮脱离试验台面 时为) 。将检测到的最大侧翻稳定角值取三次测量值的算术平均值。取值到十分位。 测控系统自动检测过程如下： ( 1 ) 系统上电开机 系统上电开机的过程包括启动控制机构如：计算机、电控柜、各类仪器仪表和软件检测部分 包括检查并配置串行端口，检查数据库是否配置完成等。 ( 2 ) 系统登录 根据试验对象选择播放动画为汽车或拖拉机。录入用户名和相应密码。用户登录分为两级登 录，一级为操作员级、二级为管理员级。操作员可以进行一般操作，管理员可以进行设备管理、 参数设置、数据库操作等。 ( 3 ) 试验车辆参数录入 录入试验车辆的基本信息，包括车辆的出厂编号、车辆型号、车辆类型、发动机编号、调试 员、试验人员以及选用的车辆基本数据等。 ( 4 ) 启动自动检测 开始自动检测，每完成一次试验保存试验数据。 ( 5 ) 生产试验报告 完成所有试验后，按格式要求自动生成以w o r d 形式的试验报告以便留档或打印。 2 测试系统技术指标：“ 测量仪器精度： 1 3 中国农业大学硕士学位论文第二章测控系统的总体方案设计 ( 1 ) 车轮负荷计精度不低于1 。 ( 2 ) 尺寸测量仪器精度不低于l m m 。 ( 3 ) 角度测量仪器精度不低于0 5 。 倾翻试验台： ( 1 ) 试验台面的倾斜角应能满足被测汽车静侧翻稳定性要求。试验台面的倾斜角应能在零度 与最大侧翻角之间连续调节，并能在任意角度固定。 ( 2 ) 试验台运转应平稳，上升速度不大于l o m i n ，下降速度不火于2 7 r a i n 。 ( 3 ) 试验台面与车轮( 斜交胎) 间的侧向附着系数不低于0 8 5 。 ( 4 ) 试验台平面度不低于g b 1 1 8 4 中规定的d 级，试验台面与转动中心线的平行度不低于 1 2 级。 汽车技术状况： ( 1 ) 汽车备总成、部件及附属装备( 包括随车工具与各胎) 必须按出厂技术条件装备齐全，并 装在规定位置上。 ( 2 ) 轮胎气压尖符合汽车技术条件的规定，误差不超过l o k p a 。 ( 3 ) 为防止燃料、润滑油、冷却液的泄漏，可采用堵塞或等质量代换的办法。 ( 4 ) 对于采用空气悬架及油气悬架的汽车，应安装防止悬架脱开的安全装置。有高度调整机 构者应锁止该机构。 ( 5 ) 汽车处于整备质量状态。 环境 风速不大于1 5 m s 。 2 2 2 静侧翻稳定性试验台测控系统总体方案设计 静侧翻稳定性试验台虚拟仪器测控系统的硬件部分设计本着可靠性、经济性、方便性相结合 的原则，配合软件系统的设计，将系统的性能达到既定目标，最大程度的缩短开发周期。同时， 兼顾考虑系统的可维护特性、系列性、通用性，充分体现虚拟仪器的模块化思想。图2 - 5 所示， 为系统总体结构框图。 1 4 中国农业大学硕士学位论文第二章测控系统的总体方案设计 图2 - - 5 系统总体结构框图 1 计算机系统 虚拟仪器技术充分利用了计算机的图形用户界面( g u i ) ，所开发的具体应用程序大多是基于 w i n d o w s 运行环境，而计算机系统是虚拟仪器的硬件基础所以计算机的配置必须合适。在工业测 试、自动化等领域，计算机具有功能强大、价格低廉的运行平台。考虑到应用环境、运行速度、 中断需求，以及经济性等因素，本次所选用的计算机系统为比较本电脑。 2 数据采集系统 从本课题的实际出发，同时考虑到现场的干扰因素以及不确定系统对可靠性的要求比较高， 为了能够缩短开发周期，提高系统的可靠性数。采集系统角度参数的检测采用二次仪表的形式。 所i 目- - - 次仪表，就是其本身自成一个完整的数采系统，其a d 功能、信号发大功能、信号调理功能， 相对做的比较成熟、稳定。通过二次仪表连接到传感器上采集现场数据，量化、调理后的数字信 号经通讯接口r s 2 3 2 传入计算机。 压力参数采集采用a d 远端模块采集信号的方式。设有1 2 位单端8 路模拟通道输入。信号经 模数转换由r s 4 8 5 端口输出。模入电压范围o v 5 v 。 由于计算机从二次仪表上获得的数据已经是数字信号，所以处理起来相对容易，可靠。 3 数字i 0 系统 计算机i 0 远端模块将程序中的l ，0 逻辑转换成高低电平输出给控制电路，从而达到控制试 验台上升下降开关量的功能。i o 远端有良好的隔离结构，能够防止电流、电感等强电电路的干扰。 1 5 中国农业大学硕士学位论文第二章测控系统的总体方案设计 4 人机交互界面 人机交互界面是测控系统设计中很重要的一个环节。良好的人机交互界面，不但可以提示工作 流程和测试进度，还可以减少操作员的误操作现象。在界面中设计了动画仿真来模拟试验台的翻 转，从操作界面能够直观看到试验台的翻转情况以及各检测参数的数值。 1 6 第三章测控系统的硬件设计 3 1 测控系统的硬件设计方案 3 1 1 系统的测控参数和技术指标 汽车静侧翻稳定性试验台测控系统的设计主要目的是完成控制试验台的翻转，自动测量并显 示汽车在翻转过程中外侧前、后轮的支反力和试验台的倾翻角；记录汽车发生侧翻时的最大倾翻 角：控制试验进程；控制动画模拟翻转过程；试验数据记录处理等。 系统监测量、控制量以及技术指标： l ，监测量 汽车外侧前轮支反力；量程1 5 0 0 0 ( k ) 汽车外侧后轮支反力；量程1 5 0 0 0 ( k g ) 试验台倾翻角；量程0 6 0 ( 6 ) 2 ，控制量 试