（通信与信息系统专业论文）基于usb接口的虚拟仪器技术在汽车动态性能测试中的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代汽车工业的发展，汽车测试系统也越来越复杂而庞大，广大汽车 生产厂家不断的开展了大量的试验研究工作，以求在汽车设计生产过程中进一 步控制汽车的性能，因此对汽车试验仪器的需求也是越来越高。同时随着计算 机技术的不断发展，硬件性能的不断提高，虚拟仪器技术也正在飞速发展，逐 渐成为测试领域的发展方向。u s b ( 通用串行总线) 接口广泛应用与各种p c 外 设中，2 0 0 0 年发布的u s b 2 0 标准提供了4 8 0 m b p s 的传输速率，为高速设备的 应用提供了可能。随着u s b 技术的发展，越来越多的测试测量仪器仪表开始采 用u s b 接口与外部通信，结合u s b 2 0 接口和虚拟仪器技术构成新型仪器获得 了新的发展空间。因此，研究基于u s b 2 0 接口和虚拟仪器技术的汽车动态性能 测试系统在实际开发应用中很有实际意义。 本课题主要利用u s b 技术、虚拟仪器技术、l a b v l e w 以及一些相关的软硬 件知识，进行了基于u s b 2 0 接口的虚拟仪器技术在汽车动态性能测试系统中的 研究与应用，主要工作如下： 1 ) 归纳、总结了汽车动态性能试验所涉及的直接获取参数与间接获取参数 提出了一种基于u s b 2 0 和虚拟仪器技术的汽车动态性能测试系统的软、硬件系 统方案。 2 ) 研制了一种用于高速数据采集的u s b 2 0 数据采集模块，采用e z - u s b f x 2 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 作为设备端控制器，结合前端的a d 采样以及f p g a 实现逻 辑控制，实现了数据的高速采集。并完成了u s b 控制器的固件程序和动态链接 库( d l l ) 程序的编写和调试。 3 ) 基于l a b v i e w 平台，开发出了汽车动力性能测试系统的应用程序，该 系统可完成汽车动力性试验要求的内容，并将系统成功仿真联调，实现完成了 一个基于u s b 接口和虚拟仪器技术的汽车动态性能测试系统的雏形。 本课题所做的工作是对u s b 和l a b v i e w 技术在汽车试验方面的研究与应 用，对于开发其它基于u s b 的虚拟仪器具有很好的参考价值。 关键词：u s b ) 虚拟仪器；l a b v i e w ；汽车试验；d l l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r na u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ea u t ot e s ts y s t e m h a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o m p l e xa n dl a r g e ，a n dt h em a j o r i t yo fa u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e r su r g e n t l yn e e d e dt of u r t h e fc o n t r o lt h ep e r f o r m a n c eo f t h e i rv e h i c l e si n t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o np r o c e s so fa u t o m o b i l e ，t h e r e f o r e , t h ed e m a n do ft h e i n s t r u m e n tf o ra u t o m o b i l et e s ti sa l s og r o w i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dt h eh a r d w a r ep e r f o r m a n c eh a sp r o m o t e dt h ea p p l i c a t i o n so ft h e v i r t u a li n s t r u m e n t si nt h ef i e l do fa u t o m o b i l et e s t t h eu s b c u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i n t e r f a c ew i d e l yu s e di na l lk i n d so fp cp e r i p h e r a l s ，as t a n d a r du s b 2 0 ，r e l e a s e di n 2 0 0 0 ，p r o v i d e da4 8 0 m b p st r a n s m i s s i o nm t ea n dt h ep o s s i b i l i t yf o rt h eh i g h - s p e e d e q u i p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu s b , m o r ea n dm o r ei n s t r u m e n tf o rt e s ta n d m e a s u r e m e n tb e g a nt ou s et h eu s bi n t e r f a c ew i t he x t e r n a lc o m m u n i c a t i o n s t h e i n t e g r a t i o no ft h eu s b 2 0i n t e r f a c ea n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sh a sp r o v i d e dan e w d e v e l o p m e n ts p a c e t h e r e f o r e ，b a s e do nt h eu s bi n t e r f a c e ，i tm a k e5 e n 5 et om a k e r e s e a r c hb a s e do nu s bi n t e r f a c ea n dv i r t u a li n s t r u m e n ti na u t o m o b i l et e s t t h i sr e s e a r c hi sm a i n l ya b o u tt h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho ft h ea u t o m o b i l et e s t s y s t e mi np e r f o r m a n c eb a s e d 0 1 1t h eu s b , v i r t u a li n s t m m e n t , l a b v i e wa n da l s om a n y o t h e rt e c h n o l o g yo f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： 1 ) p r e s e n t sas o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mp l a nb a s e do nt h eu s ba n dv i r t u a l i n s t r u m e n t st e c h n o l o g yo f t h ea u t o m o b i l et e s ts y s t e mi np e r f o r m a n c e 2 ) d e v e l o p e dah i g h - s l 瓒dd a 组a c q u i s i t i o nf o rt h eu s bd a t aa c q u i s i t i o n m o d u l eu s i n gt h ee z - u s bf x 2 ( c y 7 c 6 8 0 1 3 ) a sa l le q u i p m e n t - c o n t r o l l e r , t h e c o m b i n a t i o no f t h ef r o n t - e n da da n df p g al o g i cc o n t r o l ，r e a l i z e dah i g h - s p e e dd a t a a c q u i s i t i o n c o m p l e t e dt h ep r e p a r a t i o na n dd e b u go ft h eu s b c o n t r o l l e rf i l r m w a r e ， d e v i c ed r i v e r sa n dd y n a m i cl i n kl i b r a r yp r o c e d u r e s 3 ) b a s e do nt h el a b v i e w 。d e v e l o p e dt h ea u t o m o b i l et e s ts y s t e ma p p l i c a t i o n so f d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h es y s t e mc a nc o m p l e t ev e h i c l ed y n a m i ct e s tr e q u i r e m e n t s ， a n dt h ee n t i r es y s t e mas u c c e s sc o o r d i n a t i o n , i m p l e m e n t a t i o no fu s b - b a s e dv i r t u a l 武汉理工大学硕士学位论文 m a c h i n e sa n dt h ev e h i c l ed y n a m i cp e r f o r m a n c et e s ts y s t e ma p p l i c a t i o na n d r e s e a r c h t h ew o r ko ft h ei s s u ei st h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h eu s ba n dl a b v i e wi nt h e a u t o m o b i l et e s t , a n di ti sv a l u a b l ef o rt h eo t h e ru s b - b a s e dv i l t u a li n s t r u m e n t k e yw o r d s ：u s b ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；l a b v i e w ；a u t o m o b i l et e s t ；d l l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工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。 关于论文使用授权的说明 枷7 r - 坫 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：垒坐订 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源与意义 在我国现代化、工业化进程中，汽车产业已成为国民经济增长的一个亮点。 汽车动态性能试验是整车定型投产的必经过程，是车型改良更新的重要依据， 是汽车性能检验的基本手段“1 。但传统模拟仪器是完全由生产厂商在产品出厂前 定义好的，实现特定的功能的仪器。其最大缺点是体积庞大，功能单一，价格 昂贵，开放性差。智能仪器在模拟仪器的基础上发展应用了一些计算机方面的 技术，但其还是有着价格昂贵，扩展能力不强以及开放性差的缺点，而且智能 仪器由厂商定义，用户无法更改。虚拟仪器的出现填补了模拟仪器和智能仪器 的这些缺点，虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与仪器有关硬件结合起来， 用户通过图形界面进行操作的一种仪器，使用虚拟仪器的用户就像在操作自己 定义的仪器一样方便。u s b ( 通用串行总线) 从诞生后发展到今天，已经将近十 三年。伴随着计算机技术的发展，u s b 协议从1 1 过渡到2 0 ，其传输速度也从 1 5 m b p s 提高到如今的4 8 0 m b p s 的高速。毫无疑问的是，u s b 已经占领了p c 及其外设市场。 本课题将u s b 技术与虚拟仪器相结合，并调用动态数据链接库( d l l ) 来 扩充其功能，产生更高的数据传输率、更方便的使用方式，完成了汽车动态性 能测试系统的数据采集模块设计；同时以l a b v i e w 为软件平台开发汽车动态性 能测试系统虚拟仪器。由于l a b v i e w 是基于模块化程序设计思想，因此在开发 过程中也将基本上遵循着这一基本思想，在总体方案确定后，根据所需的不同 功能分别组建各种功能模块，最后再进行集成和调试。在虚拟仪器的实际设计 中，一般采用由数据流向的设计方法，首先根据系统的总体需求，将系统划分 为各个功能模块；然后再将各个模块之间建立数据联系搭配成测试系统。这使 得该系统既有通用性又具有一定的专业性应用范围。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 虚拟仪器技术 l 工l 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义的、具有虚 拟仪器面板的、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统团。虚拟仪器是 利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出 检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由 f o 接口设备完成信号的采集、测量与调理。虚拟仪器中的“虚拟”主要包括以 下两方面的含义。 1 ) 面板虚拟 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“部件”所完成 的功能是相同的。使用者用鼠标操作虚拟仪器面板，看起来就如同使用一台专 用测量仪器。 2 ) 功能由软件编程实现 在以计算机为核心组成的硬件平台支持上，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。于是在硬件平台确定后，出现了“软件就是仪器”的概念。 1 2 2 虚拟仪器技术的四大优势 1 ) 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成 即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件i o ， 使得在数据高速导入磁盘的同时也能实时地进行复杂的分析【3 1 。 2 ) 扩展性强 当代虚拟仪器技术的软硬件工具使得设计者不再圈囿于当前的技术中。得 益于软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极 少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。 3 ) 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器技术软件构架能与计算机、仪器仪表 和通讯方面的最新技术结合在一起。同时还提供了灵活性和强大的功能，可以 2 武汉理工大学硕士学位论文 轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 4 ) 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不 断地趋于复杂，设计者通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而 连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的 f o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统， 减少了任务的复杂性。 1 2 3 虚拟仪器硬件结构 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。其中通用仪器硬 件平台又由计算机和接口设备两部分组成。计算机硬件平台可以是各种类型 的计算机，如p c 计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机、工控机等。 计算机用于管理虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础和核心。 虚拟仪器构成如图1 1 所示。它包括计算机、虚拟仪器应用软件和硬件接口。 硬件接口种类包括数据采集卡、i e e f a 8 8 接口卡、串行口、并行口、插卡式仪器 以及其它接口卡。在虚拟仪器系统中，p c 数据采集系统是构成虚拟仪器系统最 基本的方式，也是最廉价的方式。 卜巨翟 i ：蓦： 1 2 4 虚拟仪器软件结构 图1 1 虚拟仪器构成框图 构成一个虚拟仪器系统，在基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现 不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，根据v p p 系统规范的定义，虚拟仪 器系统的软件结构包括仪器v o 接口软件、驱动程序和应用软件三部分。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) f o 接口软件 i o 接口软件存在于仪器( 即f o 接口设备) 与仪器驱动程序之间，是一个完 成对仪器寄存器进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传 递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。 2 ) 仪器驱动程序 每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提 供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。应用程序对仪器的操作是通过仪器驱 动程序来实现的，仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过f o 软件所提 供的统一基础与格式的函数库( v r s a ) 的调用来实现的。虚拟仪器驱动程序是连 接上层应用程序与底层f o 接口软件的纽带和桥梁【4 1 。 3 ) 应用软件开发环境 应用软件开发环境的选择因人而异，一般取决于设计者的喜好，但最终都 必须提供给用户一个界面友好、满足用户功能要求的应用程序。目前，可供设 计者选择的虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种： ( 1 ) 基于传统的文本语言式的平台 主要是n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 、m i c r o s o f t 公司的v i s u a l c + + 、b o r l a n d 公司的d e l p h i 等。 ( 2 ) 基于图形化编程环境的平台 如n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的h p v e e 等。 1 2 5 虚拟仪器的各种接口形式比较 虚拟仪器的发展离不开接口的发展，各种总线和数据传输方法给数据采集 提供了有力的保障，随着高速数据传输技术的发展，数据传输的能力有了空前 的提高，这也使得高速数字仪器的实现成为可能。 一般各类接口无论是有线方式还是无线方式，在数据传输方式上可分为串 行接口和并行接口，传统意义上串行接口传输速度低于并行接口，但是串口的 成本低廉，常用于低速、较长距离( 相对于并口) 的数据传输，如r s 2 3 2 。而并 行接口常用于高速，短距离数据传输，如p c i 、s c s i 。但速度仅仅是相对的，根 据不同的要求采用不同的方式。但是最近几年u s b 接口技术和i e e e l 3 9 4 接口 技术的完善，改变了串口速度慢的状态。这也使得新型串行接口这一高速与低 成本结合的产物成为当前接口技术发展的一个热点【5 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 串口数据采集卡 r s - 2 3 2 是一种老的串行接口，它采用简单的线路或导线来传送信息，基本 上是每个时钟传一位数据。为改善这种方式，创立了并行接口，采用了多根数 据线，每个时钟可传多位数据。 采用外置形式，通过r s - 2 3 2 c 口与p c 连接，由于p c 机的限制，其最高数 据传输率不超过1 1 5 k b p s ，同时传输的距离也不会超过1 5 米，且p c 机上的串 口数目也很有限。采样系统与p c 接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的丢失， 失去连续采样的意义。 2 ) p c i i s i 数据采集卡 今天的p c i ( p e d p h e m lc o m p o n e n ti n t e r 灿e c t i o n ，外设部件互连标准) 总线 采用6 4 条线，运行速度高达2 6 6 m h z 。它耗去了重要的印制电路板位置，需要 更大的连接器( 插头座) 和很多引脚数的总线接口芯片。限制s c s i ( s m a l l c o m p u t e rs y s t e mh t e d a c 洽，小型电脑系统接口) 相同的因素还影响内部的总线， 其尺寸大小问题是主要的。 采用内置形式，将高速、高精度连续采样系统控制和数据通道部分做成板 卡的形式，占用p c 的一个i s a p c i 总线扩展槽，通过i s a p c i 总线的高速数据 传输率实现p c 与采样系统的大容量数据交换。但是，这种内置式形式很容易受 到p c 机箱内高频干扰的影响，降低系统的采样精度和稳定性，且p c 杌主板上 的i s a p c i 总线扩展槽数目也很有限，多功能卡及专用的接口卡，很大程度上就 是为了解决多种设备连接到主机及提供传输速率而出现的解决方案。 3 ) u s b 接口技术 u s b 接口是i n t e l 、n e c 、m i c r o s o f t 、i b m 等公司联合提出的一种新的串行总 线接口规范。为了适应高速传输的需要，2 0 0 0 年4 月，这些公司在原1 1 版本 协议的基础上制定了u s b 2 0 传输协议，已超过了目前i e e e l 3 9 4 接口4 0 0 m b p s 的传输速度，达到了4 8 0 m b p s 。u s b 接1 2 使用简单，支持即插即用p n p f e l u g a n d p l a y ) ，一台主机可串连1 2 7 个u s b 设备。设备与主机之间通过轻便、柔性好的 u s b 线缆连接，最长可达5 m ，使设备具有移动性，可自由挂接在具有u s b 接 口的运行在w i n d o w s 2 0 0 0 x p 平台的p c 机上。 u s b 接口的数据采集模块采用外置形式，多个u s b 接口的数据采集卡可同 时接在一个u s b 接口上，不会占用p c 机上的串行口和主板上的i s a p c i 总线 扩展槽，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性。 武汉理工大学硕士学位论文 u s b 具有的许多优良特性可以给我们解决上述几个问题提供极佳的解决方 案。如果能够将整个系统做成外置式形式，不仅能够提供系统的采样精度和稳 定性。还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。 4 ) m e e l 3 9 4 接口技术 a p p l e 公司开发的串行标准，又称f i r e w i r e 接1 3 。i e e e l 3 9 4 接口也是串行 数据总线，目前能够在计算机与外围设备间提供1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 m b p s 的传输速 率。与u s b 技术不同，该接口不要求p c 端作为所有接入外设的控制器，不同 的外设可以直接在彼此之间传递信息。另外，利用该接口，两台电脑可同时共 享使用同一个外设 6 1 。 i e e e l 3 9 4 的价格是阻碍其流行的重要原因。每个使用该接口的厂商都要向 a p p l e 及s o n y 公司支付一笔数额不菲的使用费。 目前u s b 接口是几种接口方式中性价比最好的一种接口技术，因此，本系 统采用u s b 2 0 接口技术设计虚拟仪器。 1 3 虚拟仪器技术在汽车性能试验中的应用 随着现代汽车工业的发展，汽车测试系统也越来越复杂而庞大，广大汽车 生产厂家迫切需要在汽车设计生产过程中进一步控制汽车的性能。计算机技术 的不断发展，硬件性能的不断提高，推动了虚拟仪器技术在汽车试验中的应用。 1 3 1 国外应用情况 欧美、日本等发达国家在利用虚拟仪器改进测试技术方面进行了大量研究 工作，根据实际需求开发处大量类型、功能、规模不一的测试系统，并将其应 用于工业生产、科学研究乃至日常生活等诸多领域，从而使产品的质量、科技 含量以及企业的生产效率均有大幅度提高。基于虚拟仪器的测试系统在汽车试 验领域己得到广泛应用。美国b & b 公司以n i 公司的l a b v i e w 和p x i s c x i 为 平台，开发了车内测试系统( i v d a s ) ，该系统的s c x i 机箱内嵌入各种信号调 理模块，模块的模式由信号种类决定，各种信号采集与处理的整合由l a b v i e w 程序来完成。w d a s 的优越性来源于使用p x i 和s c 所带来的灵活性和可升 级性。可完全代替传统的数据记录仪。另外，在d a s 基础上还派生出多种满 足不同需要的汽车测试系统，如发热监测系统、声学刹车测试系统等。德国大 6 武汉理工大学硕士学位论文 众汽车公司的风洞试验完全由l a b v i e w 软件编制的程序进行控制，用于“六元 素平衡”( 阻力、侧力、升力、转动、俯仰力矩以及偏航力矩具有同步的决定性) 的汽车控制、数据采集与数据评估。 1 3 2 国内应用情况 近年来，随着虚拟仪器技术的发展，国内一些企业、工程单位、研究机构 以及院校均相继进行了一些针对汽车领域的数据采集与处理系统的开发研制工 作。但这些系统的应用范围大多较为狭窄，主要针对一两项专门的试验。例如， 2 0 0 3 年清华大学汽车安全与节能国家重点实验室研制的汽车碰撞试验电测量系 统；重庆大学设计的汽车平顺性测试系统等均以虚拟仪器技术为核心，通过开 发不同的功能模块，得到满足需求的测试系统 7 1 。吉林大学汽车动态模拟国家重 点实验室对汽车防抱制动系统( a b s ) 混合仿真试验台进行了系统分析，建立了 用于硬件的仿真的车辆模型、轮胎模型、路面模型以及a b s 液压系统模型，并 进行了硬件仿真试验。它将a b s 实际部件嵌入到软件环境中进行混合仿真，极 大地扩展了软件仿真的功能，为a b s 产品开发提供了开发工具和试验平台。 1 4 本论文的主要内容 本文的研究工作主要是基于u s b 2 0 的虚拟仪器技术在汽车动态性能测试系 统中的研究与应用，分为以下几个部分： 1 ) 设计完成u s b 2 0 接口的数据采集模块，包括前端的a d 采样，f p g a 实 现逻辑控制以及u s b 控制接口部分。 2 ) 结合e z - u s bf x 2 提供的固件框架，开发完成u s b 控制器的固件程序的 设计。 3 ) 完成了汽车动态性能测试系统所需调用的动态链接库，开发出l a b v l e w 平台下具有设备打开、关闭、读写功能的u s b 通用通信程序模块。 4 ) 对汽车动态性能测试进行了详细的需求分析，在l a b v i e w 开发平台下 完成了汽车动力性能测试的软件部分的开发，主要功能包括了汽车动力性测试 要求的所有内容。 5 ) 对汽车动态性能测试系统进行了比较完整的调试工作，包括系统硬件 u s b 数据采集模块、l a b v i e w 应用程序以及与d l l 相结合的调试。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车动态性能测试系统总体设计 2 1 系统需求分析 2 1 1 汽车动力性 1 ) 最高车速试验 主要测量参数：通过测量路段的时间、最高车速。 2 ) 最低稳定车速试验 主要测量参数：通过测量路段的时间、最低车速。 3 ) 加速性能试验 主要测量参数：加速时间、加速距离、车速。 2 1 2 汽车操纵稳定性 1 ) 转向盘角阶跃输入下进入的稳态响应一转向特性 主要测量参数：稳态横摆角速度增益一转向灵敏度。 2 ) 转向盘角阶跃输入下的瞬态响应 主要测量参数：反应时间、横摆角速度波动的无阻尼圆频率。 3 ) 横摆角速度频率响应特性 主要测量参数：共振峰频率、共振时振幅比、相位滞后角、稳态增益。 4 ) 转向盘中间位置操纵稳定性 主要测量参数：转向灵敏度、转向盘力特性一转向盘转矩梯度、转向功灵 敏度。 5 ) 回正性 主要测量参数：回正后剩余横摆角速度与剩余横摆角、达到剩余横摆角速 度的时间。 6 ) 转向半径 主要测量参数：最小转向半径。 7 ) 转向轻便性、原地转向轻便性、低速行驶转向轻便性、高速行驶转向轻 便性 8 武汉理工大学硕士学位论文 主要测量参数：转向力、转向功。 8 ) 直线行驶性能、直线行驶性、侧向风稳定性、路面不平度稳定性 主要测量参数：转向盘转角、侧向偏移。 9 ) 典型行驶工况性能( 蛇行性能、移线性能、双移线性能回避障碍性 能) 主要测量参数：转向盘转角、转向力、侧向加速度、横摆角速度、车身侧 倾角。 1 0 ) 极限行驶能力、圆周行驶极限侧向加速度、抗例翻能力、发生侧滑时 的控制性能 主要测量参数：极限侧向加速度、极限车速、回至原来路径所需时间。 2 1 3 汽车行驶平顾性 评价指标：舒适一降低界限、疲劳一工效降低界限、暴露极限。 输入：路面不平度、车速。 振动系统：弹性元件、阻尼元件、质量。 输出：悬挂质量或人体加速度、车轮动载荷。 2 1 4 汽车经济性 1 ) 加速油耗试验 主要测量参数：初速度、通过预备段的时间、通过测量段的加速时间、末 速度、燃料消耗量。 2 ) 等速油耗试验 主要测量参数：速度表指示值、实际车速、通过时间、燃料消耗量试验值、 燃料消耗量。 3 ) 多工况油耗试验 主要测量参数：通过试验路段的时间、多工况试验的燃料消耗量试验值、 多工况燃料消耗量。 2 2 试验参数分类汇总 汽车动态性能试验的待测参数种类复杂、数量繁多。在遵循国家相关标准( 详 9 武汉理工大学硕士学位论文 见参考文献嘲) 的基础上，根据测试参数的具体特点，将其划分为直接获取参数 与间接获取参数两大类。其中直接获取参数通过传感器采集，经信息采集子系 统预处理。信息处理予系统调用直接获取参数，进行二次处理与计算，得到间 接获取参数，作为反映汽车动态性能优劣的评价指标。 汽车动态性能试验的直接获取参数见图2 1 ，间接获取参数见图2 2 。 图2 1 汽车动态性能试验的直接获取参数 臣三垂回 圈 圈圈 国国国圄 国寓圄自萤国国圄寓国鸯国国自国圜国国崮国寓 图2 2 汽车动态性能试验的间接获取参数 l o 面暑一囡 习j ，厩睦洱馐磁瀣罾 銮卉蚋髂 l薹已厂11当捌烈洲到 囤门幽 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 系统硬件的选取 汽车动态性能测试系统的硬件由p c 机、数据采集模块和传感器三部分组成， 如图2 3 。 2 3 1 数据采集模块 图2 3 系统硬件组成 2 3 1 1 数据采集模块的选择依据 计算机所能识别的信号仅限于数字信号，而大多数传感器输出为连续的模 拟电信号，因此必须经过模、数转换才能够被计算机所识别，数据采集模块是 实现这一任务的转换单元，在整个基于虚拟仪器的测试系统中起着承前启后的 作用剀。 选取数据采集模块时主要考虑以下指标： 1 ) a d 转换器位数 a d 转换器的位数关系到系统的分辨率和模数转换后数据的精度，大部分 试验参数的测量精度要求为o 1 0 5 ，故a d 转换器的精度取0 0 5 0 1 即可，相应的二进制码为1 0 1 1 位，加上符号位因此可取1 1 1 2 位的中分辨率 a 仍转换器。 2 ) 转换时间与转换速率 a d 转换器从启动到转换结束，输出稳定的数字量需要一定的转换时间。转 换时间的倒数为转换频率。转换时间大于3 0 0 l is 为低速转换器，2 0 3 0 0 t j s 为 中速转换器，小于2 0 l ls 为高速转换器。香农采样定律规定，为保证采样信号不 失真，采样频率必须大于原模拟信号频谱中最高频率的两倍。因此，应针对不 同采样信号，选择具有适宜转换时间与转换频率的数据采集模块。 3 ) 量程 根据传感器输出信号的幅值范围选择可满足采集需要的数据采集模块。 2 - 3 - l _ 2 数据采集模块的选定 根据被测参数的类型与特性，综合考虑上述三项指标，本设计采用白行研 武汉理工大学硕士学位论文 制的基于u s b 2 0 接口的数据采集模块，其硬件系统结构如图2 4 。关于数据采 集模块的具体设计和开发详见第三章。 信号调理 2 3 2 传摩器 图2 4 基于u s b 的硬件系统构成 2 _ 3 - 2 1 传感器选型的主要依据 传感器在原理与结构上千差万别，根据实际使用的目的、指标、环境条件 与成本选用适宜的传感器，是进行汽车动态性能试验信息采集首先要解决的问 题【l o l 。传感器选型必须考虑试验的条件、目的、测量参数、测量范围、过载的 发生频度、输入信号的频带、测量精度以及测量时间等因素，还需考虑传感器 本身的性能，包括传感器的精度、稳定性、响应速度、输出信号类型( 模拟或 数字) 、静态特性、动态特性、环境特性、工作寿命、标定周期以及信噪比等。 当然对传感器的使用条件也必须要考察，如测量对象对传感器的影响、被测对 象的质量( 负荷) 效应、安装现场条件及环境条件( 温度、湿度、振动等) 、信 号的传输距离、输出端的链接方式等等。 2 “l 2 传感器的选定 综合考虑传感器选型的主要依据以上因素，选定o e s i i 非接触式速度传感 器。该传感器用于测量车速与行车距离。汽车行驶时，地面砂石分布图案由光 学系统成像，经硅光电探测器进行光电转换与空间滤波，产生一组窄带正弦波 信号，该信号的频率与车速成正比。信号经t r f 带通跟踪滤波器进行滤波与整 形，转换为r r l 脉冲输出，脉冲经过信号采集子系统计数与处理即可测得汽车 的行驶速度与距离。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 系统软件平台的选取 本系统选择的软件开发平台为美国n i 公司的l a b v l e w 。l a b v i e w 是一种用 图标代码代替编程语言，创建应用程序的开发工具。它采用数据流编程方法来 描述程序的执行，用图形语言( g 语言) 、图标和连线代替文本的形式编程，与v c 、 v b 等高级语言一样，是一种带有扩展库函数的通用程序开发系统，可方便地设 计出符合用户需求的应用程序。l a b v i e w 的主要优点如下： 1 ) 开发速度快 选择l a b v i e w 开发测试和测量应用的一大决定性因素是其开发速度。通常， 使用l a b v l e w 开发应用系统的速度比使用其它编程语言快4 到1 0 倍。这一惊 人速度背后的原因在于l a b v i e w 易用易学，它所提供的工具使创建测试和测量 应用变得更为轻松。 2 ) 图形化编程 l a b v i e w 是一种功能齐全的图形化编程语言，拥有所有通用编程环境的标 准功能，如数据结构、循环结构和事件处理。l a b v i e w 还有一个内置编译器， 可在编辑时间编译所有代码。这些高级的函数、助手和工具证明l a b v i e w 并不 仅仅是一门编程语言。 3 ) 数据流编程模式 l 曲v i e w 以其获得专利的数据流编程模式为设计者摆脱基于文本编程语言 的顺序架构的桎梏。其高度直观的图形化代码适于已习惯使用程序框图和流程 图的设计者。与文本的顺序行所不同，结点间的数据流确定了l a b v i e w 的执行 次序。从而使设计者轻松地创建可并行执行多种操作的程序框图。此外， l a b v i e w 并行执行的本质令多任务和多线程的执行得以简化。设计者无须编程， 仅通过菜单选择即可确定线程的优先顺序。 4 ) 调试工具完善 使用【加v i e w 的调试工具，设计者可监控数据在程序中的移动并精确掌握 数据通过线缆在函数间移动的情况。这种方式与基于文本的语言所不同，后者 要求用户监控每个函数以跟踪程序的执行状况。 5 ) 库函数丰富 l a b v m w 包含数百个用于测量分析、数学运算和信号处理的功能强大的图 形化文本函数，可与l a b v l e w 数据采集、仪器控制等功能无缝集成使用。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于u s b 2 0 接口的数据采集模块 方案的设计与实现 l a b v i e w 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的 图形化编程软件，创建的程序模块化。易于调试、理解和维护，而且程序编程 简单、直观，因此它特别适用于数据采集处理系统。而u s b 接口以其使用方便、 传输速度快、即插即用、通用性强、扩展性好和性价比高等优点得到广泛的应 用。把l a b v i e w 平台和u s b 接口紧密结合起来的数据采集系统，将集成两者 的优点儿1 。 本章包括汽车动态性能测试系统数据采集模块的硬件系统构成、f p g a 程序 设计、固件程序设计、u s b 驱动程序结构和动态链接库程序编写等。 3 1 硬件系统构成 图3 1 数据采集模块实物图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 章， 嘲譬攀戮2 2 鳓。l 熬醐l 如皤 零 蹴龋 t i雾 图3 2 数据采集模块电路图 苗酋毒画画每 再野 武汉理工大学硕士学位论文 本设计的数据采集模块实物图如图3 1 所示，电路图如图3 2 所示。从图中 可看出： 1 ) 模拟输入信号经由运算放大器处理，送入a d 进行采样； 2 ) a d 对输入的模拟信号进行8 位高速采样，采样频率最高可达1 0 0 m ； 3 ) 采样信号送入存储器存储，u s b 控制器的e p 6 接收存储器所传输的8 位 数据，通过p c 机的u s b 口，将接收的数据自动地、高速地传输到p c 机的内存中。 u s b 芯片的底层硬件完成大部分的底层复杂协议。在固件的相应的配置和 维护下，对数据做提交、或丢弃处理，u s b 芯片通过串行接口引擎做并串变化、 位填充、编码反转等，然后通过u s b 接口线，输入到计算机中，应用上层应用 程序可以进行实时显示并存储。虚拟仪器硬件的核心部分是u s b 设备接口模块， 其功能是由硬件和软件共同来完成的。 3 1 1 信号调理模块 在高速数据采集系统中，现场输入信号是高频的模拟信号，信号变化的范 围都比较大，如果采用单一的增益放大，那么放大以后的信号幅值有可能超过 a d 转换的量程，所以必须根据信号的变化相应地调整放大器的增益。在自动化 程度较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，经过考虑本 设计选择芯片a d 8 0 0 9 和a d s 0 1l 。这两种芯片都具有频带宽、噪声低且性能优 良等优点，十分适合在数据采集系统做前置放大。通过改变这两个放大器外围 电路的参数，来实现程控增益可调功能。 3 1 2 a d c 本设计中采用了a d 9 2 8 3 作为a d 转换器，主要原因是：它是a d i 公司功 耗最低的高速a d 转换器，采用3 3 v 供电，电流消耗小于1 2 0 m a ，比较适合便 携式仪器。大部分情况下，a d 9 2 8 3 仅需要一个单极性的5 v 电源和一个编码时 钟即能正常工作。编码时钟提供与1 1 1 c m o s 兼容的逻辑数据输出，并控制a d 转换通道对数据进行采样。如长时间不需要采集数据，可启动休眠模式使总功 耗小于1 2 m w 。a d c 的时钟及控制信号等由f p g a 提侠。该芯片最高采样频率 可达1 0 0 m ，经过测试，可很好的满足系统带宽要求。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3f p g a 在高速数据采集卡中，时序复杂而且精细，可能会因为一个门的时延，而 导致整个硬件电路的失败。而f p g a 集成度高、体积小、功耗低，工作频率高， 可以集采集控制、缓冲、处理、传输控制、通讯于一个芯片内，编程配置灵活， 开发周期短，系统简单，因此，本设计采用f p g a 构建高速数据采集模块核心 控制电路，主要任务是控制a d 采样，以及r a m 的读写，并且负责在e z - u s b f x 2 ( b pc y 7 c 6 8 0 1 3 ) 处于s l a v ef i f o 模式时实现读写控制信号、时钟、输出使 能、端点的选择等功能。 根据设计要求和综合估算整个电路所需要的管脚和宏单元的个数，本设计 选用e p f l o k l o ，它是a l t e r a 公司f l e x l o k 系列产品之一，是一种嵌入式可编 程逻辑器件。e p f i o k l 0 采用c m o ss r a m 制靠工艺，使用权s r a m 来存储编 程数据，具有系统可编程特性。具体的配置方式有被动型和主动型两种，其中 被动型配置是在上电后由计算机通过编译后产生的后缀为s o f 的文件利用专门 的下载电缆配置芯片。而主动型配置是在上电后由专门的可编程配置芯片( 如 e p c i 4 4 1 ) 自动对e p f l 0 k 1 0 芯片进行配置。e p f l 0 k 1 0 具有高密度( 可用逻辑 门l 万 2 5 万；r a m ：6 1 1 4 - 4 0 9 6 位，5 1 2 个宏单元) 、高速度、低功耗等特点。 芯片内含有专用进位链和级联链及快速通道，故其互连方式十分灵活。经过在 实践中检验，在高速数据采集中，用e p f l 0 k 1 0 来实现数字逻辑电路功能，可以 使高速数据采集模块工作稳定，各方面性能良好。 3 1 4u s b 控制器e z i j s b 2 3 1 4 1e z - u s bf x 2 特点 c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列芯片是最早符合u s b 2 0 协议的微控制器 之一，它集成了符合u s b 2 0 协议的收发器( t r a n s c e i v e r ) ，串行接口引擎( s i e ) ， 增强型的8 0 5 1 内核以及可编程的外围接口。f x 2 系列芯片独特的结构使得数据 传输速度最高可达5 6 m b p s ，最