（光学工程专业论文）汽车电动助力转向虚拟测试平台的研究.pdf

摘要 电动助力转向系统( e p s ，e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) 是将先进的电子技术和 电机控制技术应用到汽车转向系统中，不以发动机作为直接动力源，而是用电机 控制的助力转向方式。电动助力转向可以改善汽车的动态和静态性能、减少能耗 和对环境的污染、提高驾驶员的舒适性和安全性。因此，对电动助力的研究和开 发具有深远的意义。本文将虚拟仪器引入电动助力转向系统，对其参数进行测试。 虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，具有虚拟面板，测试功能由 软件实现的一种计算机仪器系统，是计算机技术与仪器技术相结合的产物，其基 础是计算机系统，核心是软件技术。虚拟仪器大大突破了传统仪器在数据采集、 处理、显示、存储等方面的限制，是一个测试和自动化系统的高性能、低成本运 载平台。 实现本系统主要的研究内容有：利用高性能的数据采集设备结合个人计算机组 建系统硬件平台；采用l a b v i e w 8 2 软件开发平台，结合相应的驱动程序，开发高 效的e p s 虚拟测试软件；完善该软件整体功能，并使其具有高效、快速、准确、 经济、方便、可继承等性能。 本文最后分析了试验结果。实验结果证明上述方案的可行性，系统具有良好 的性能，为后续的研究工作提供了试验基础和借鉴。 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 e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ) u s e sa d v a n c e de l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dm o t o r c o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h es t e e r i n gs y s t e m ，t h ed i r e c tp o w e rs o u r c ei sn o tt h ee n g i n eb u t t h ed cm o t o r e p sc a ni m p r o v et h ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e ， r e d u c ee n e r g yc o s ta n dp o l l u t i o n , i m p r o v et h ed r i v e r sc o z i n e s sa n ds e c u r i t y s ot h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to i le p sh a sf a r - r e a c h i n gm e a n i n g t h i st h e s i sh a v e r e s e a r c h e db r i n g i n gv i r t u a li n s t r u m e n ti n t oe p st ot e s tt h ep a r a m e t e r v i r t u a li n s t r u m e n ti sac o m p u t e rb a s e di n s t r u m e n ts y s t e mw h i c hh a sav i r t u a lp a n e l a n di t sf u n c t i o ni sr e a l i z e db ys o f t w a r e i ti st h ep r o d u c t i o no ft h ea s s o c i a t i o nb e t w e e n c o m p u t e rt e c h n i q u ea n di n s t r u m e n t a t i o nt e c h n i q u e i ti sb a s e do nc o m p u t e rs y s t e ma n d s o f t w a r et e c h n i q u ei st h ek e m e l v i r t u a li n s t r u m e n tb r e a k st h r o u g ht h el i m i t a t i o no ft h e c a p a b i l i t yo ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n tb yd a t aa c q u i s i t i o n , s i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t as t o r a g e a n dg r a p h i cd i s p l a y i ti sac a r r i e rf l a to ft h em e a s u r i n ga n da u t o m a t i z a t i o ns y s t e mw i t l l 1 1 i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w c o s t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c hi n c l u d e ：u s i n gh i g h p e r f o r m a n c ed a t aa c q u i r i n g e q u i p m e n tt of o r mt h es y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o r mc o m b i n i n g 、析t hp e r s o n a lc o m p u t e r ； a d o p t i n gn ic o m p a n y ss o f t w a r ee x p l o i t i n gp l a t f o r ml a b v i e w 8 2c o m b i n e dw i t ht h e c o r r e s p o n d i n gd r i v e rp r o g r a mt od e v e l o ph i g he f f i c i e n tt e s t i n ga n da n a l y s i ss o f t w a r e ； p e r f e c t i n gt h es o f t w a r e ，m a k i n g i th a ss o m ep e r f o r m a n c e ss u c ha sh i l 曲e f f i c i e n t ， s p e e d y ，a c c u r a t e ，e c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n t ，i n h e r i te t c 。 t h ec h a n g et r e n do ft h em o t o r sc u r r e n ta n ds t e e r i n gr e s i s t a n c ei st h es a m ei n p r i n c i p l e ，w h i c hp r o v e st h ed e s i g no f t h i ss y s t e mi sc o r r e c ta n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ；v i r t u a lt e s t i n gs y s t e m ；l a b v i e w 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 或集体己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。 学位论文作者签名： 卒唧日期：孔叼年p 月彦日 ， 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： 日期：卅年中月 禾日争 指导教师签名 8 日 日期：劫吵年尸月彦日 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 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：禾日矽 日期：叫年垆月2 日 指导教师签名： 日期：唧年尸月g p 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论弟一早瑁下匕 1 1 1e p s 的发展现状和应用前景 电动转向系统是2 0 世纪8 0 年代初期提出来的。1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首 次在其c e r v o 车上装备e p s ，随后还用在了其a l t o 车上。在此之后，e p s 技术得 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、光洋公司， 英国的c h e r w l l 公司、卢卡斯公司，美国的d e l p i 汽车系统公司、t r w 公司、德国 的西门子公司、z f 公司，都相继研制出自己的e p 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 s ；本田汽车公司的 a c c o r d 车目前己经选装了e p s ，$ 2 0 0 0 轿车的动力转向系统也将倾向于选择e p s ； d e l p 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 o t r w 从1 9 9 8 年开始，便投入了大量的人力、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 s ，如今小齿轮助力式的e p s 开发也已获 得成功。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 a3 2 3 f 等。m e r c e d e s b 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 万英镑用于该 技术的开发。他们计划开发出前桥负荷在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n 】 2 1 。 经过2 0 几年的发展，特别是现代电子技术的发展，e p s 技术已日趋完善，己 经从实验室走向市场。其应用范围己经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客 车方向发展。如本田的a c c o r d ，菲亚特的p u n t o 等中型轿车已经安装了e p s 。本田 甚至在其a c u r a n s x 赛车上装备e p s 。同时e p s 的助力形式也从低速范围内助力向 全速范围内助力发展，并且其控制形式和功能也进一步加强。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 s 将停止工作。新一代的e p s 不仅在低速 和停车时提供助力，还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备在 w a g o nr + 车上的e p s 是一个负载一路面一车速感应型的助力转向系统。d e l p i 为 p u n t o 车开发的e p s 属于全速范围助力型，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，这不同开关所执行设置 的程序是一样的，已保证高速时有合适的路感。市区型还和油门有关，使得在踩 油门加速和松油门减速时，转向更平滑口】 钔。 美国的d e l p i 汽车公司最新推出的电子伺服前轮转向控制系统，取消了驾驶 员和汽车前轮的机械连接，取消了传统的转向柱、转向轴和齿轮齿条等，而由速 第一章绪论 度传感器、转矩传感器、控制器、电动机和减速机构等组成。但它仍采用转向盘 ( 必要时也可改用操纵手柄) ，通过电动机向驾驶员提供路面反馈。该转向系统可 以说代表了e p s 目前发展的最高水平陆】。 相比之下，国内的e p s 的研究起步较晚。1 9 9 2 年清华大学的学生在导师的指 导下进行了探索性的研究。其后的几年，同济大学、吉林大学、华中科技大学相 继开展了这方面的研究，取得了一些进展。现在安徽省己明确的将e p s 系统的开 发列入其“十五 科技攻关项目。估计在今后的几年，会有更多的公司和科研所 投入到e p s 的研究行列中来。 1 1 2 虚拟仪器及l a b v ie w 由于电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测 量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域及新的仪 器结构不断出现，许多方面己经突破传统的仪器概念，电子测量仪器的功能和结 构己经发生了质的变化。在这种背景下，八十年代末美国率先研制了虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 。虚拟仪器就是利用现有的计算机加上特殊设计的 仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器没有的特殊 功能的高档、低价的新型仪器。虚拟仪器的出现就是仪器发展史的一场革命，代 表仪器发展的方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步产生了巨大的推 动作用。 虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面 板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。代替传统仪器，改变了传统仪器的使 用方式，提高仪器的功能和使用效率，同时大大降低了仪器的价格，使用户可以 根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可以广泛的用于电子测量、电力工程、 物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多的领域。国 际上从1 9 8 8 年陆续有虚拟仪器产品面世，当时有五家制造商推出3 0 种产品。此 后，虚拟产品每年成倍增长，到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造商达到9 5 家，共生产 1 0 0 0 多种不同的虚拟仪器产品。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟 仪器制造地。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 t r o i x 公司目前生产约8 0 种型号的虚拟仪器，此外还有n i 公司，k e i t h e l y 公司等哺7 1 。 用于虚拟仪器的开发环境目前有两大类：一是文本式的编程语言，如v i s u a l b a s i c ，c + + ，l a b w i n d o w c v i 等，另一类是图形化编程语言，具有代表性的有 l a b v i e w ，h p p v e e 。其中影响最大的要数l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器工程平台) 语言，被称为 第一章绪论 “仪器仪表界面 ，是专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的开 发软件引。 国内有些大学已经把虚拟仪器技术，特别是l a b v i e w 和科研试验接合起来， 在发动机试验监控、发动机振动的分析、汽油发动机综合测试等方面取得了一定 的成果。 虚拟仪器在汽车领域的应用主要有以下几个方面： 虚拟仪器在液力变矩器中的应用 液力变矩器的性能直接影响汽车的行驶安全性，可以利用虚拟仪器技术，测 量不同转速和进口压力下的液力变矩器的性能参数。通过人机接口完成试验设计 和系统资源的配置以及测试数据的回放和打印。主控台负责系统间的通信和协调 工作，根据初始信息调用仪器驱动程序，接收从i 0 口回馈的试验信号，经数据处 理后，发出控制信号使液力变矩器到达预定状态，并保持稳定，同时对该状态进 行性能测试。该系统明显优于传统的测试仪，更加利于系统功能的扩充和智能测 试与诊断的开发。 虚拟仪器在汽车的制动性和操纵稳定性中的应用 在传统的汽车的制动性和操纵稳定性测试过程中，主要采用五轮仪、非接触 式车速仪以及方位陀螺仪、垂直陀螺仪等仪器。这些设备大多结构复杂、成本较 高，有些参数的测量误差较大，没有综合测试的配套软件、数据处理不方便等， 而利用虚拟仪器可以很方便的解决传统测试中的问题。此系统主要由接口电路、 软件和虚拟仪器面板组成，其中硬件可实现与p c 机的接口，即完成模数转换、数 字量输入输出及记数器定时器操作等功能。软件包括驱动接口和仪器功能程序。 由以上测试原理构成的汽车综合测试系统，克服了有些硬件检测仪器需要使用模 拟跟踪仪绘制曲线，靠人工判别辨认的缺点，实现了全数字化处理。 虚拟仪器在车辆防抱制动系统中的应用 车辆防抱制动系统( a b s ) 是减少交通事故的有效部件。将虚拟仪器引入：d 3 s 中，不仅能将传统仪器所包含的信号采集与控制、分析处理和结果显示全部在个 人计算机中实现，而且用户能根据其自身的需要，通过修改软件方便地变更、增 减仪器的功能和规模。该系统不仅能完成对输入数据采集、处理、分析，也能够 完成输出数据的分析、结果显示，更重要的是能方便地改变防抱死控制模式，即 使用不同控制模块进行控制，以研究多种模式的效果，减少了试验仪器的投入。 虚拟仪器在车桥检测中的应用 汽车驱动桥整车道路试验虽然能如实地反映行驶时的实际情况，但需要消耗 大量的人力和物力，而且试验周期很长，控制也很困难。采用室内台架试验的方 法对驱动桥总成进行性能试验，能够更早发现问题。基于虚拟仪器的h c q 3 0 试 4 第一章绪论 验系统主要由道路模拟系统( 主要包括滚筒和飞轮组) 、液压加载系统、数据采 集与控制系统、计算机监测与分析系统、动力传动系统( 主要包括发动机、离合 器、变速器、传动轴) 、车桥的夹固系统以及安全防护装置等组成。h c q 3 o 检 测软件对试验系统进行控制，与试验台一起共同完成对汽车驱动桥性能的检测及 数据获取、处理、分析、显示、保存，并进行检测档案管理。 总之，国外虚拟仪器技术已广泛应用于各个领域，在车辆检测、生产中也己 运用多年，而在我国该项技术的应用相对较晚。由于虚拟仪器具有上述诸多特点， 可大大节省项目的资金投入，提高效益、效率，所以值得在汽车领域大力推广。 目前，基于p c 机的虚拟仪器技术正向高性能、多功能、集成化和网络化方向发展， 虚拟仪器技术能促进车辆测试仪器的发展，有良好的应用前景。此外，随着我国 汽车拥有量的不断增长，车辆配置档次的不断提高，配备代表高性能的电动助力 转向装置是一种不可避免的趋势( 一汽速腾、广州飞度、南汽新雅涂、比亚迪汽 车、吉利美日、长安雨燕等均已配备了e p s 系统) 。相对来说，建立一套方便、快 捷、可靠的虚拟检测设备更是形势所趋。 1 2 研究的目的和意义 虚拟仪器的优势在于：在测试过程中，传统仪器的调平衡、标定以及检测 记录全部通过操作仪器面板上的旋钮来实现，其操作繁琐；虚拟仪器则由计算机 来完成，操作简便，系统误差小。传统仪器的功能主要由硬件来实现，硬件是 关键。这就决定了其系统封闭，功能固定，可扩展性差，系统开发和维护费用高， 技术更新速度慢；而虚拟仪器的测试功能主要由软件来实现，软件是关键，通过 编程在显示器上构成波形发生器、示波器或动态电阻应变仪等传统仪器的面板。 而波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值等，或者示波器的测量通道、标 尺比例、时基、极性、触发信号等都可以用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器 一样使用，仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关的软件，技术更新速度快。 传统仪器对测试数据无法进行编辑；而虚拟仪器可以实时编辑、存储和打印数 据。由于虚拟仪器是一种基于计算机的仪器系统，可以同时具有测试、数据传 输和分析的功能，也可以与网络及其它周边设备互联实现系统资源共享，从而节 省资源。因此，开发出一套操作简单、使用灵活、高性价比、高可靠性的虚拟测 试系统具有很大的实际意义。 1 3 本论文研究的主要内容 第一章绪论 各章节的内容概述如下： 第一章为绪论部分。阐述了本课题的研究背景，虚拟仪器的国内外发展状况， 分析了本课题的研究目的和意义，介绍了本文的主要工作。 第二章为图形化软件开发平台l a b v i e w 及其应用。全面介绍虚拟仪器的概念、 产生、发展和特点。并将虚拟仪器与传统仪器的特点进行比较。介绍了常见的虚 拟仪器系统的硬件和软件技术方案及软件技术开发环境。 第三章为e p s 虚拟测试系统硬件集成。介绍了e p s 系统的结构和工作原理， 并介绍了当今广泛应用的几种虚拟仪器，然后对系统平台进行了总体分析，确定 系统结构，并对系统的硬件构成进行了阐述。 第四章为虚拟仪器的数据采集理论。讨论了数据采集技术和数据采集系统的 构成设计，以及选用数据采集硬件的工作原理。 第五、六章为本文工作软件方面的重点。 6第二章虚拟仪器概述 第二章虚拟仪器技术 本章将全面介绍虚拟仪器的概念、虚拟仪器的产生、发展和特点。并将虚拟仪 器与传统仪器的特点进行比较。最后介绍了常见的虚拟仪器系统的硬件和软件技 术方案及软件技术开发环境。 2 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是二十世纪七十年代随着计算机技术、微电 子技术和现代测量技术发展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方 向。虚拟仪器的概念是由美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，简称n i ) 公司提出 的。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬 件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定 义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、 显示、数据存储等。 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三 大功能模块( 如图2 1 所示) 。虚拟仪器以透明方式把计算机资源和仪器硬件的测 试能力结合，实现仪器的功能运作。 图2 1 虚拟仪器的功能模块 f i g2 1f u n c t i o nm o d u i eo fv ir t u a ii n s t r u m e n t 应用程序将可选硬件，如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 ，通用接e l 总线) 、v x i ( v m eb 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 v m e 总线在仪器领域的 第二章虚拟仪器概述 7 扩展) 、r s - 2 3 2 ，d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ，数据采集) 和可重复使用源码库函数等 软件结合起来实现模块间的通信、定时与触发，源码库函数为用户构造自己的虚 拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用 户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。所以， 虚拟仪器是由用户自己定义、自由组合的计算机平台、硬件、软件以及完成系统 所需的附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。 2 1 1 虚拟仪器的产生 随着计算机技术一日千里的发展，用微机进行数字化动静态测试分析的理想 终于成为现实。其中的几个关键技术现在都己经解决：微机的精度、速度；模数 转换的精度、速度；内存、硬盘的存储量和速度；计算机与a d 价格越来越低； 加上各种功能的专用软件的迅速发展，及时地带动了虚拟仪器技术的迅猛发展。 国内外己掀起虚拟仪器热。 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带g p i b 接口的智能仪器到全部可编程虚拟 仪器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。由于计算机技 术特别是计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在p x i 和v x i 两大领域中得 到了快速发展，它们成为未来仪器行业的两大主流产品。 给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键在于 应用软件。基于软件在虚拟仪器中的重要作用，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 ，简称n i ) 提出了“软件即仪器 ( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的精神，而其l a b v i e w 则提供了虚拟仪器图形开发、调试和运行程序的集成化环 境，在这个软件环境中提供的一种像数据流一样的编程模式，用户只需连接各个 逻辑框即可构成程序，利用软件平台可大大缩短虚拟仪器控制软件的开发时间， 而且用户可以建立白己的措施方案。国内于1 9 8 5 年开始有厂家在虚拟仪器方面的 初始研究报道。 数据采集和信号处理软件的概念突破了传统的随机振动信号分析仪和f f t 分 析仪的概念，实现了向虚拟仪器概念的过渡。当时，美国h p 公司、泰克公司、p c 仪器公司也加入了研制虚拟仪器的行列，九十年代中期以来，国内重庆大学、浙 江大学、哈尔滨工业大学、西安交大等单位及中科泛华公司等在研究开发虚拟仪 器产品，在引进、消化美国n i 公司和h p 公司产品方面做出了一系列有益的工作， 并取得了一批较好的成果。国际上从1 9 8 6 年开始有虚拟仪器产品陆续问世。到1 9 9 4 年虚拟仪器制造厂家达9 0 多家，共生产达1 0 0 0 多种虚拟仪器产品。 2 1 2 虚拟仪器的发展 8 第二章虚拟仪器概述 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是 同步进行的。第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于g p i b 总线标准的确 立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过g p i b 和r s - 2 3 2 同计算 机连接起来，用户就可以用计算机来控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不 断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎可 以说是直线前进。第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步： 一是插入式计算机数据处理卡( p l u g i np c d a q ) ：二是v x i 仪器总线标准的确立。 这些新技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商 定义仪器功能的区别。第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域 面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准 在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台己经得到认可并逐渐成为虚拟仪器 行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据 采集和仪器控制系统实现自动化的关键n 制。 2 1 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器可以使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同 的各种测量仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义各种仪器，因此 可以说“软件即仪器。虚拟仪器充分利用微机的资源( 尤其是软件资源) 及灵活 性，使仪器的设计变得简单、灵活、富有弹性、更加模块化、易维护、可重复利 用性好、省时经济等，以下是它的一些特点： 十分灵活易于升级 虚拟仪器打破了以往只能由厂商定义仪器功能的限制，允许用户根据自己的需 要更改和重新定义仪器的功能，即具有通过软件设计扩展、定制和组建个人系统 的独特特性。这也有利于新型分析仪器的开发。 功能强大价格低廉 拥有面向总线的接口，用户可以自己定义功能，可方便的与网络、外设、应用 等连接。基于计算机技术的功能模块可构成多种仪器。虚拟仪器的关键是软件， 基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用，一般是传统仪器价格的五至十分 之一。 使用方便便于维护 将所有的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，用户无须专门查 阅、学习仪器的程控方法与程控指令就可以对仪器进行操作。计算机强大的g u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e 图形用户界面) 增强了仪器的反馈信息显示功能，更 易于操作。用户可以更加直观的操作仪器。 第二章虚拟仪器概述9 技术更新快 现在仪器性能不断改善，新方法、新技术、新仪器不断涌现，而虚拟仪器利用 软件的强大功能可以很快形成新的功能、新的仪器、新的测控系统，使得新周期 可为1 - 2 年。 强大的数据处理能力 虚拟仪器的最显著特点是它无与伦比的处理功能。用户可对测量结果关联分析 和趋势标定、可扩展工程函数库、可得到完整的时间记录和测试说明。最让人兴 奋的是用户竟然可以以自定义分析方式，这是许多人梦寐以求的。由于依托于强 大的计算机系统，虚拟仪器具有了几乎无限的数据记录容量：无限的显示选项。 而且可以利用网络进行多用户数据共享，甚至用户可自定义接口。 将传统仪器与虚拟仪器作一比较，如表2 1 。 表2 1 传统仪器和虚拟仪器的区别 t a b2 1d i f f e r e n c eo f t r a d i t i o r l a ii n s t r u n e n ta n dv ir t u a li n s t r u m e n t 传统仪器虚拟仪器 开发和维护费用高开发和维护费用低 技术更新周期长技术更新周期短 硬件是关键软件是关键 只可连有限数量的设备可用网络连接周边各设备 固定开发灵活与计算机同步，可重复使用和配置 价格昂贵价格较低 功能单一，操作不便自动化，智能化，多功能，远距离传输 从表2 1 中可以看出，传统仪器和虚拟仪器最重要的区别在于组成仪器的核 心：虚拟仪器的组成核心是软件而传统仪器的组成核心则是硬件。虚拟仪器遵从 n i 公司首创的“软件即仪器”的思想。 2 2 虚拟仪器系统的技术方案 虚拟仪器系统的技术方案如图2 2 所示： l o 第二章虚拟仪器概述 图2 2 虚拟仪器系统的技术方案 f ig2 2t e c h ni q u ep r o j e c to fv ir t u aiin s t r u m e n t 各种功能软件 各种功能软件如n i 公司的l a b v l e w ，h p 公司的h p v e e 和中国c o i n v 的d as p ， 在整个v i 系统中，就像人的大脑一样处于主宰地位。 计算机及其附件 包括各种高性能的计算机具有强大的c p u 处理器及高性能的高分辨率的显示 器和外挂内置光盘硬盘驱动器。且具有3 2 m 以上的内存及快速打印机等附件。它 们是v i 系统的心脏和动力。 a d 采集卡和d a 卡 高性能模数转换器和数模转换器，是v i 的左右手，必须有高级的定时功能， 如美国国家仪器公司的p c i 一6 0 2 4 e 。采样频率可达到o - i o o k h z ，2 0 0 k h z ，3 3 0 k h z ， 2 0 0 0 0 k h z 或2 0 m h z 甚至更高。多路采集时必须能同步进行，实现无时差，无相移。 测试通道最少可为2 路、4 路、1 6 路、3 2 路，最多可达1 0 2 4 路。 传感器+ 前置抗混滤波调理放大器 它们是v i 系统的左右腿，是测试系统的基础，没有高质量的传感器和各种高 质量的调理放大器，测试系统就没有了基础。信号调理s c ( s i g n a lc o n d i t i o n i n g ) 指的是传感器采集到信号在输入d a q 卡之前，进行包括：放大、滤波、隔离、多 路复用( 电荷放大、电压放大、热电偶、积微分、应变桥路平衡、激励电源和线 性化) 等预处理。 各种高精度、可靠的传感器，像人的眼睛和耳朵一样的重要，在v i 的发展和 测试中，也起到重要的决定性的作用。 要获得高质量的测试数据，还有一个重要的因素是测试技术，测试技术尽管不 第二章虚拟仪器概述 是虚拟仪器的范畴，但是它在整个测试过程中起着重要的作用。 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。从 构成方式讲，则有以d a q 板和信号调理部分为硬件组成的p c d a q 测试系统，以g p i b ， v x i 、串行总线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统组成构成如图2 - 3 所示。无 论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计算机或工作站 等各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。 虚拟仪器是具有虚拟面板( v i r t u a lp a n e ls ) 的个人计算机仪器，由硬件设备 与接口、个人计算机、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接 口可以是各种以p c 为基础的内置功能插卡( 例如d a q ) 、通用接口总线g p i b 接口 卡、串行口、v x i 总线仪器接口等设备，或者其它可程控的外设测试设备：设备驱 动软件是直接控制各种可控制硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过低层设备驱动 软件与真实的仪器系统进行直接通信，并通过虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕 上显示真实仪器操作元素相对应的各种控件：虚拟仪器面板应用程序负责对采集 来的数据进行数据分析、图形显示、数据存储以及数据打印等操作，面板上的按 钮对应各种功能并伴有动态的丰富的帮助，这样不仅充分实现单键操作( cs i n g l e b u t t o no p e r a t i o n ) 和0 s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) ，而且用户对虚拟仪器面板的操 作比对真实仪器的操作更为方便。 浏控对象 肉向囱肉向 i - - _ j 【一 鹜像l 采集i 卡l d s p i 蚺 i工业自动化软件测试与分析软件传统编程语吉 i b r i d g ev i e w l a b v l e w ( v e e ) v i s u a ib a s j c il o c k o u tl a b w b t d o 邺c v iv k c u a lc j j - i c o m p o n e n tw o r k c o m p o r c n tw o r k s c 4 - + b u i l d e r 咖工作站 图2 3 虚拟仪器系统组成构成 f i g2 3c o m p o s i n go fv ir t u a ii n s t u m e n t 1 2第二章虚拟仪器概述 2 3 虚拟仪器硬件系统组成方案 g p i b 仪器控制的虚拟仪器系统组建方案 典型的g p i b 测试系统由一台p c 机、一块g p i b 接口板和几台g p i b 仪器通过 标准g p i b 电缆连接起来，组成大型的自动化仪器测量系统。 v x i 仪器控制的虚拟仪器系统组建方案 v x i 总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。具有标准开发、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、众多仪器商支持等优点， 使它应用越来越广。尤其在组建大中型规模自动测量控制系统，以及对速度、精 度要求非常高的场合，有其它仪器无法比拟的优点。基于v x i 总线的组建方案功 能最为强大、组建的系统最为稳定。但v x i 总线实现强大功能的同时，价格也是 十分昂贵的。 p x i c o m p a c tp c i 模型系统组建方案 美国国家仪器公司1 9 9 7 年最新推出了p x i ( p c i b u se x t e n t i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 控制方案，基于p c i 总线的虚拟仪器系统构架，p x i 将主流p c i 计算技术和控制器采用现在流行的奔腾处理器，带有标准g p i b 接口、串并口、以 太网络接口及显示器接口，为用户组建速度高、成本低、结构紧凑的测试系统提 供了可行性。 目前在构建工业自动化测试系统时，基于g p i b 总线的最多并逐步采用v x i 技 术。基于v x i 总线的虚拟仪器系统虽然功能强大，但对许多场合而言仍然造价昂 贵，且通用性差，一般用户难以掌握。对于一些速度精度要求不高的场合，v x i 并 不一定是考虑性价比的最佳方案。很多情况下采用当前广为使用的p c 机作为虚拟 仪器的软硬件基础，建立基于p c 的虚拟仪器系统。虚拟仪器的数据获取和控制处 理能力优于传统仪器，且对于硬件要求大为降低。 2 4 虚拟仪器的软件开发环境 应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必须的软件工具。在确定的硬件基础条件 下，构造和使用虚拟仪器的关键就是应用不同的软件实现不同的功能。虚拟仪器 的应用软件主要包括：集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用 户界面。应用软件开发环境的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都 必须提供给用户一个界面友好，功能强大的应用程序。目前较流行的虚拟仪器软 件开发环境大致可以分为两类：一类是图形化的编程语言，代表性的有惠普h p v e e ， n i 公司的l a b v i e w 等；另一类是文本式的编程语言，如c ，l a b w i n d o w s c v l ，v c 第二章虚拟仪器概述 等。文本式编程语言和图形化编程语言相比，语言灵活性较好，用户可以灵活的 添加功能；而图形化编程语言具有编程简单、直观、开发效率高的特点。 近年来，基于p c 机和工作站基础上的图形接口标准和计算机计算能力的提高， 促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及。图形开发方式为每一个虚拟 仪器提供了可重用的代码模块，并允许用户从其它代码模块中分级调用。这些重 用部分是一些封装良好的、原子性的程序代码；理想情况下，重用部分应与硬件 i c 一样，可以不经过任何修改而被直接“插接 到其它程序中去。典型的重用部 分包括函数库、过程程序包、宏、类、库等，它们通过各自的接口被组装在一起， 每一部分完成特定的功能。在虚拟仪器图形软件开发平台研究方面，近年来国际 上许多公司都做了大量的工作，其中n i 公司的l a b v i e w 和惠普公司的v e e 虚拟仪 器软件开发平台最具代表性。 表2 2 虚拟仪器体系结构 t a b2 2s t r u c t u r eo fvir t u aiin s t r u m e n t 软件特点 m i c r o s o f tv i s u a ic + + 易学、使用简单；面向对象可视化编程软件；它的图形控件工具 b o ri a n dc - hb u i d e r 能生成复杂的多窗口用户界面不必编写复杂的代码；可创建自 b o ri a n dd e i p h i 己a c t i v e x 控件或组件，以及多线程和安全的a c t i v e x 控件。 d a t at r a n s l a t i o n 用于win d o w s 操作系统的数据采集和产品开发的可视化编程语： h pv e ew i t hd tv p 言；灵活，便于应用编程，以及和用户程序接口；a c t i v e x 控件 系列，v b 和vc + + 下可以设计和配置d a t at r a n s i a ti o n 数据采集 d t x e z t m 可以和其他a c t i v e x 控件组合创建测试应用程序。 不必编写代码就可以进行数据采集与分析；提供数据、处理控 h e wie r r - p a c k e dh pv e e 制；提供测量过程和测试报告。 具有用于数据采集、仪器、网络和分析的完全集成化的库的图形 化环境；可编译性能强；w j 州n t ，m a c o s ，s u n ，h p _ u x 和并行 n a tio n alin s t r u m e n t s p o w e rm a x 中应用，具有交叉平台兼容性；自动化的测试对接软 l a b v l e w 件；s o l 数据库连接性s p c 分析工具。用于仪器控制、数据采集 和分析的交互式基编译软件包；用于g u i 的拖拉用户界面编程器； l a bw in d o w s cv i 用于快速样机开发的代码产生工具和内部编译器：用于g p i b 、v x i 、 串行、d a o 、分析、t c p 和用户控制界面的集成库；可用于w i n x n t s u ns o i a r i si x 2 x 和h p u x 。 2 5 图形化编程语言l a b v ie w 简介 概述 在虚拟仪器图形化软件开发平台研究方面，近年来国际上许多公司都做了大 量的工作，其中最具代表性的是美国n i 公司的l a b v i e w 和惠普公司的v e e 。下面 第二章虚拟位嚣概述 具体介绍l a b v i e w 语言。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美 国国家仪器公司推出的。作为一种图形化程序设计语言，其最大特点就是：采用 图形化编程，在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生一软面板， 用来为测试系统提供输入值并接受其输出值；该面板在外观和操作上模仿实际有 形器件，在功能上则与一般常用的语言程序相同。l a b v i e w 内部集成了大量的生成 图形界面的模板，如各种开关、旋钮、表头、刻度条、指示灯等，包含了组成一 个仪器所需的主要部件，而且用户也可以非常方便地设计库中所没有的仪器。 矧l 卅掣l 数值都尔 字符串与路径 船i营! |圆li ：l 囝i田jb 到i 疽恧i 写磊面幂“ 蓦j喵i葛l 下蝴磊写葡r1 菇f h 刚吖|酬 引用句炳变钵与娄悻t l i j 落一