（机械设计及理论专业论文）汽车智能仪表虚拟测试系统研究与开发.pdf

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。 学位论文作者签名：i 才桃 日期：2 01 1 年年月，7 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：1 才靓 日期：2 0 1 1 年年月j7 日 指导教师签 日期：o 乏口l l 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 y , h 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：1 才靓 日期：2 0 1 1 年4 月，7e t 指导教师签名： 日期& 口怍争月7 日 摘要 当前，汽车仪表的检测模式不能满足汽车仪表生产厂家对仪表成品智能化检 测标定日益增长的需要，以致仪表生产水平普遍落后于整车生产水平，为了解决 这个问题，本文以汽车智能仪表为检测对象，基于虚拟仪器技术，研究开发了一 种汽车智能仪表虚拟测试系统。 本文在研究汽车智能仪表虚拟测试系统工作原理、总体框架的基础上，研究 开发了该系统的软硬件子系统。该系统的硬件功能采用n ip c i 一6 0 1 4 数据采集卡 和p c 机来实现，软件功能采用n i 公司的l a b v i e w 图形化编程语言来实现。软硬 件采用同一个公司的产品，可以减少由于不兼容对测试系统造成的干扰。最后， 采用数字合成信号发生器来模拟被测试信号，对汽车智能仪表虚拟测试系统进行 试验，证明该系统的正确性和可靠性。 该测试系统能对汽车智能仪表的车速表、转速表、燃油表、冷却液温度表、 机油压力报警五个对象的功能和精度进行检测。用户只需输入初始化参数，将传 感器的信号采集到虚拟测试系统，系统就可以实现对数据的分析、处理、显示、 存储等功能，并可以判断对应仪表是否合格。该测试系统具有美观、便捷的人机 交互主界面，方便、快捷的操作界面，直观的数据显示界面，极大地方便了用户 的操作。在测试模块功能的实现上，采用状态机 模式，使各测试模块能独立 运行，互不干扰。并且，该测试系统具有可移植性好，升级方便的特点。 关键词：汽车；智能仪表；虚拟测试系统 a b s t r a c t t h ec u r r e n tt e s t i n gm o d e so fm o t o r m e t e rc a n tm e e tt h eg r o w i n gn e e d so fw h i c h m o t o n n e t e rm a n u f a c t u r e r sa b o u tt h ep r o d u c t s i n t e l l i g e n tt e s ta n dc a l i b r a t i o n , s ot h a tt h e i n s t r u m e n tp r o d u c t i o n sl e v e li sl o w e rt h a nt h el e v e lo fv e h i c l ep r o d u c t i o n i no r d e rt o d e a l 、玑n lt h i sp r o b l e m ，t h i st o p i cc h o o s et h ea u t o m o b i l ei n t e l l i g e n ti n s t n m a e n t 弱t h e t e s to b j e c t ，b a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , t od e v e l o pav i r t u a lt e s ts y s t e m o fa u t o m o b i l ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t b a s e do nt h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h eg e n e r a lf r a m e w o r ko ft h e t h ev e h i c l e i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tv i r t u a lt e s ts y s t e m ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h es y s t e m sh a r d w a r e a n ds o f t w a r es u b s y s t e m t l l i ss y s t e ma d o p t e dn ip c i 6 014d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dp c t or e a l i z et h eh a r d w a r ef u n c t i o na n da d o p t e dt h en i sl a b v i e wg r a p h i c a lp r o g r a m m i n g l a n g u a g et or e a l i z et h es o f t w a r ef u n c t i o n b o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s e dt h es a m e c o m p a n y sp r o d u c t sc a nr e d u c et h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yi n c o m p a t i b l e a tl a s t ，a d o p t e d t h ed i g i t a ls i g n a lg e n e r a t o rt og e n e r a t et h es i g n a lw h i c hi si nn e e d a n dt h e n ，t op r o v e t h es y s t e m sv a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y , s e n ti tt ot h ei n s t n t m e n tv i r t u a lt e s ts y s t e m ，n l i ss y s t e mc a l lt e s tt h ef u n c t i o na n dp r e c i s i o no ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s s p e e d o m e t e r , r e v o l u t i o nm e t e r , f u e lg a u g e ，c o o l a n tt e m p e r a t u r eg a u g e ，a n do i lp r e s s u r e u s e r so n l yn e e dt oi n p u tt h ei n i t i a l i z a t i o np a r a m e t e r sa n ds e n dt h es e n s o r ss i g n a lt ot h e v i r t u a lt e s ts y s t e m ，t h e nt h es y s t e mc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fd a t aa n a l y s i s ，p r o c e s s i n g ， d i s p l a y , s t o r a g ea n ds oo n , a n dc a nj u d g et h ec o r r e s p o n d i n gi n s t r u m e n t sq u a l i f i e do rn o t t h i st e s ts y s t e mh a sb e a u t i f u la n dc o n v e n i e n th u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm a i n i n t e r f a c e ，c o n v e n i e n ta n dq u i c ko p e r a t i o ni n t e r f a c e ，i n t u i t i v ed a t ad i s p l a yi n t e r f a c e ， w h i c hc a nm a k et h eu s e r so p e r a t i o nm u c he a s i e r t or e a l i z et h et h et e s tm o d u l e s f u n c t i o n ，a d o p t e d “s t a t em a c h i n e m o d e l w h i c hc a nm a k ee a c hm o d u l e sr u n i n d e p e n d e n t l y , n o ti n t e r f e r ew i t he a c ho t h e r b e s i d e s ，t h i st e s ts y s t e mh a sg o o d p o r t a b i l i t y , c o n v e n i e n tu p g r a d ef e a t u r e s k e yw o r d s ：v e h i c l e ；i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ；v i r t u a lt e s ts y s t e m 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 汽车仪表系统概述l 1 2 1 汽车仪表的发展现状l 1 2 2 汽车智能仪表的概念及发展现状2 1 3 汽车仪表测试系统发展趋势3 1 3 1 汽车仪表测试系统的发展现状3 1 3 2 虚拟仪器技术在汽车测试上的应用4 1 4 研究的主要内容及主要成果5 1 4 1 研究的主要内容5 1 4 2 研究的主要成果5 第二章虚拟仪器技术6 2 1 虚拟仪器概述6 2 1 1 虚拟仪器的概念6 2 1 2 虚拟仪器的发展和分类6 2 1 3 虚拟仪器的特点7 2 2 虚拟仪器的结构8 2 2 1 虚拟仪器硬件系统组成9 2 2 2 虚拟仪器软件开发环境1 0 2 3 虚拟测试技术概念辨析1 1 第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理1 2 3 1 系统测试参数的选择1 2 3 1 1 汽车智能仪表的各参数说明1 2 3 1 2 系统测试参数的选择1 4 3 2 虚拟测试系统总体方案1 4 3 3 智能仪表虚拟测试系统测试原理1 5 3 3 1 车速表测试原理1 5 3 3 2 转速表测试原理1 5 3 3 3 燃油表测试原理1 7 3 3 4 冷却液温度表测试原理2 0 3 3 5 机油压力表测试原理2 1 第四章虚拟测试系统的硬件开发2 4 4 1 虚拟测试系统的组成2 4 4 2 虚拟测试系统数据采集系统的硬件选型2 4 4 2 1n i 虚拟仪器数据采集系统的基本组成简介2 4 4 2 2 硬件选型2 6 4 3n ip c i - 6 0 1 4 数据采集卡2 7 4 4 接线方式的选择2 9 4 4 1n i 数据采集卡提供的终端模式2 9 4 4 2 三种终端模式的优缺点3 0 4 5n ip c i - 6 0 1 4 驱动3 1 4 6n ip c i - 6 0 1 4 数据采集卡测试3 2 第五章虚拟测试系统的软件开发3 5 5 1 虚拟测试系统软件开发概述3 5 5 1 1 软件开发平台的选择3 5 5 1 2 软件开发的总体架构3 5 5 2 界面开发3 6 5 2 1 启动画面3 7 5 2 2 运行菜单3 7 5 2 3 测试系统各测试模块界面开发3 8 5 3 数据采集软件开发4 0 5 3 1 频率测量软件开发4 1 5 3 2 电压测量软件开发4 4 5 4 数据分析处理4 4 5 5 数据存贮4 5 5 6 数据显示4 7 5 7 测试系统程序代码4 8 第六章虚拟测试系统试验5 0 6 1 试验内容5 0 6 2 试验条件5 0 6 3 测试结果分析5 1 6 3 1 频率测量试验分析5 1 6 3 2 电压测量试验分析5 3 6 3 3 智能仪表虚拟测试系统试验结果分析5 4 6 4 测试系统抗干扰措施5 9 6 4 1 测试系统受到的干扰5 9 6 4 2 抗干扰措施5 9 第七章结论与展望6 1 7 1 结论6 l 7 2 展望6 1 致谢6 3 参考文献6 4 在学期间发表的论著及取得的科研成果6 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 汽车仪表是驾驶员与汽车进行人机交互的窗口，对于延长汽车的使用寿命， 提高汽车行驶的安全性、经济性等起着至关重要的作用。驾驶员靠汽车仪表的指 示来随时掌握汽车的工作状态，特别是在条件恶劣的环境中( 如崎岖的山区) 行 驶的汽车，准确无误的仪表指示更是不可缺少的n 1 。随着经济的飞速发展和人们 生活水平的提高，对汽车的智能化要求也越来越高，汽车的附属功能越来越多， 附属装置也越来越多。为了使驾驶员能够更多更快地掌握汽车行驶信息，及时有 效地采取相应的操作，汽车仪表板已经成为现代汽车的信息中心。 近年来，汽车行业的高速发展不断推动着汽车仪表的更新换代。随着微电子 技术、网络通信技术和液晶显示技术在汽车仪表中的应用，汽车仪表正加速朝着 数字化、智能化、多元化和人性化的方向发展2 1 。汽车智能仪表是适应汽车电子 化潮流而诞生的高科技产品，它能识别汽车所需要的一切参量和信息，并具有记 忆处理能力3 1 。由于汽车智能仪表相对于传统指针式仪表的种种优势，使其成为 汽车仪表制造厂家竞相发展的产品。但是，由于电子器件生产工艺的特殊性，造 成即使是同一类型的电子器件其电气特性也无法完全相同“1 ，因此即使是从同一 条生产线上用同样的工艺生产出来的同一型号的仪表也需要逐个进行检验标定。 而国内的大部分仪器仪表生产厂家对成品的检测标定都是依靠经验进行人工标 定，或者将成品送到专门的技术质检部门进行检验。这样就不可避免地浪费了大 量的人力物力，并且严重影响了生产效率。由此可见，如果能开发出一种能对汽 车智能仪表进行检测标定的测试系统，将极大地节约生产厂家的制造成本并提高 其生产效率。本文的选题就是基于这个基础，研究开发一个能对汽车智能仪表进 行检测的虚拟测试系统。 1 2 汽车仪表系统概述 1 2 1 汽车仪表的发展现状 汽车仪表作为汽车人机交互不可缺少的一部分，在整个仪表行业和汽车零配 件行业充当了相当重要的角色。我国汽车仪表行业发展至今已有6 0 年的历史，大 致经历了单表仿制、成套仪表生产和产品开发三个发展阶段5 。目前国内汽车仪 表生产企业的生产技术水平参差不齐，汽车仪表技术普遍落后。业内专家认为， 2第一章绪论 我国汽车仪表产品技术水平低、造型设计单调，产品耐久性和可靠性差，数字化 程度低，跟不上整车发展。虽然国内汽车仪表界一致看好全数字式汽车仪表，但 国内本土企业还不具备完善的开发环境和技术条件。 随着我国汽车产量的与日俱增，汽车仪表的市场份额也在不断增加。目前， 中国汽车仪器仪表市场规模约7 亿美元，约占汽车电子总市场的1 0 2 。据有关人 士称，在汽车仪表的市场格局上，一方面国际性大公司在中高端市场上占有较大 份额；另一方面中国本土厂商经过多年打拼也占据了一定的市场份额。他们与国 际性大公司合作，争取更多的市场、资源，以低成本抢夺低端市场。从技术发展 的角度来看，我国本土厂商在技术上处于跟进状态，在技术储备和产品发展路线 把握方面还有待提高n ，。 总的来说，汽车仪表正在向着“综合信息系统”的方向发展。一个带有e c u 的智能化汽车仪表将成为未来汽车仪表行业的主力产品，它的功能将不局限于车 速、里程、发动机转速、油量、水温、方向灯的指示，还能指示安全系统运行状 态，如轮胎气压、安全气囊、制动装置等。 1 2 2 汽车智能仪表的概念及发展现状 微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的巨大改变。 有些仪表已经能实现人脑的部分功能，如四则运算、逻辑判断、命令识别等，有 的还能进行自校正、自诊断，并具有自适应、自学习的能力1 。目前获得大多数 专家认可的智能仪表的定义是：具有自校正、自诊断、自适应、自学习等反馈的 仪表。 通常，智能仪表由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括m c u 、过程输入输 出通道( 模拟量输入输出通道和开关量输入输出通道) 、人机交互部分和接口电 路以及u s b 、i n t e r n e t 、g p r s 、短消息数据通信接口等。软件部分通常包括监控程 序、中断处理( 或服务) 程序以及实现各种算法的功能模块 8 1 0 汽车智能仪表利 用现行汽车使用的各种传感器，将采集的各种参量信息统一由智能仪表的转换器 变成微电脑能识别的信号分别进行识别处理，并按照设定的要求由执行系统执行 显示、存储、报警等功能。并且，汽车智能仪表具有自动检测功能，可以对仪表 自身的工作状态进行检测；对设定的参量能自动显示，超限报警；具有人机对话 按键，真正实现以人为本；设有防盗报警功能，只有输入正确的密码，汽车才能 正常行驶；还有自动调光系统，使仪表亮度能随环境光线的强弱自动变换等功能细。 近年来，随着计算机技术、微电子技术、精密机械技术、网络技术、纳米技 术等高新技术的迅速发展，智能仪表技术的发展表现出一些新的特点：比如硬件 功能的软件化、模块化功能硬件的集成化、参数修改的实时化、硬件平台的通用 第一章绪论 3 化等 1 0 1 。为了适应新型智能仪表的各种要求并降低开发成本，缩短开发周期，虚 拟化设计与可编程技术是近几年智能仪表设计的发展趋势。虚拟仪器技术“软件 即仪器的设计理念极大地节约了设计成本，缩短了开发周期，并且增强了智能 仪表的可移植性。随着社会发展、科技进步，人们对智能仪表的功能要求越来越 高，智能仪表开始朝着微型化、网络化、 总之，随着微电子技术、测量控制技术、 透，汽车智能仪表必将向着小型、轻量、 向发展。 虚拟化、数字化、智能化的方向发展。 通信技术、计算机技术的发展和相互渗 快速、多功能、高精度、高性价比的方 在国际市场上，智能仪表的开发速度很快，市场十分广阔，如测控仪器、光 学分析仪器等平均每年以2 0 的速度增长。虽然智能仪表在我国起步较晚，但其发 展极为迅速，国内市场也一片看好，开发潜力巨大，市场极为广阔，已成为国内 仪器、仪表行业今后发展的主导产品n 。 1 3 汽车仪表测试系统发展趋势 1 3 1 汽车仪表测试系统的发展现状 汽车测试仪器的发展与我国汽车工业的发展息息相关，我国汽车测试仪器发 展较晚，技术水平不高，大多数是单参数测量，精度较低。国内大部分仪器仪表 生产厂家对成品的检测标定都是依靠经验进行人工标定，或者将成品送到专门的 技术质检部门进行检验，消耗了大量的人力、物力。因此，开发一种能对汽车智 能仪表进行检测标定的测试系统已成为近年来比较热门的一个研究方向。各大高 校、研究院、汽车生产厂家都在不同程度上进行着研究。 电子测量仪器发展至今，大体可以分为模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和 虚拟仪器四代。模拟仪器仪表的基本结构是电磁式机械，借助指针来显示最终结 果；数字化仪器主要是借助于单片机设计的专用化仪器仪表，以数字方式输出最 终结果；智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力， 但由于它的功能块全部以硬件( 或固化软件) 的形式存在，无论是开发还是应用 都缺乏灵活性 1 2 1 。与前三代电子测量仪器相比，虚拟仪器作为现代计算机技术、 通信技术和测量技术相结合的产物，是对传统仪器的一次重大变革，是将来测量 仪器产业发展的重要方向。 虚拟仪器可利用强大的计算机资源进行数据处理、显示、存贮、打印、报表 等功能，并且可利用网络技术提供的数据远程传输通道实现远程测试或网络测试， 这些都是传统仪器无法企及的。另外，软件作为虚拟仪器的核心，可极大地方便 用户自定义或扩展系统功能。虚拟仪器技术的快速发展为汽车测试提供了灵活的 4 第一章绪论 解决方案，使之在汽车工程测试领域中的应用不断深入，大量取代了传统的汽车 测试仪器，并提高了测试效率。比如车载数据采集、噪声和振动测试、燃料电池 测试等，都逐渐融入了虚拟仪器技术。 在汽车仪表测试中，虚拟仪器的优势也逐渐显露出来。前不久，由北京中科 泛华测控技术有限公司为汽车电子检测行业新设计的汽车仪表盘检测系统已经交 付客户使用，该检测系统通过全程的机器及数字化处理，实现了对仪表指针的校 准与验证、l e d 颜色与亮度、l c d 字段完整性等项目测试。长春一公司制造的国内 第一台产品型汽车仪表检测机器人也已“上岗 ，可替代人检测汽车仪表和操纵系 统，它已有了视觉系统，触觉系统还需迸一步完善。 但是，目前大多数测试系统还停留在硬件研究阶段，已研发出来的汽车仪表 检测系统几乎都是用单片机开发出来的，其针对性较强，可移植性较差。相比而 言，国外利用虚拟仪器技术构建的测试系统，可移植性较强，并且其内容已经涉 及电力、医学、汽车以及实验室建立等多个领域 1 3 - 1 7 1 。 1 3 2 虚拟仪器技术在汽车测试上的应用 虚拟仪器是以计算机及网络为基础，以软件为核心的自然科学信息测试、分 析、存储、传输与控制的系统。虚拟仪器技术是在l a b v i e w 诞生以后兴起的一门 技术，是当前测试与控制领域技术的研究热点，从1 9 8 6 年l a b v i e w 诞生到1 9 9 8 年l a b v i e w 进入中国，国内对于虚拟仪器的研究也已初见成果，在机械参数测试、 机械故障诊断、机械生产过程控制中都得到了广泛的应用。与传统仪器相比，虚 拟仪器具有系统性能升级方便，价格低廉，仪器间的资源可重复利用，开发与维 护费用低，技术更新周期短等优点。因此，采用虚拟仪器技术开发仪表测试系统 比单独用硬件开发测试系统其源代码可重用性强，开发及升级费用低，系统可靠 性好且扩展性强。在“软件即仪器 的概念下，一台仪器不再是传统意义上的仪 器，而是通过计算机软件来实现测控功能的仪器。 随着社会生活水平的提高和消费者需求的多样化，汽车的性能和配置不断地 提高，增加了汽车测试的复杂程度。现代汽车测试系统应该支持多种信号的测量 与分析。虚拟仪器技术的出现为汽车测试提供了高效、便捷的解决方案。近年来 虚拟仪器技术在汽车测试中崭露头角，大量替代传统的汽车测试仪器，并实现了 新的功能。比如汽车性能测试、车载数据采集、c a n 总线控制信号采集、发动机 e c u 测试系统、噪声和振动测试，甚至燃料电池汽车的测试也开始应用虚拟仪器技 术n 盯。目前，已经实现了用v c + + 面向对象技术开发虚拟仪表类来实现快速开发 汽车电子动态仿真系统，并在此基础上开发了汽车a b s ( a n t i 1 0 c kb r e a k i n g s y s t e m ，防抱死控制系统) 的e c u 检测仿真平台；基于数据采集卡的p c d a q 结 第一章绪论 5 构开发的汽车检测仪；用l a b v i e w 实现的可测量起动性能、点火系统性能、空载 动力性能、配气相位、振动异响等的发动机虚拟测试仪；可对汽车的制动性和操 纵稳定性等技术指标进行测试并打印输出相应曲线的测试系统等等 1 9 - ： 1 1 。伟世通 汽车电子有限公司曾使用n i 产品开发了一系列包括用于气候控制、扩音器和c d 音响等的测试系统，他们发现，采用n i 的开发平台，成本低、用途广，还具有良 好的系统集成能力和强大的技术支持。此外，为了减少开发时间和昂贵的样机数 量，本田公司也曾采用n i 的数据采集卡和l a b v i e w 软件成功开发了在道路测试中 能精确反映所受压力的道路仿真系统( r s ) 和虚拟道路仿真系统( v r s ) ，开发成 本只有预期的十分之一。 由此可见，虚拟仪器技术在汽车测试领域有着广泛的发展空间和良好的应用 前景。 1 4 研究的主要内容及主要成果 1 4 1 研究的主要内容 确定汽车智能仪表虚拟测试系统的主要功能； ( d 研究汽车智能仪表虚拟测试系统的工作原理和总体框架； ( d 硬件系统开发； ( d 软件系统开发： ( d 对汽车智能仪表虚拟测试系统进行试验，验证该系统的准确性与可靠性。， 1 4 2 研究的主要成果 采用n ip c i - 6 0 1 4 数据采集卡和l a b v l e w 软件平台成功开发了汽车智能仪表 虚拟测试系统。该测试系统具有美观、便捷的人机交互主界面，方便、快捷的操 作界面，直观的数据显示界面，便于用户操作。采用“状态机 模式，各测试模 块能独立运行，互不干扰。该系统可移植性好，升级方便。 6 第二章虚拟仪器技术 第二章虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器概述 2 1 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r t u n e n t ，简称v i ) 的概念是由美国国家仪器( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ，简称n i ) 公司于1 9 8 6 年首次提出的。它是指用户在通用计算机平台 上，通过友好的图形界面来操作计算机，根据需求定义和设计仪器的测试功能， 将计算机与功能化硬件结合起来，从而实现对被测对象的采集、分析、判断、显 示、存储等功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软 件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，方便 地改变、增减仪器的功能。 虚拟仪器真正得以实现是在p c i 、g p i b 、v x i 、p x i 等总线标准出现之后，并 且随着卡式仪器、v x i 总线仪器、p x i 总线仪器等的推出而得到迅速发展。虚拟仪 器技术是仪器技术、通信技术、总线技术、数字化技术、计算机技术等有机结合 的产物 2 2 1 0 虚拟仪器从本质上说是一个开放式结构，用通用计算机、d s p 信号处 理器或其他c p u 提供系统管理、信号处理、存储以及显示功能；用数据采集板、 g p i b 或v x i 总线接口板提供信号获取和控制信号输出，从而实现传统仪器功能。 2 1 2 虚拟仪器的发展和分类 从1 9 8 6 年以专用集成电路( a s i c ) 和计算机技术为基础的总线仪器虚拟 仪器的雏形问世到1 9 9 3 年，虚拟仪器已经发展到3 0 0 多家厂商，一千多种产品。 1 9 9 5 年厂商更达到一千余家，产品达数千种。 虚拟仪器的发展有两种方式：一是g p i b v x i p x i 总线方式，适合大型高精度 集成系统；一是p c 插卡并口一串口u s b 方式，适合于普及型的廉价系统，有广阔 的应用发展前景。 按照采用总线方式的不同，可将虚拟仪器分为以下类型 z 3 l p c 总线一插卡式虚拟仪器 这种方式采用插入计算机内的数据采集卡与专用的软件( 如l a b v i e w ) 相结 合。它充分利用了计算机总线、机箱、电源及软件的便利，但是有受p c 机机箱和 总线限制，电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高等缺点。 并行口式虚拟仪器 第二章虚拟仪器技术 7 这种方式把仪器硬件集成在一个采集盒内，通过并行口连接到计算机上，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。比如美国l i n k 公 司的d s o 2 x x x 系列虚拟仪器，它们既可以与便携式计算机连接，方便野外作业， 又可以与台式p c 机相连。由于其价格低廉，用途广泛，特别适合于研发部门和各 种教学实验室应用。 串行口式虚拟仪器 这种方式把仪器硬件集成在一个采集盒内，通过串行口连接到计算机上。 u s b 口式虚拟仪器 u s b 口式虚拟仪器是把硬件集成在一个采集盒内，通过u s b 接口连接到计算 机上。 g p i b 总线方式虚拟仪器 g p i b 的出现使电子测量从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p c 机、g p i b 接口卡和g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接 而成。g p i b 测量系统的结构和命令简单，适用于精确度要求高但不要求计算机高 速传输的情况。 v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，它具有稳定的 电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于标准开放、结构紧凑、数 据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用等优点，v x i 系统越来越多地 用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。 p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是在p c i 总线内核技术的基础上增加了成熟的技术规范和要求 形成的适用于相邻模块的高速通讯的总线方式。p x i 具有高度可扩展性。 2 1 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器技术是当前测试与控制技术领域的研究热点，其“软件即仪器 的 特点使仪器设计变得简单、灵活。虚拟仪器的主要特点是： 可移植性高 “软件即仪器 的概念使得虚拟仪器的功能不再完全由硬件决定，用户可以 根据自己的需要通过软件编程更改或重新定义仪器的功能，而不需要更换硬件。 扩展性强 由于虚拟仪器技术的核心是软件，其硬件结构具有统一的标准，从而可以很 方便地加入通用仪器模块或更换仪器模块，而不必重新购买新系统，有利于测试 系统扩展。 8 第二章虚拟仪器技术 开发周期短 随着仪器性能的不断完善，新方法、新技术更新很快，而虚拟仪器由于软件 的强大功能可以很快地完成新功能、新系统的设计，及时跟上新事物的发展，大 大缩短开发周期。 虚拟仪器与传统仪器的比较如表2 1 所示 2 4 1 ： 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的对比 t a b l e 2 1c o n t r a s to fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 虚拟仪器传统仪器 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭、仪器间相互配合较差 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载关键是硬件，升级成本较高，且升级必 升级程序即可须上门服务 价格低廉，仪器间的资源可重复利用价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接功能单一只能连接有限的独立设备 开发与维护费用降至最低开发与维护费开销高 技术更新周期短( 1 - - 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 2 2 虚拟仪器的结构 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，同样划分为数据采集、数据分析处理、显 示结果三大模块( 如图2 1 所示) 。 插入式数据采集板 g p i b 仪器 v x i p x i 仪器 串e l 并d u s b 仪器 数字信号处理 数字滤波 网络通信 硬盘拷贝输出 统计分析 数值分析 文件i o 图形用户接口 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 l eo fv i r t u a li n s t r u m e n t 第二章虚拟仪器技术 9 对于传统仪器，三个部分几乎都由硬件完成，而对于虚拟仪器，后两部分几 乎都可以由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设 计周期缩短，设计工作量减少。从构成上讲，虚拟仪器已经完全脱离了原有的单 个仪器的概念，它并不是在计算机上实现某一台仪器的功能，而是几种仪器的综 合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。 2 2 1 虚拟仪器硬件系统组成 虚拟仪器的硬件结构如图2 2 所示| 2 5 1 。它主要以计算机为核心，在其基础上 扩展了不同类型的硬件设备，构成不同类型的虚拟仪器系统。目前较为常用的虚 拟仪器系统是数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、v x i p x i 仪器系统、串行接口 仪器系统以及它们之间的任意组合。 - l 信号调理 h 数据采集卡 l ， ig p i b 接口仪器| + ig p i b 接口卡卜 串行接口仪器p l c 测p c 柄- 工 控 v x i p x i 仪器 作站+ 测 对 象试软件 现场总线( f i e l db u s ，c a nb u s ) 设备 图像采集、d s p 其它硬件模块 图2 2 虚拟仪器系统的构成 f i 9 2 2s t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m 由图2 2 可以看出，支持虚拟仪器的硬件是多种多样的，这极大地丰富了虚拟 仪器的功能。但是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、 台式电脑或者工作站上，再加上相应的应用软件而成，所以，虚拟仪器技术是伴 随着计算机技术的发展而发展的。 1 0 第二章虚拟仪器技术 2 2 2 虚拟仪器软件开发环境 虚拟仪器“软件即仪器 的特点说明软件是虚拟仪器不可缺少的部分，虚拟 仪器应用程序来实现虚拟仪器面板功能并定义测试功能。虚拟仪器软件由应用程 序和i o 接口仪器驱动程序构成，其中i o 接口驱动程序完成特定外部硬件设备的 扩展、驱动与通信。 开发一个虚拟仪器时，在基本硬件确定以后，就可以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，虚拟仪器系统的软件结构如图2 3 所示。 图2 3 虚拟仪器软件结构 f i 9 2 3s o f t w a r es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n t 虚拟仪器的应用软件主要包括集成开发环境、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，可因开发者的喜好而有所不同，但 最终都必须提供给用户一个友好的人机界面。目前比较流行的软件开发工具平台 有剃： 可视化编程工具 v i s u a lc + + 是一种功能齐全的面向对象的开发工具，可直接对硬件操作，支持 多任务多线程。v i s u a lc + + 不仅是c + + 语言的集成开发环境，而且与w i n 3 2 紧密相 连，所以，利用v i s u a lc + + 开发系统可以完成各种各样应用程序的开发，从底层软 件到上层直接面向用户的软件都可以用v i s u a lc + + 来完成开发。 l a b w i n d o w s c v i l a b w i n d o w 北v i 是基于a n s ic 的交互式c 语言集成开发平台。其特点是： 基于a n s ic ，不用学习c + + 即可实现w i n d o w s9 ) 【n t 下的编程：可同标准c c + + 兼容，实现3 2 位用户库、目标模块、d l l 的相互调用；可直接生成3 2 位d l l ， 生成的d l l 也可被l a b v i e w 直接调用；编程、调试轻松；数值分析、数字信号 处理函数库丰富。 i a b v i e w 第二章虚拟仪器技术 n i 公司的虚拟仪器开发平台l a b v i e w 作为图形化编程语言，把复杂、繁琐、 费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能，并用线条将各种功能 连接起来的简单编程方式。除了具备其他语言提供的常规函数功能外，l a b v i e w 还集成了各种开关、旋钮、表头、刻度条等组成一个仪器所需的主要部件，使开 发者可以方便快捷且直观地进行图形化编程。 2 3 虚拟测试技术概念辨析 近年来，“虚拟( v i r t u a l ) 一词受到了越来越多的关注，在测试领域也出现 了“虚拟测试”这一概念。在国内绝大部分文献资料上所说的“虚拟测试技术 是指利用虚拟仪器技术来进行测试工作，而国外文献中则直接称为“虚拟仪器 。 虚拟仪器是具有虚拟仪器面板的个人计算机测量仪器，它将计算机资源与仪器硬 件、数字信号处理技术相结合，在系统内共享软硬件资源，既有普通仪器的功能， 又有一般仪器所没有的特殊功能2 。 然而国内有一部分文献资料上所说的“虚拟测试技术 则是指借助虚拟现实 技术来进行工程测试。虚拟现实( v i r t u a lr e a li t y ，v r ) 是指综合利用计算机图 形系统和各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成的可交互的三维环境中提 供沉浸感觉的技术。v r 系统包含操作者( o p e r a t o r ) 、机器( m a c h i n e ) 和人机接口 ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 三个基本要素。 另外，国外文献上所说的“虚拟测试则一般是指通过软件仿真的方法来对 电子元器件尤其是集成电路( i c ) 芯片在早期开发阶段进行测试艄。 一 本文所研究的虚拟测试系统是基于虚拟仪器技术的虚拟测试系统。 1 2第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理 第三章汽车智能仪表虚拟测试系统的基本原理 3 1 系统测试参数的选择 3 1 1 汽车智能仪表的各参数说明一1 为了更好地对汽车智能仪表进行测量，必须了解汽车智能仪表的主要显示参 数。 车速表 车速表是重要的汽车仪表功能，为了保证行车安全，特别是在限速路段和限 速车道上行驶时，驾驶员必须按照车速表的指示值，根据车辆、行人和道路状况， 准确地控制车速。为此，车速表一定要准确可靠。如果车速表指示误差太大，驾 驶员就难以正确控制车速，极易因判断失误而造成交通事故。车速里程表传感器 安装在仪表内，汽车行驶时它产生正比于汽车行驶速度的信号。汽车以不同的车 速行驶时，信号处理电路将车速传感器输入的脉冲信号，转变为与车速成比例的 电流信号，使电流表的指针偏转，指示出相应的车速。 转速表 发动机的转速表可以直观地指示发动机的转速，是发动机工况信息重要的指 示装置。驾驶员通过转速表，可以选择发动机最佳的速度范围，把握好车速换档 时机，以充分利用经济车速。发动机的转速表有机械式和电子式两种。电子式发 动机转速表又分汽油机用和柴油机用两种类型。前者的转速信号来自于点火系统 的脉冲电压，后者的转速信号来自于曲轴传感器。发动机转速表实际上是一个毫 安表。在发动机工作时，转速表中通过一系列的脉冲方波电流，电流的平均值与 发动机转速成正比，因此电流直接驱动毫安表头指针偏转，指示出发动机相应的 转速。 机油压力表 机油压力表用来显示发动机工作时发动机润滑系统主油道中机油压力的大 小。机油压力表由油压指示表和油压传感器组成。机油压力指示表安装在仪表板 上，机油压力传感器安装在发动机主油道或机油粗滤器上，两者通过导线相连。 冷却液温度表 冷却液温度表的功用是指示发动机冷却液温