（光学工程专业论文）摩托车磁电机性能虚拟测试平台的研究与开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 摩托车磁电机点火系统是直接影响着摩托车动力性、经济性和排放的非常重 要的发动机部件，其性能在线检测技术和质量控制是保证和提高我国摩托车大规 模生产产品质量的关键零部件技术之一。摩托车磁电机在线检测设备进口价格昂 贵，而目前国内设备质量和技术水平又不能充分满足日益增长的产品质量控制和 管理要求，因此应用现代测控技术研究开发功能先进而成本较低、适合我国国情 的摩托车磁电机点火系统在线检测设备具有重要的现实意义。 v i ( 虚拟仪器) 技术是现代自动化测控技术发展的重要方向，由于采用通用 化而互换性好的组件和具有可扩展性及灵活性计算机软件组成测控系统，因而既 能降低系统成本，又能实现强大的检测功能。但其软件开发非常关键，需要结合 具体检测对象和要求进行较深入的研究和开发。 针对摩托车磁电机检测对象和特殊要求，本论文应用v i 技术研究开发出了具 有性能稳定、功能丰富、操作方便、界面美观、自动化程度高而且价格适中的摩 托车磁电机虚拟测试系统，同时探讨了v i 技术在车辆零部件在线检测中具有共性 的技术问题和解决方法，内容主要包括： 1 )摩托车磁电机性能测试模拟台架的开发和关键技术问题的研究； 2 )磁电机性能检测信号的调理电路模块的开发和研究； 3 )磁电机在线检测设备v i 软件开发及面向对象技术方法探讨，研究了： m f c 的d o c u m e n t v i e w 架构在v i 测控软件开发中的应用； 磁电机性能检测中信号处理和算法： 示波控件的设计开发； 在线检测设备v i 驱动程序开发技术和方法； 在线检测设备串行通信和变频器控制技术方法的研究； 在线检测中多媒体技术方法及应用研究； a d 控制及其c o m 组件的设计开发方法。 目前该设备已经交付使用，并得到用户好评，验证了本论文的研究方法和技 术的可行性。 关键词：磁电机，测控系统，虚拟仪器，w i n d o w s 系统，v i s u a lc + + 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t m a g n e t oi g n i t i o ns y s t e mi nm o t o r c y c l ei s a ni m p o r t a n tp a r to fe n g i n e ，w h i c h a f f e c t sm o t o r c y c l e sp o w e r ，e c o n o m ya n de x h a u s t m o r e o v e ri t sc a p a b l ei no n l i n et e s t a n dt h eq u a l i t yc o n t r o li so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yt h a tc a na s s l l r ea n di m p r o v et h e q u a l i t yo fc h i n a sm o t o r c y c l ep r o d u c t s b e c a u s e i ti sv e r ye x p e n s i v et oi m p o r t m o t o r c y c l em a g n e t oo n - l i n et e s ts y s t e m ，a n dc h i n a se q u i p m e n tq u a l i t ya n dt e c h n o l o g y l e v e lc a n tm e e tt h er e q u e s to fm o d e mp r o d u c t i o nq u a l i t yc o n t r o la n da d m i n i s t r a t i o n ，i t i sp r a c t i c a l l yi m p o r t a n tt od e v e l o pa na d v a n c e do n - l i n et e s te q u i p m e n to fm o t o r c y c l e m a g n e t oi g n i t i o ns y s t e mo nm o d e mm e a s u r ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t hal o wc o s t a n das u i t a b l en a t i o n a lc o n d i t i o n v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) t e c h n o l o g yi s a ni m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no f m o d e ma u t o m a t e dm e a s u r ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g y b e c a u s eo fu s i n gt h eg e n e r a la n d i n t e r c h a n g e a b l e h a r d w a r ea n dt h ee x p a n s i b l ea n df l e x i b l ec o m p u t e rs o f t w a r et o c o n s t r u c tt h em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，w ec a nn o to n l yr e d u c et h ec o s to fs y s t e m , b u ta l s oi m p l e m e n tp o w e r f u lt e s tf i m e t i o n s b u tt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ei sv e r y i m p o r t a n ti nv i ，i tn e e d sa ni n d e p t hr e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o nb yw a yo fc o m b i n i n g i d i o g r a p h i cm e a s u r eo b j e c ta n dr e q u e s t b e c a u s eo f t h em o t o r c y c l em a g n e t oo b j e c ta n ds p e c i a lr e q u e s t , t h i sp a p e rd e v e l o p s am o t o r c y c l em a g n e t ov i r t u a lt e s ts y s t e mw i t hv it e c h n o l o g y , w h i c hh a ss t a b l ea n d a b u n d a n tc a p a b i l i t y , c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，b e a u t i f u li n t e r f a c e , h i 曲l e v e la u t o m a t i o na n d a p p r o p r i a t ep r i c e m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra n s w e r ss o m ec o m l t l o nq u e s t i o n so fu s i n gv i t e c h n o l o g yi nv e h i c l ec o m p o n e n t so n l i n et e s ts y s t e ma n da d v i s e dt h es o l u t i o n t h e m a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 ) t h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo fm e c h a n i c a lp l a t f o r mi nm o t o r c y c l e m a g n e t ot e s ts y s t e m 2 ) t h ed e v e l o p m e n ta n ds t u d yo ft h ec i r c u i t r ym o d u l et oa c q u i r et h e m a g n e t oo u t p u ts i g n a l 3 ) t h ed e v e l o p m e n to fv is o f t w a r ei nm a g n e t oo n - l i n et e s ts y s t e m ，a n dt h e d i s c u s s i n go f 0 0 ( o b j e c t o r i e n t e d ) t e c h n o l o g y , i n c l u d i n g ： t h e a p p l i c a t i o no fm f cd o c u m e n t v i e wf t a l t l ei nt h es o f t w a r e ； t h e p a r a m e t e ra l g o r i t h mf o rt h em a g n e t oo u t p u ts i g n a l ； t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f w a v em o n i t o rc o n t r o l ； i l 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 1 1 l ed e v e l o p m e n to f v id r i v e r si nt h eo n l i n et e s ts y s t e m ； t h es t u d yo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e t r a n s d u c e rc o n t r o lm o d u l ei nt h eo i l l i n et e s ts y s t e m ； t h e a p p l i c a t i o no f m u l t i m e d i at e c h n o l o g yi nt h eo n l i n et e s ts y s t e m ； n e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa dc o n t r o lc o m p o n e n tw i t hc o m t e c h n o l o g y ； a tp r e s e n t ，t h i se q u i p m e n th a sb e e np u ti n t op r a c t i c ea n dh a sr e c e i v e dag o o d r e s p o n s e t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o da n dt e c h n o l o g yi nt h i sp a p e rw f l s v a 】j d a t e d k e y w o r d s ：m a g n e t o ，t e s ts y s t e m ，v i r t u ei n s t r u m e n t s ，w i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m ，v i s u a lc + + i i i 重庆大学硕士学位论文 l 概述 1 概述 1 1 摩托车磁电机性毹测试综述 1 1 1 摩托车磁电机点火系统工作原理 摩托车磁电机点火系统是摩托车发动机中非常重要的部件，一方面摩托车的 灯光照明及其它电器等都需要磁电机供电，另一方面摩托车发动机点火需要磁电 机提供点火电源，同时通过点火系统由低压转变为高压并通过点火控制装曼控制 点火时刻，以控制发动机汽缸内的可燃混合气的燃烧【lj 。因此，磁电机点火系统的 质量控制是摩托车设计和质量管理的重要内容。 磁电机点火系统主要由磁电机、点火控制器、点火线圈及火花塞等部分组成， 根据发动机结构和性能要求、磁电机生产条件和制造成本、技术发展水平等的不 同而具有多种多样的形式，但其基本结构组成相同【l 】【2 】。目前我国摩托车行业普遍 使用的是电容放电式的c d i 磁电机点火系统，其结构特点是使用电子开关代替传 统的断电器触点开关，用电容器作为点火储能元件，又叫电子点火系统。其结构 简图和实物照片如下。 触 线 由蛊“ 玉时 l 点火控伟m 器+ l 一一一一一一j 图1 ic d i 磁电机点火系统基本结构和实物照片 f i g1 1 t h es t r u c t u r eo f c d im a g n e t oi g n i t i o ns y s t e ma n dt h ep i c t u r eo f p r o d u c t s 与其它的磁电机点火系统相比，c d i 点火系统不仅可以实现点火提前角随发 动机转速的变化而变化以适应发动机在不同转速下对点火提前角的不同要求，而 且在提高点火能量、保证点火系统的工作稳定性和可靠性、提高火花塞寿命及实 现点火系统鸽低成本等方面都有明显的优势【2 l ，因此目前我国国内摩托车磁电机点 火系统绝大部分采用c d i 点火系统。 1 1 2 摩托车磁电机点火系统眭能测试的目的和意义 根据发动机燃气燃烧和摩托车电器用电的要求，一般要求磁电机点火系统具 重庆大学硕士学位论文 1 概述 有如下表的基本性能，同时对各项内容必须进行严格的测试检验和质量控制【4 表1 1 磁电机的部分性能参数 n o 基本性能意义 磁电机作为发电机对蓄电池充电和对其它电器供电的 l 输出电流 输出电流值。 c d i 点火系统中，对电容器的充电电压，该参数用于确 2 充电电压 定电容放电式点火系统的输入能量和掌握电容器所承 受的电压值 从火花塞点火到活塞到达匕止点时曲轴转过的角度，用 3 点火提前角 于判断磁电机所带的断电器( 传统点火) 或触发线圈( 电 子点火) 的工作性能 在火花塞间隙火花所放出的能量，可用火花电流与火花 电压在整个火花持续时间上的积分来计算，亦可用某处 4 点火能量 电流瞬间值、电压瞬间值与火花持续时间的简单乘积来 代替 在规定条件下火花跳越火花塞间隙的时间间隔或电流 5 火花持续时间 流经火花塞间隙的时间间隙 6火花电流 在规定瞬间所测得的流经火花塞电极问的电流 7 火花电压 在规定瞬间火花塞两端所测得的电压 上述性能参数要求随发动机转速不同而变化，目前点火提前角、充电电压和 直流电流是摩托车整车厂家要求必须全检的项目，随着对摩托车排放的要求越来 越高，今后点火能量参数的检测与控制将会成为必检项目。 目前我国摩托车生产产量已居于世界第一位，每年产量已超过1 0 0 0 万台，相 应地磁电机点火系统的生产规模很大，而我国部件材料生产行业质量控制水平仍 然较低、散差很大，再加上磁电机生产工艺和设备条件比较落后，因此质量保证 能力相对国外还有较大差距。针对生产规模大、人机料法环质量影响要素的散差 又大的现实状况，目前摩托车整车和磁电机部件生产厂家都非常重视磁电机产品 的性能测试和检验，以保证磁电机产品交验质量，提高产品的竞争力，因此磁电 机产品在线测试设备和手段也日益受到人们的重视。 国外汽车工业发展的经验也告诉我们：没有高水平的检测设备和手段，就不 可能有真正高水平、高品质的产品。当今汽车产品的竞争无不以其高质量为前提， 而高质量的产品必须要有高水平的测试技术作保障【4 】。随着w t o 的参加，我国汽 车工业发展面临更全面的挑战，如何提高和保证我国汽车摩托车产品的质量是关 系着我国汽车工业长远发展的关键之一，因此不断地研究和开发适应中国国情的 汽车、摩托车及零部件的先进检测设备，以满足我国汽车制造过程品质控制的要 求具有重要的现实意义垆j i 。 2 重庆人学硕士学位论文 1 概述 1 1 3 摩托车磁电机性能测试的现状和趋势 长期以来，我国汽车摩托车工业同其它行业一样，存在着重理论轻实践、重 设计轻工艺、重生产轻测试的倾向，致使我国汽车摩托车行业的测试设备绝大部 分非常落后，汽车及零部件产品的制造品质始终难以上水平、上档次f ”。 我国磁电机生产的起步较晚，在供不应求的年代磁电机的性能检测也没有受 到人们的重视，相应地磁电机测试设备异常落后。1 9 7 9 年天津内燃机研究所开始 研制c s 一1 型磁电机专用试验台，但由于当时的条件限制，该检测设备相当简单、 粗糙，各方面的性能指标较低。随着汽车摩托车工业的不断发展，对摩托车的质 量要求也越来越高，相应地对磁电机也提出了更高的要求，国内天津摩托车技术 中心等科研所和院校也陆续开发了几种磁电机测试设备【8 】【”，但仍存在以下不足： 1 ) 测试系统的机械台架制作简陋，操作不方便，测试效率低； 2 ) 测试的自动化程度低，测试结果不能自动存储处理和统计分析，数 据处理能力较弱i 3 ) 测试系统本身没有直接观察和分析磁电机点火系统各种信号的示波 器功能，不便于进行磁电机的不良品解析； 4 ) 测试系统的操作界面粗糙、人机交互性差，档次较低； 5 ) 性价比低。 因此应用现代测试技术、计算机处理技术和技术研究开发性能更好、使 用更方便而成本更低的摩托车磁电机性能测试设备，以满足我国磁电机行业越来 越高的使用要求、提升我国摩托车磁电机在线检测的技术和质量管理水平，具有 重要的现实意义。 1 2v i 技术及应用前景 1 2 1v l 技术的思想和产生背景 v i ( v l r t u a li n s t r u m e n t s ，虚拟仪器) 是现代自动化测控技术发展的重要方向， 它是现代计算机技术、电子测量仪器技术和现代测试技术的深层次结合。1 9 8 6 年 美国国家仪器公司( 简称n i 公司) 提出了虚拟仪器( v i ) 的概念，经过十几年的 发展，v i 技术本身不断完善，在军事和民用领域获得了广泛的应用，对现代测控 技术产生了深远的影响【l 。j 【l 。由于v i 利用计算机的强大资源使本来需要传统硬件 实现的功能软件化，不仅大幅度降低了测试传统的成本，而且增加了系统的功能 和灵活性。 虚拟仪器的体系结构如下图【”3 所示，它由通用化( 容易实现低成本、互换性) 重庆大学硕士学位论文 1 概述 的仪器硬件组件( 如各种总线设备、板卡、计算机硬件) 和计算机软件( 具有可 扩展性和灵活性) 组成，即：v i = 通用硬件+ 软件。由于硬件是通用化的，因此不 同测控仪器间的区别是软件，也是虚拟仪器研究开发的中心，因此n i 公司提出了 “软件即仪器”的口号 1 0 1 。然而软件是最终存在于计算机内存中的二进制代码， 是看不见摸不着到的，因此是“虚拟”的，也就是说虚拟仪器就是v 化的仪器。 图1 3 v i 体系 f i g1 3t h es y s t e mo f v i v i 与传统仪器相比，具有明显优越性1 3 】【1 4 】： 1 )虚拟仪器容易实现智能化随着软件技术的不断提高，虚拟仪器可以 更好地实现自我诊断和复杂测试环境的判断处理能力，而且数据处理 功能更加强大； 2 1由于软件的易修改性和可扩展性，虚拟仪器的测控项目和功能可以很 方便地实现修改，以适应各种不同的测控要求。只要更新软件就能够 实现测控仪器的功能扩展和升级，因此具有更好的可扩展性和可扩充 性以及使用灵活性； 3 1利用面向对象技术，软件开发速度得到很大提高，而通用化的硬件不 需要进行复杂的二次开发，只需简单的集成组装和调试，这样测控仪 器整体开发速度更加快速，开发周期大大缩短，以适应现代工业生产 中因产品生命周期缩短而带来的产品开发和生产过程中的测控仪器的 快速更新要求； 4 1通用化的硬件便于大规模生产和保证可靠性，同时可以重复使用，无 论是全新开发、功能改造还是使用维护等都可以实现更低的成本； 5 1现代操作系统的界面和强大的图形处理功能可以提供更好的用户界 4 重庆大学硕士学位论文 1 概述 面，更便于实现“通过建立与对象的通信，获取对象的完美直观的表 达和实现对象的有效控制”的测控目标。 v i 技术可以分为通用化硬件技术和软件技术两部分。一方面，通用化硬件技 术是软件技术的支撑，没有标准化、系列齐全、可靠性高、成本低的可用于快速 集成组装的通用化硬件，虚拟的软件就没有良好的生命空间和场所：另一方面， 软件技术是对硬件技术的进一步提升，没有高质量的软件，硬件也只能是没有用 的、无生命的空壳u “。 1 2 2v l 的通用化硬件技术 v i 通用化硬件技术的中心是标准化技术 色色，若没有统一的标准接口，就不能实 现硬件的可互换性集成组装，而标准化又 集中体现在总线接口的标准化上。根据总 线的信息集成的空间范围和对象属性不 同，我们可以将其分为：芯片级总线、板 卡级总线、设备总线、现场总线、l a n 、 因特网以及全局局部总线、并行串行总 线、数字i 数据地址控n 总线等等，目前 世界上测控相关领域的各大公司都标准化 技术方面投入大量的人力和财力，争夺制 如下图所示。v i 通用化硬件形形 图1 4v i 的通用化硬件组件 f i g1 4h a r d w a r eo f v l 定相关标准的主动权。事实证明：随掌握了该领域的标准化制定主动权，谁就能 领导该领域的市场和技术的主动权。根据v i 仪器所采用的总线标准不同，可以将 v i 仪器分为如表1 2 所示多种硬件平台： 表1 2v i 的硬件平台种类 t a b l e1 2t y p e so f v ih a r d w a r e 种类 说明 又叫插卡式虚拟仪器。它使用插入计算机内的数据采集卡完成信号的采 集，可充分利用微型计算机丰富的软硬件技术，具有成本低、结构简单、 易于升级的优点，但p c 总线平台的插卡物理结构无统一标准，插槽数 p c 总线虚拟仪器 日有限，没有仪器系统要求的同步和触发，系统电磁兼窖性差，机箱不 利于散热等缺点。由于目前微型计算机相当普遍，该类虚拟仪器具有很 大的发展空间i 】9 f - 2 0 j 。 该系统将仪器硬件集成在一个采集盒中，通过并行【_ _ 】，串行口与计算机 进行连接。与p c 总线仪器相比，该方式的最大优点是可与便携式计算 并行n 串行口式虚拟仪器 机相连，方便野外作业，又可与台式机相连，使用灵活。特别是u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 串行方式是目前计算机总线技 术的热点，有相当大的发展潜力。 重庆大学硕士学位论文 1 概述 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n s t r u m e n t a t i o nb u s ，通用仪器总线) 技术是 i e f a 8 8 标准的虚拟仪器早期发展阶段。典型的g p i b 系统由一台p c 机、 g p i b 总线式虚拟仪器 一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器通过g p i b 电缆连接而成，可以 方便地把多台仪器组合起来，形成大型的测量系统。具有控制方便、结 构简单、造价低等优点，但数据传输率较低。 v x i ( v m ee 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 ) 是v m e ( v e r s am o d u l e e u r o p e a n ) 计算机总线在虚拟仪器领域的扩展，具有标准开放、结构紧 v x i 总线式虚拟仪器凑、数据传输率高、模块复用性强等优点，但造价比较高，适用于组建 精度和速度要求高的大、中型测试系统【2 1 翻。经过了1 _ 多年的发展， 现在v x i 总线的虚拟仪器使用已相当广泛。 p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t n l m e n t a t i o n ) 是在1 9 7 7 年由n j 公司提出的 一种开放的、模块化的虚拟仪器总线技术，是在p c i 总线技术内核上增 加成熟的技术规范和要求形成，目的是将p c 机的价格优势和p c i 总线 p x i 总线式虚拟仪器 面向仪器领域的扩展结合起来，成为一种新的虚拟仪器硬件平台洲。与 v x i 总线相比，其优点是成本底、具有先进的数字接口和仪器接口功能， 性价比高，适用于便携式的、规模较小的测试系统。 在集成虚拟仪器组件中必须根据测试内容要求和成本等多种因素，确定v i 的硬件平台。 1 2 3v l 的软件开发技术 一个完整的虚拟仪器的软件平台包括运 行环境和开发工具，其中的运行环境是指操作 系统，是软件的基础，提供各种基本的服务； 用户通过开发工具定义的规则和提供的接口 与操作系统交互，完成所需要的功能f 2 孤。普 通的软件平台模式如下图【1 6 1 所示，其中，上 层是第三方的系统管理接口，如m i c r o s o f t 的 图1 5v l 的软件框架 w o r d 和e x c e l 以及一些数据库如a c c e s s 、 f i g1 5t h ef m m eo f v ls o r w a r e o r a c l e 等，中层是各种开发工具，底层是操作 系统服务。 通常不同的计算机硬件平台有其相应的操作系统，如普通的p c 机通常使用 m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s ，苹果机使用m a c h i n t o s h ，i b m 服务器使用o s 2 ，s u n 工作站使用s o l a r i s ，惠普( h e w l e t t - p a c k a r d 简称h p ) 工作站使用h p u n i x ；而虚 拟仪器的开发工具更是种类繁多，不同的操作系统上的开发工具不尽相同，就是 在同一个操作系统上也有多种的开发工具。 以常用的w i n d o w s 系统为例，开发工具可分为基于文本语言的开发工具和基 于图形语言的开发工具。基于文本语言的开发工具有微软公司的v i s u a l c + + ，v i s u a l b a s i c ，b o r l a n d 公司的d e l p h i ，b o r l a n dc + + ，c + + b u i l d e r 和n i 公司的 重庆大学硕士学位论文 1 概述 l a b w i n d o w s c v i 等，在该方式下，用户输入文本代码，开发工具编译( 解释) 生 成可执行文件；基于图形语言的开发工具有n i 公司的l a b v i e w ，a g i l e n t 公司的 v e e 等，其特点是开发工具提供大量的图形元件库，封装了底层接口，用户可根 据需要选择元件，用节点和连线的方式组建程序【2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 两类工具各有优缺点，前者与操作系统的交互比较直接，可充分调用系统的 各种服务，生成的目标代码短小紧凑、运行速度快、功能强大而且开发工具售价 较低，缺点是要求开发人员掌握至少一门编程语言，并对计算机硬件原理、操作 系统知识有一定了解，而且软件的开发周期长，工作量大，维护和升级较复杂； 相对来说后者售价较高，在执行代码大小、运行速度方面稍显逊色，但对一般测 试要求已足够，而且对开发人员要求较低，软件开发周期短，维护升级方便。因 此在选择软件开发平台时同样需根据实际情况来考虑，大中院校和科研单位等要 求较高的应选用前者，而一般的测试工程师可采用后者。 除了开发工具外，软件的体系和构架同样非常重要，若设计不好，无论采用 何种开发工具，其最终只能收到事倍功半的效果。随着工业发展，现代测试技术 越来越复杂，测试指标的综合性越来越强，传统的面向过程的软件设计方法已经 不能适应现代自动化测试系统的结构开放化、平台化的发展，复杂而繁琐的测试 软件开发大大限制了自动化测试技术的进一步推广，这也是虚拟仪器所要解决的 关键问题之_ 2 7 】【2 8 】。而面向对象技术的出现则为实现灵活开放的虚拟仪器框架提 供了更为有效的解决方法【2 。 面向对象( o b j e c t - - o r i e n t e d ，简称0 0 ) 技术又是v i 软件技术的核心。客观 世界中事物的运动变化可以在计算环境中这样来描述和模拟：用一组数据来表征 特性、时空状态和约束，用一组函数来改变或操作这些数据以表达时空运动变化 轨迹和方法，上述组合体就是对象。只要给定计算环境中一系列对象的初始边界 条件，同时施加一系列输入，就会获得一个虚拟现实的对象运动变化。面向对象 技术的观点基于一种直观的思维方式，以一种自然的方法描述客观世界，把客观 世界的事物看成一个个不同的对象，每一个对象都有自己的属性和方法，对象之 间采用消息等机制进行通讯。其基本的特征有数据抽象、封装、继承、多态及消 息通信等 3 0 】 3 1 1 ，比之面向过程的方法优点非常明显，主要体现在以下方面： 1 ) 程序的结构传统的基于过程的方法以全局过程( 函数) 的形式构建程序。 当系统的结构比较庞大时，就会需要很多的函数进行很复杂的调用，整个 框架显得混乱不清。而面向对象的方法中使用的是一个个的对象，各个对 象都有其不同的功用，这些功用被封装在各个对象当中，隐藏了具体的方 法过程，只向外提供公用的接口。因此在搭建程序时，只需要在对象库中 重庆大学硕士学位论文 1 概述 选用需要的对象，再通过各种接口和通讯机制把这些对象粘贴起来即可， 方便快速，而且结构简单，条理清晰； 2 ) 代码的重用性由于对象是数据结构的表达方式，并具有继承、派生等特 性，因此在一个程序中定义的对象可以在另一个程序中使用和扩充，具有 很强的通用性。只要将写好的所有对象放在一个对象库中，就可以供其他 的开发人员使用，代码的重用性好，这将大大的节约了软件开发的时间， 降低了开发成本； 3 ) 程序的维护和升级当一个软件开发出来后，对其维护的费用是相当高昂 的。由于使用对象后，程序的结构变得清晰，因此代码的可读性就变好， 从而使程序的维护更加方便，同时由于对象的可重用性强，具有继承和派 生等支持可扩充的特性，因此程序的升级也更为方便。 面向对象的思想由产生至今才二十几年，但如今面向对象在软件开发人员心 中已不是新鲜陌生的东西，从早期的s m a l lt a l k 面向对象语言到面向对象的设计方 法以及面向组件的c o m 技术，面向对象的思想已经渗透到计算机软件科学的各个 领域【3 ”。对于一个“软件即仪器”的虚拟仪器测试系统来说，代码的模块化、可 重用性和可扩展性相当关键，直接影响系统的成本和效率。使用面向对象的设计 方法可以将虚拟仪器按功能拆分成一个个单独的对象来设计，然后再利用对象的 通讯机制将其有机的组合起来，完全满足虚拟仪器软件的要求，因此面向对象的 设计方法是现代虚拟仪器软件开发技术的基础。 1 2 4v i 技术的现状和应用前景 虽然v i 技术的发展才只有十几年的历史，但自n i 公司开始已陆续有数百家 公司加入v i 研究的行列，如安捷伦( a g i l e n t ) 、泰克( t e k t r o n i x ) 、雷卡( r a c a l d a n a i n s t r u m e n t s ) ，菲利浦( p h i l i p s ) 、b & k 等提供了各种总线的虚拟仪器。据统计，到 1 9 9 4 年，国外各虚拟仪器产品达一千多种，已在各生产厂家普遍使用【1 7 】。 国内起步相对较晚，国内许多重点大学、科研机构和企业于九十年代中期开 始进行这方面的研究，如清华大学、浙江大学、西安电子科技大学、中科泛华电 子科技公司、哈工大仪器王公司等，到现在已取得一定的成果，推出了一些产品口”， 但要在企业生产中普及使用虚拟仪器作为生产线检测设备仍需一段时间。 由于有强大的计算机技术作为坚强的后盾，发展到现在，虚拟仪器己超出了 “仪器”这一概念，成为集数据采集、分析处理、数据库管理、远程监控和专家 系统等功能于一体的，具有高度智能化，可以解决更加复杂的测试问题的测控系 统，广泛应用于电子测量、故障诊断、军事工程、机械工程、地质勘探、生物医 疗以及教学医疗等各个领域。 重庆大学硕士学位论文 1 概述 但现在的虚拟仪器技术还未达完美的境界，由于开发商众多，虚拟仪器存在 着内部结构以及外部接口没有统一标准的问题，为此1 9 9 3 年成立了v x i p l u g p l a y 系统联盟，制定了v p p 规范以定义虚拟仪器软件结构( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ，简称v i s a ) 和虚拟仪器驱动器模型和软件标准 3 3 l 3 4 。1 9 9 8 年，以 n i 公司为首的多家仪器公司在美国成立了i v i ( i n t e r c h a n g e a b l e v i r t u a li n s t r u m e n t ) 基金会，旨在进一步扩展v x i p l u g & p l a y 规范，探讨仪器驱动程序编程标准，使程 序的开发完全独立于硬件和操作系统，实现真正意义上的模块重用【3 5 】。可以预见， 在不久的将来，虚拟仪器将全面取代传统仪器，在各个领域发挥其独有的魅力。 1 3 本文研究的目的和内容 本文试图通过磁电机点火系统性能虚拟测试平台的研究开发，探讨采用v i 技术和面向对象方法、基于w i n d o w s 系统平台、采用m f c 应用程序框架建构虚拟 测试系统的具体实现方法和应用。 本论文拟开发的磁电机点火系统性能虚拟测试平台的要求和目标： 1 )采用通用的p c 总线平台并自主开发前段信号调理印刷板电路接口， 以尽可能地降低测试系统的成本，同时便于今后推广应用； 2 )机械模拟台架的设计开发须解决目前市场上测试台操作不便、效率低 的问题，同时能实现更高的转速和稳定性，具有自动化程度高、可靠 安全、美观耐用、功能更强大的优点； 3 )使用串行通信技术开发变频器通信模块，实现控制的灵活性； 4 )开发界面友好的示波显示功能，便于磁电机不良品的原因解析和应用； 5 )采用多媒体技术，能够在现场检测中进行检测结果的声音和直观的提 示、报告，以降低操纵人员的疲劳强度、提高测试产品的宜人性； 6 )开发的软件具有可扩展性、可维护性和灵活性，便于以后同类产品 软件的代码复用和升级。 通过开发性价比高、具有市场价值、面向实际的测试产品这一过程，为今后 进一步的研究和开发打下基础。 根据上述目标要求，本论文将提出并实现其相应的完整解决方案，同时进行 相关技术方法的探讨和研究。 重庆大学硕士学位论文 2 磁电机测试系统的硬件架构和设计开发 2 磁电机测试系统的硬件集成和设计开发 2 1 系统硬件总体结构与测试过程描述 2 1 1 系统硬件总体结构 在现代英汉词典上，可查到测试( t e s t ) 的定义：“使功能部件进行工作并将 其达到的结果与规定结果作比较，以确定其可接受性”。一个完整的测试系统首先 应该在硬件结构设计上要保证其测试对象在真实的或模拟的工作环境下工作，其 次是通过各种测试仪器获取对象工作的信息并进行处理，最后才能将测试结果与 规定的或标准的值进行比较。因此，要开发一个测试系统，首先必须建立和实现 良好的测试对象工作硬件环境。 对汽车摩托车零部件生产部门的在线测试而言，要在生产过程中将零部件安装 在车辆上进行检测是不现实的，常用的解决方法是使用各种机械台架来模拟零部 臻镪2 ”“鲻| | | | 1 缓鬻。，。 世一“瀚瓣孵搿i ；i | | | | 羹i 黧i 鬻i 辘瓣i 谶誊赢鞭。剽磁电机对蒙k # ；嚣髓滋t 誊“冀i 蒸l 篓薹鍪i 瓣一 誉| i 传动系 i 襄5 t ：”麓；髫传感器 ：曩 警g 1 一十 、。+ 钢i 变频调速电机i 慝。” 上，羹 溢薯1 厂i 。一；l 信号调理电路l霪j 。矗。 鬻爨 变频器 1 厂 隧t 黧上土鬻 控制信号i 测试信号 翻 串行通讯u 加采集卡l 鬻 外部操作 图2 1 测试系统硬件总体结构 f i g2 1m a i nh a r d w a r es t r u c t u r eo f m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m 重庆人学硕士学位论文2 磁电机测试系统的硬件架构和设计开发 件的真实工作环境。而测试仪器方面通常有 多种选择，可以用传统的指针或数字式仪 表，可以用带有内置处理芯片的智能仪器， 也可以用计算机和仪器硬件组建的虚拟仪 器。各种设备各有优缺点，但综合各方面来 考虑，先进的虚拟仪器是测试系统的最佳选 择【l o 】【l l 】【1 2 】。 磁电机测试系统的硬件主要由两大部 分组成：机械台架和虚拟仪器硬件，其系统 结构和最终实物产品分别如图2 1 和图2 2 图2 2 磁电机性能测试设备产品 所示。其中机械台架由装夹机构、驱动机构 9 2 2 t h e m a g n e t 0 t e 吼d “i 。 和测试信号调理电路板组成，虚拟仪器硬件 由接口仪器硬件和计算机硬件组成。 2 1 2 测试过程描述 上述磁电机测试系统主要的工作流程如下： 测试人员在机械台架上用装夹工具将磁电机装好后按下启动按钮，计算机检 测到启动信号后，发送指令启动变频器运行电机，电机通过传动装置带动磁电机 转子旋转从而模拟磁电机在摩托车上的工作状况，磁电机产生的各种信号经传感 器和整流滤波电路处理后传送到a d 数据采集卡的输入通道中，由计算机进行数 据的采集和处理，处理完后将结果在显示器上显示出来并存储到存储器中。然后 计算机再次发出指令控制变频器改变电机的转速，当磁电机的工作状况跟随电机 转速改变后，又进行采样处理以及结果的显示和存储。就这样，虚拟仪器部分反 复的执行这些动作直至预先设定的每个转速下的参数都测试完毕，再由测试人员 将已检验完毕的磁电机卸下换上另一待检的磁电机。 整个过程，测试人员需要做的只是在机械台架上装卸磁电机和按下启动按钮 的动作，其它过程均由测试系统自动完成，测试人员最后只需听取测试系统检测 结果的声音提示或观察显示界面，自动化程度高，每台磁电机测试检查时间大约 为3 0 秒，完全满足在线测试的要求。 2 2 机械模拟台架设计开发 机械模拟台架是磁电机测试系统的重要组成部分，由于磁电机转速很高，最 高转速需要达到1 2 0 0 0 转分，因此轴承选择、转动部件配合精度控制等方面都有 特殊的要求，以避免高频振动噪声，同时提高运转的平稳性和耐久性。本论文在 重庆大学硕士学位论文 2 磁电机测试系统的硬件架构和设计开发 参考现有磁电机检测系统，特别是日本的磁电机测试装置的基础上，结合国内实 际情况经过多次改进，完成了机械模拟台架的设计开发、加工制造和装配调试， 效果良好，不仅避免了高频振动噪声，而且允许转速可达到1 4 0 0 0 转分，外观精 美耐用，操作方便可靠。 本论文开发的磁电机测试系统模拟台架的结构简图如下图所示； 测试信号 控制信号 图2 3 模拟台架的结构简图 f 塘2 3t h es t r u c t u r eo fm e c h a n i c a lb e n c h 机械台架的总体框架由槽钢和钢板制成，使用变频器控制变频调速电机带动 驱动轴旋转模拟发动机曲轴。驱动轴穿过台面上的底座孔用轴承固定在台架上， 磁电机转子通过键与穿过底座露出台面的驱动轴部分连接，磁电机定子和触发线 圈固定在底座上，定子位置在飞轮转子的壳内，触发线圈在壳外。这样当驱动轴 带动磁电机转子转动时，定子上的充电绕组产生的充电电压和触发线圈产生的触 发信号就会送到点火器中由点火器控制产生点火信号，定子上的其它绕组也会输 出感应电流。通过计算机控制变频器的输出就可模拟磁电机在摩托车不同转速下 的工作状况，将磁电机在这些工作状况下产生信号通过电路进行滤波、整流和放 大后接入虚拟仪器硬件中就可使用计算机进行数据的采集与处理。 2 2 1 快速装夹装置的设计开发 由于磁电机在线测试的产品数量很大，目前生产厂家每条生产线的日均产量 可达到8 0 0 0 台，要求测试系统在很短的时间内完成检查工作，因此提高磁电机检 测对的装夹速度、可靠性、方便性和轻便性就显得非常重要。另外，同一条生产 线将有可能经常交替地生产不同种类的磁电机产品，而这些磁电机产品的外形尺 重庆人学硕士学位论文 2 磁电机测试系统的硬件架构和设计开发 寸和结构又不尽相同，为了使同一台测试系统能够适用多种磁电机产品的测试， 还要求装夹装置具有一定的适应性以及快速更换能力。为此本论文经过反复改进， 设计开发出了一种新型的装夹装置，改变了目前普通的磁电机测试台架采用的通 过螺钉固定定芋在底座上和螺母固定转子在锥轴上的低效率方式。 l ，也 1 盒体2 转子3 定子4 通用底座5 专用底座6 驱动轴7 固紧螺杆 8 固紧螺母9 拉紧销1 0 锥套1 i 固紧手柄1 2 弹簧压紧机构 图2 4 快速装夹装置结构简图 f i g2 4t h es t r u c t u r eo f t h ef i xe q u i p m e n t 本论文中设计的磁电机装夹装罱结构如图2 4 所示：磁电机装夹在机械台架 台面上的一个用钢板制成的方形盒中，以免磁电机因误装而导致高速运转时飞出； 定子固定部分由通用底座、专用底座、固紧螺母和螺杆、拉紧销等部分组成，不 同型号的定子由固紧螺母