（车辆工程专业论文）基于labview的制动试验台研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本课题针对目前教学和科研用a b s 试验台存在的不足，应用机械惯量电模拟 理论，设计了新型制动器检测试验台。该试验台体积小，可以模拟出汽车运动过 程中的速度转速变化的过程，模拟精确，操作方便，可提高试验精度。 以l a b v i e w 为软件平台，采用电模拟方式来开发汽车制动性能测试系统。通 过道路实车试验得到汽车制动过程中速度的变化，作为程序的输入数据。测量系 统由动量模拟部分、制动部分、传感器、采集卡、l a b v i e w 软件和计算机组成。 系统硬件主要由台架、计算机、数据采集卡、直流电动机、直流电机调速器、测 速发电机以及s a m a n a 2 0 0 0 制动系统组成。系统软件主要有道路试验数据读取、数 据采集、电机控制、数据存储分析等主要功能模块。 试验台以模拟汽车车速和轮速变化为目标，利用l a b v i e w 软件工具开发了系 统的测试和控制程序。电机控制系统以汽车运动惯量和整车速度模拟为目标的 系统调试后进行了试验，试验结果表明本设计和开发的系统能满足各种道路 条件下汽车车速和轮速变化的模拟测试。 关键词：制动试验台，惯量模拟，电机控制，虚拟仪器 重星堡三奎童三量堡圭兰堡堡圣 a b s t r a c t h y b r i ds i m u l a t i o nt e c h n i q u ew a sa p p l i e d t od e s i g nn e w t y p eo f e x p e r i m e n ts y s t e m t od e a lw i t ht h ed e f i c i e n c yo ft h eb r a k i n ge x p e 耐m e n tg y s t e mw i t ha n t i b r a k es y s t e m w h i c hw a su s e df o rl e a r n i n ga n dr e s e a r c h i n g t h ee x p e r i m e n ts y s t e mc o u l ds i m u l a t et h e v e l o c i t yv a r i a t i o no fp r a c t i c a lv e h i c l ea st h ea c t i o no fb r a k i n gs y s t e mw i mc o n v e n i e n t o p e r a t i o na n dh i g ha c c u r a c y h y b r i ds i m u l a t i o nt h e o r yw a su s e dt oc o n s t r u c tm a t hm o d e lo fv e h i c l el o c o m o t i v e i n e r t i aa n db r a k i n gf o r c eo f r o a db ya n a l y s i so fp r o c e s sb r a k i n go nt h er o a da n dt e s t i n g s y s t e mw i t hd y n a m i cm e c t u m i c s s a n t a n a 2 0 0 0w a st a k e na st h eo b j e c tt od e s i g na n d m a k eb e d s t e a dt e s ts y s t e mw h o s em a i nt a s ki st om e a s h l ea n dc o n t r 0 1 t h es p e e d c h a n g e si nb a k ep r o c e s sc a n b eo b t a i n e df r o mt h er o a dv e h i c l ee x p e r i m e n t sa n dt h ed a t a c a nb ep mi nt h ep r o c e d u r e t h i st e s ts y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do fs y s t e mw h i c hi st o s i m u l a t ev e h i c l el o c o m o t i v ei n e r t i a , b r a k i n gf o r c e ，l a b v i e wa n dc o m p u t e r h a r d w a r e o fs y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do fb e d s t e a d ，i n d u s t r i a lc o m p u t e r , d a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ， d i m c tc u r r e n tm a g n e t i cg r a i nc h i t e h , r e d u c e r , s e l l s o l 3a n ds a n t a n a 2 0 0 0b r a k i n gs y s t e m s y s t e ms o f t w a r ei sm a i n l yc o m p o s e do fc o n t r o lm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ， c o n d i t i o nc o n t r o lm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l ea n dd a t ar e a dm o d u l e t h et e s tp l a t f o r mt a k es i m u l a t e st h ea u t o m o b i l ev e h i c l es p e e da n dat u r no f f a s t c h a n g e ag o a l ，h a sd e v e l o p e dt h et e s ts y s t e ma n dt h ec o n t r o lp r o c e d u r eu s i n gt h e l a b v i e ws o f t w a r et 0 0 1 t h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o n t r o ls y s t e mt a k e st h em o v e m e n t i n e r t i aa n dv e h i c l es p e e ds i m u l a t i o na sag o a l ，w h i c hi st h es i l i c o n - c o n t r o l l e dr e c t i f i e r d i r e c tc u r r e n tm a c h i n ev e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e m t h eb r a k ed e v i c ee x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nt e s t e da f t e rd e b u g g i n g e x p e r i m e n t r e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nm e e ts i m u l a t i o nt e s tf o rv e h i c l eu n d e re v e r yr o a d c o n d i t i o n s k e yw o r d s ：b r a k i n gd e v i c ee x p e r i m e n ts y s t e m 、i n e r t i as i m u l a t i o n 、e l e c t r i cm a c h i n e c o n t r o l 、v i r t u a li n s t r u m e n t i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 现代社会，汽车已成为人们工作、生活中不可缺少的交通工具。在日新月异 的汽车业的需求和刺激下，汽车性能检测技术也相应的得到大力发展。 汽车业的迅速发展，对汽车检测行业和汽车检测设备提出了新的要求，传统 的汽车检测方法已远不能适应现代的汽车检测了。随着我国加入w t o ，汽车的一 些标准和法规进一步与国际接轨，我国的汽车制动法规g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动 系结构、性能及试验方法也基本引用e c er 1 3 ( 欧洲经济委员会汽车制动法规1 的有关条款。目前，我国汽车检测站主要用检测制动力的方法来检验汽车的制动 性能，但检测结果不能准确地反映汽车的实际制动效果，这个问题应引起足够的 重视。因此，严格执行新标准，根据“智能化”，“自动化”的应用技术发展趋 势，采用先进的设计理念和手段，设计一套功能齐全、性能良好，使用方便，具 有高精度和高可靠性的汽车制动性能试验台，对提高汽车制动系统的设计制造水 平和在用汽车的定期安全检验能力具有十分重要的意义。 制动性能试验主要有实车和台架试验两种，由于实车道路试验存在成本高、 周期长和受气候制约大等不足，汽车台架试验与通常的道路试验相比具有试验速 度快、精度高、费用低、数据稳定、可比性好等优点。为了保证试验条件与实际 工况的一致性，现有汽车a b s 试验台都用滚筒来模拟道路，用大质量飞轮( 组) 模 拟汽车运动惯量，存在体积大( 单滚筒试验台滚筒直径达1 s m 一2 m ) ，对不同类型汽 车进行试验时，系统惯量调整困难，尤其不能做到惯量无级调速，导致了试验的 复杂性并造成试验误差1 ”j 。 台架试验是制动器研究中不可缺少的重要环节，是评价制动器能否满足使用 要求的最重要试验之一，因此研究一种模拟性能好、自动化程度高的制动器试验 台是非常符合实际工程需要的。制动器试验台是测定和分析制动器性能和质量的 试验装置。制动器生产企业要求试验台系统能够检测制动器的各种性能，具体测 试项目为：制动器效能试验、制动器热衰退及恢复试验、制动衬片块磨损试验、 制动器噪声测定、试验过程中温度的同步测量和记录、记录输入管路压力和输出 制动力矩的关系、记录制动时间和输出力矩的关系 3 1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 测试仪器的发展历经了传统仪器、智能仪器、卡式仪器、虚拟仪器等等几个 要阶段。传统仪器的发展经历了漫长年代，在很长一段时间里一直对人类生产生 活起着巨大作用。到了2 0 世纪中后叶，随着人类科学技术水平的不断发展，才使 得传统仪器在某些应用领域显得有些不适时宜，如航空、航天、科学研究以及军 事等一些重要部门。传统仪器的某些不足推动了测试仪器进一步发展。2 0 世纪8 0 年代初，随着计算机技术和通讯技术的迅猛发展，相继出现了智能仪器、卡式仪 器等新型测试系统。它们是计算机技术、总线技术，数字化技术等与传统仪器技 术相结合的产物。它们的出现极大地推动了测试仪器的发展。但是由于智能仪器、 卡式仪器本身所存在的一些局限性，使得在2 0 世纪8 0 年代来到9 0 年代初，随着 世界科技水平飞速发展，特别是计算机软、硬件技术，总线接口技术以及数字化 技术的不断成熟，又出现了以v x i ，p x i 等总线形式的自动化测试系统。在此基础 上，人们提出了虚拟仪器概念，并得以实现。它代表丁2 1 世纪测试仪器发展的新 方向蜘。 在现代测量中，虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。 随着v i 驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编程中的基础， 这样可以大大缩短复杂程序的开发时间，而且可以用各种不同的模块构造自己的 v i 系统。v l 系统的使用可以大大提高测试水平与效率。v i 通过应用程序将通用计 算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面操作这台计算机，就像 在操作自己设计的一台单个传统仪器一样。v i 以透明的方式把计算机资源( 如 c p u 、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d ，d a 、数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达【6 j 。应用程 序将可选硬件( 如g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 ，d a q 板) 和可以重复使用原代码函数。 本文主要是以l a b v i e w 为软件平台，采用电模拟方式来开发汽车制动性能测 试系统。研究构建基于l a b v i e w 的制动器试验台，本试验台装用s a n t a n a 2 0 0 0 的 制动系统实物，应用计算机控制技术实现汽车运动惯量的模拟；通过对电动机速 度控制实现汽车行驶速度的模拟。本试验台根据目前实际使用的a b s 装置，使用 电模拟技术，通过机电硬件部分的设计和软件控制相结合的方法，来模拟汽车的 运动过程中动量变化。 1 2 目前国内外制动试验台的研究现状 青岛理工大学工学硕士学位论文 汽车制动器的台架试验是用模拟汽车的制动过程，以总成台架试验的方式来 测试制动器总成的制动效能、热稳定性、衬片磨损以及强度等项性能。在制动系 统试验装置中，较重要的室内台架试验设各有：制动器性能、强度试验台，真空 助力器带制动主缸总成台，制动轮缸试验台，液压一制动系统阀类试验台，制动 防抱系统e c u 试验台，调节阀试验台，轮速传感器试验台，气压制动控制装置试 验台，气压调节保护装置试验台，制动气室、弹簧制动气室试验台，高、低温及 振动试验台，腐蚀试验装置等”。 下面列举了几个国外典型的试验台，由于执行的试验标准的差异，所做的项 目也有所交叉，因此试验台架的名称也不相同。 ( 1 ) 惯性测功机( 4 5 0 0 培m 2 ) 该试验台主要用于制动器台架试验。 其技术数据如下： 惯量：i = 2 5 0 4 5 0 0 培m 2 电极功率：1 6 0 k w 模拟范围：机械惯量4 - 3 0 0 k g m 2 传动比：1 ：2 ：5 转速范围：o 7 5 0 ，缸 数据传输：1 6 通道脉码调制遥测系统 最大制动力矩：6 0 0 0 0 n m 压力控制单元：气液转换器 数据采集和控制：3 2 位总线传输系统 制动器尺寸：最大直径7 0 0 m m 或6 8 5 f 轮胎 轴负荷：最大2 2r 。 ( 2 ) 为液压脉冲激振装置 该试验台可用于模拟踏板力加载系统的各种试验。 其技术数据如下： 最大承载负荷：2 0 0k g ； 最大试验力：6 3 k n 青岛理工大学工学硕士学位论文 振幅：1 0 0 m m 最大电流：2 5 2 l m i n 最大试验频率；8 0 h ： 最大加速度：3 0 7 ( 5 0 k g 承载负荷) 2 4 7 ( 1 0 0 k g 承载负荷) 1 7 7 ( 2 0 0 k g 承载负荷) 最大活塞速度：1 7 7 r n s 电功率：9 5 枷 工作压力：2 8 m p a 最大泵容量：1 6 3 l r a i n 。 目前国内外有关制动器试验台的型式很多，其典型代表如德国k r a u s s 制动 试验台，美国c h a s e 制动试验台，国产m n i 1 0 0 0 摩擦试验台以及吉林大学机电 设备研究所j f 系列试验台等吐 j f l 2 2 型制动器试验台，主要用于轿车及轻型汽车( 载重量 3 优) 的制动器疲劳 试验，也可以进行盘式制动器或鼓式制动器及摩擦衬片的性能测试。其试验原理， 是根据制动副摩擦力矩与压力成正比的特性而确定的，因而具有优良的模拟性和 数据重现性。试验简捷快速，试验数据可靠。j f l 2 2 型制动器试验台，是以j f l l 2 制动器惯性试验台为基础改进设计的。除保留了原有的制动器及摩擦衬片的摩擦 性能惯性试验功能和驻车制动器测试功能外，增加了主轴的低速转动试验功能， 并使静摩擦力矩最大允许值由原来的1 3 0 0 n m 增加到5 0 0 0 n 1 1 2 。 兰口概习l f 印巍 m r _ ld ，alt 教 徵i 矧l 怒i 旧ii 蕊忪* 蒜饶j | ，愁i卜板lj 畿 到幽 l 赢 图卜1 i f 试验系统测量控制原理 青岛理工大学工学硕士学位论文 测量控制系统全部安装在计算机和控制柜及调速柜内。测量系统包括：制动 管路压力测量，制动力矩测量，制动缆绳拉力及位移测量，制动盘( 鼓) 及摩擦片温 度测量( - - 路) ，主轴转速测量；控制系统包括：制动压力闭环控制，手刹车拉力闭 环控制，摩擦力矩闭环控制，主轴转速反馈控制，冷却、除尘风速开环控制以及 电磁换向阀逻辑控制；全部控制可分手动控制及计算机自动控制。压力( 拉力，力 矩，位移) 测控系统由压力( 拉力，扭矩，位移) 测量显示和压力( 拉力，力矩) 伺服闭 环控制系统组成。压力( 拉力，力矩) 信号作用在应变压力( 拉压，荷重) 传感器上， 输出的信号送到放大器板上，输出0 - 5 v 信号；信号分成二路：第一路送入伺服板 完成p i 调节进行伺服放大，输出0 - a ：4 0 m a 电流给电液伺服阀，以调节压力( 拉力， 扭矩) 的输出值与给定值相等；第二路送到计算机a d 板，完成数据采集。 制动器试验台需要有模拟被制动对象机械能的装置，目前得到了广泛应用的 是利用惯性飞轮来模拟旋转机械装置的惯性。飞轮是一种贮藏能量的机械部件， 它在角速度上升时吸收能量，在角速度下降时释放能量，因此它可以用来模拟制 动器负载。制动器试验时，用电动机来启动飞轮，此后在惯性试验台上的制动器 吸收达到一定速度的飞轮动能，在变化的滑转速度下实现转动轴制动。驱动电机 选择双端输出式电机，机械惯量盘( 即飞轮) 是该试验台的核心部件，将惯量盘设计 成多片，根据在该台架上所模拟的旋转机械装置总重，计算出转动机械惯量并逐 级分配到各大小飞轮上，即实现运动质量惯量模拟【7 】。 试验台的工作循环为：将惯性质量启动到给定速度，关闭传动电机并打开记 录装置，接通被研究的制动机构传动，自到将惯性质量制动到完全停止。试验台 采用手操纵或带有一定制动间隔的自动操纵，当要获取制动机构制动特性时，采 用手操纵：当进行制动机构耐久性试验时，采用自动操纵。在试验过程中，记录 下各种模拟工况的以下参数：飞轮转动惯量、惯性质量初速度、制动管路空气压 力、制动鼓( 盘) 温度、制动衬片( 块) 温度、制动距离、制动时间、制动扭矩和制 动噪声声级等测试项目数据，并显示或打印各种需要的曲线和图表。 1 3 本文完成的主要工作 本课题主要是以l a b v i e w 为软件平台，采用电模拟方式来开发汽车制动性能 测试系统。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 青岛理工大学工学硕士学位论文 种功能模块，最后再进行集成和调试。本课题首先研究构建基于l a b v i e w 的制动 器试验台，本试验台装用s a n t a n a 2 0 0 0 上制动系统实物，应用计算机控制技术实现 汽车运动惯量的模拟；通过电动机调速控制实现汽车行驶速度的模拟。本试验台 根据目前实际使用的a b s 装置，使用电模拟技术，通过机电硬件部分的设计和软 件控制相结合的方法，来模拟汽车的运动过程中动量变化。 本论文的主要内容有： ( 1 ) 介绍了虚拟仪器技术的概念、发展前景以及组成虚拟仪器硬件和软件。把虚 拟仪器技术与传统的仪器相比较，突出了虚拟仪器成本低、开发周期短、测试分 析功能强大和具有可移植性的优点。虚拟仪器技术代表了测试仪器的发展方向。 ( 2 ) 制动器试验台的工作原理以及构建。本课题设计制动器试验台是一以计算机 为核心的基于电模拟技术的测控系统。试验台上的制动器、液压制动系和a b s 均 为s a n t a n a 2 0 0 0 车上的实物，直流电动机和可控硅直流电机调速器构成试验台的驱 动部分。 ( 3 ) 运用l a b v i e w 软件开发了制动器试验台测试程序，实现了汽车道路工况的 再现。通过道路试验采集汽车制动过程的速度数据，作为测试程序的输入数据。 ( 4 ) 系统调试和试验。 1 4 本章小结 本章简述了测试仪器的发展应用，制动试验台的国内外研究现状，讨论了课 题背景及研究的目的和意义，介绍了论文的主要研究内容。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章虚拟仪器技术 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 ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结 合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计 算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强 大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式 系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统 为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指后一种方式。图2 1 描述了常见的 虚拟仪器方案【g l 。 被信数数 测 号据据 - - _ - - - 对调采处 象理 集理 卡 图2 1 虚拟仪器方案 虚拟仪器概念早在2 0 世纪7 0 年代就己提出，但真正得以实现则是在p c i 、 g p i b 、v x i 、p x i 等总线标准出现之后才变为可能，并随着卡式仪器、v x l 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。这是在标准计算机 软硬件基础上，加上一组软件和硬件所构成。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。“数据采集、分析处理传输显示”结构模式为其硬 件开发平台，同时充分利用计算机强大软件功能及有关测试开发软件所需要测试 仪器方案。虚拟仪器功能完全由用户自己设计、定义，因而可以通过改变软件适 应不同测试需要，很容易与互联网、外设以及其他仪器相联接，真正体现“软件 青岛理工大学工学硕学位论文 就是仪器”，“网络就是仪器”的概念。 虚拟仪器的主要特点【9 1 ： ( 1 ) 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ( 2 ) 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的 仪器。 ( 3 ) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短( o 5 1 年)技术更新周期短( 5 - 1 0 年) 软件是关键硬件是关键 价格低价格昂贵 开放灵活与计算机同步，重复崩和配置崮定 可用网络联络周边各仪器只有有限可连的设备 自动、智能化、远距离传输功能单一、操作不便 2 2 虚拟仪器硬件和软件 2 2 1 虚拟仪器测试系统的硬件构成 虚拟仪器( v i ) 测试系统是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分 析、过程通讯及图形化用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操控的 模块化仪器系统【l q 。 从构成要素讲，v i 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 板和信号调理为仪器硬件而组成的p c d a q 测试系统，以g p i b v x i ，p x i ，s e r i a l 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系统、串口系统 和现场总线系统等多种形式”。v i 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台 式p c 或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。因此，的发展已经 完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示山v i 的灵活性与强大生命力。 2 2 2 虚拟仪器测试系统的软件构成 虚拟仪器技术的核心思想，就是利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬件 实现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵 活性。基于软件在v i 系统中的重要作用，n i 提出了“软件就是仪器( t h es o i t w a m 青岛理工大学工学硕士学位论文 i st h ei n s t r u m e n t ) ”的口号。v p p 系统联盟提出了系统框架、驱动程序、v i s a 、软 面板、部件知识库等一系列v p p 软件标准，推动了软件标准化的进程。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、 应用软件。 ( 1 ) v i s a ( v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ) ，虚拟仪器软件体系结构， 实质就是标准的i o 函数库及其相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的 软件层连接，以实现对仪器的程控，它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可 调用的操作函数集【。 ( 2 ) 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程 序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源 码的形式提供给用户。 ( 3 ) 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好 的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为以下两种方式： ( 1 ) 通用编程软件进行编写。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与v i s u a lc + + b o d a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公司的p o w e r b u i l d e r 。 ( 2 ) 用专业图形化编程软件进行开发。如h 1 ) 公司的v e e ，n i 公司的l a b v i e w 和 l a b w i n d o w s c v i 等。 2 3 图形化的编程语言l a b v i e w 2 3 1l a b v i e w 介绍 虚拟仪器( v d e e 最具有代表性的图形化编程语言是n i 公司推出的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 ) ，它是一种基于图形开发、调 试和运行程序集成化开发环境，是一种3 2 位的编译型的图形化编程语言。在以p c 机为基础的测量和工控软件中，l a b v i e w 的市场普及率仅次于c _ + 佗语言。 l a b v i e w 开发环境具有一系列优点，从流程图式的编程、不需要预先编译就存在 语法检测和调试过程使用的数据探针，到其丰富的库函数、数值分析、信号处理 和设备驱动等功能。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 l a b v i e w 是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验 室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v l e w 集成了与满足 g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内 置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的 软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用 过程都生动有趣【1 3 1 。 图2 - 2l a b v i e w 的启动界面 图形化的程序语言，又称为“g ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序 代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程 师所熟悉的术语、图标和概念，因此，l a b v i e w 是一个面向最终用户的工具。它 可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集 系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大 大提高工作效率。 利用l a b v i e w ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2 位编译器。 像许多重要的软件一样，l a b v i e w 提供了w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 、m a c i n t o s h 的多种版本。 2 3 2l a b v i e w 应用程序的构成 所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器( v i ) ，它包括前面板( f r o mp a n e l ) 、 流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标，连结器( i c o i l ，c o l l i l e c t o r ) 三部分 1 4 】。 图2 - 3 前面板是图形用户界面，也就是v i 的虚拟仪器面板，这一界面上有用 户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制( c o n t r 0 1 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 和显示对象( i n d i c a t o r ) 。 图2 - 3l a b v i e w 前面板 图2 - 4 流程图提供v i 的图形化源程序。在流程图中对v i 编程，以控制和操纵 定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子， 还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。 图2 - 4 l a b v l e w 后面板 2 3 3l a b v i e w 的操作面板 在l a b v i e w 的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板， 包括工具( t o o l s ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和函数( f u n c t i o n s ) 模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征”5 1 。 ( 1 ) 工具模板( t o o l sp a l e t t e ) 图2 - 5 图2 - 5 模板提供了各种用于创建、修改和调试程序的工具。如果该模板没 有出现，则可以在w i n d o w s 菜单下选择s h o w t o o l sp a l e t t e 命令以显示该模板。当 从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从 u 青岛理工大学工学硕士学位论文 w i n d o w s 菜单下选择了s h o w h e l p w i n d o w 功能后，把工具模板内选定的任一种工 具光标放在流程图程序的子程序( s u bv ) 或图标上，就会显示相应的帮助信息。 表2 - 2 工具模板的功能 图标名称功能 l 幽 o p e m 忙v a l u e ( 操用于操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符 作值)串控制中键入值时，工具会变成标签工具 2 i 噜i p o s i t i o n s i z e s e l e 用于选择、移动或改变对象的大小。当它用于改变对 g t ( 选择)象的连框大小时，会变成相应形状。 e d i t t e 砒( 编辑文用于输人标签文本或者创建自由标签。当创建自由标 3 幽 本) 签时它会变成相应形状。 c o n n e c tw i r e ( 连 用于在流程国程序上连接对象。如果联机帮助的窗口 4 幽 线)被打开时把该工具放在任一条连线上，就会显示相 应的数据类型。 o b j e c t s h o r t c u t用鼠标左键可以弹出对象的弹出式菜单。 5 i 咱l m e n u ( 对象菜单) s c r o l lw i n d o w s使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫 6 l 聊l ( 窗口漫游)游。 s e t c l e a r 使用该工具在的流程图对象上设置断点。 7 倒 b r e a k p o i n t ( 断点 设置清除) 8 幽 p r o b ed a t a ( 数据 可在框翻程序内的数据流线上设置探针。通过控针窗 探针)口来观察该数据流线上的数据变化状况。 g 毗c o l o r ( 颜色提使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。 9 幽 取) s e t c o l o r ( 颜色设 用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背 1 o 酗 置) 景色。 ( 2 ) 控制模板( c o n t r o lp a l e t t e ) 图2 - 6 模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对 象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制 模板不显示，可以用w m d o w s 菜单的s h o wc o n t r o l sp a l e u e 功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键， 以弹出控制模板。它包括表2 - 3 的一些子模板【1 q 。图2 - 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 表2 3 控制模板的功能 ( 3 ) 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e ) 功能模板是创建流程图程序的工具。图2 7 模板上的每一个项 层图标都表示一个予模板。若功能模板不出现，则可以用w i n d o w s 菜单下的s h o wf u n c t i o n sp a l e t l e 功能打开它，也可以在流程图程 序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。功能模板其子模 块如表2 - 4 所示。图2 7 至墅堡三奎耋三耋堡圭耋堡堡圣 表2 4 功能模板的功能 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 3 4l a b v i e w 软件的功能特点 软件的功能特点可归纳为： ( 1 ) 区别于面向对象和流程控制的编程控制方法，l a b v i e w 采用图形化的编程方 式，不受严格的语法限制使得编程更为简便。 ( 2 ) l a b v i e w 作为一种虚拟仪器，仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的， 而不是事先由厂家定义好的。其性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的改进 即可。研制周期较传统仪器大为缩短。 ( 3 ) 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的 高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的 调试和开发更为方便和快捷。 ( 4 ) 通过3 2 b i t 的编译器编译生成3 2b i t 的编译程序，可以保证拥护数据采集、测 试和测量方案的高速执行。 ( 5 ) 包括了d a q ，g p i b ，p x i ，v x i ，r s - 2 3 2 4 8 5 在内的各种仪器通信总线标准的所 有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备和仪 器。 ( 6 ) 提供大小与外部代码或软件进行连接的机制，如d l l s ，d d e ，a e l i v e 等。 ( 7 ) 事件驱动编程。l a b v i e w 在程序设计方法上一个重大的改进就是引进了事件 驱动编程( e v e n td r i v e np r o g r a m m i n g ) 。以前版本对前面板的响应采用传统的循环检 测方式，通过循环检测每个前面板对象的状态来决定响应程序。循环周期太长将 占用太多的c p u 时间，使用该方法可以提高响应速度。 2 4 虚拟仪器发展趋势 随着计算机技术的迅速发展，用微机进行数字化测试分析的理想终于成为现 实。其中几个关键技术包括：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 的价格问题都已解决，加上各种功能的专用 软件迅速发展，促使了在国内外掀起了v 【热“7 1 。 美国国家仪器公司( n i ) 于1 9 8 6 年提出了虚拟仪器的概念，并且不断研制和推 出了基于多种总线系统的仪器。v i 技术实现了计算机技术和仪器技术完美的结 合，充分利用快速发展的计算机技术来提高测试计量仪器的功能性能。虚拟仪器 概念是对传统仪器概念的重大突破，以其为代表的的虚拟测试技术是自动化测试 青岛理工大学工学硕士学位论文 技术发展的一个新时代，是测试技术走上信息化、集成化以及模块化、系列化、 标注化的重要标志1 ”j 。 美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国和出口国，生产虚 拟仪器的主要厂家有n i 公司、l i p 公司、t e k t r o n i x 公司、r a e a l 公司等，每个公司 的产品都有8 0 1 0 0 种左右，在国际仪器市场上具有较强的竞争力，这些公司领导 着v i 技术和产品的新潮流，是推动v i 技术发展的主动力。迄今为止，v i 已经经 历了g p i b 总线、基于p c 机的数据采集卡( p c - d a q ) ，v x i 总线三种典型标准体系 结构。t 5 1 1 9 9 7 年，n i 公司发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范p x i ， 将成为一种主流的虚拟仪器测试平台。同时出现了一系列用于v i 产品开放图形化 编程环境，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v l ，h pv e e 等。1 9 9 8 年，n l 公司发布了 可互换虚拟仪器( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s 。i w ) 和虚拟硬件( v i r t u a l i - l g x d w a r e ，v h ) 的概念，按照概念设计的产品己经面市；i v x 基金也已于1 9 9 8 年8 月在美国正式成立，并发布了相应的i v x 技术规范。 目前在美国，许多大学都有自己的虚拟仪器实验室，不但进行虚拟仪器的研究 与开发，而且还将虚拟仪器作为- - i 7 课程向学生传授，为学生提供实验条件，让 学生亲自动手，学习建立自己的虚拟仪器系统。据美国权威杂志统计，n i 公司的 k l b v i e w 已占有测试系统软件市场份额的3 9 ，而惠普公司的h p v e e 也占有市 场的1 1 。对虚拟仪器的研究，我国从9 0 年代中期开始，至今已有新的进展。己 经有许多厂家或科研单位在使用虚拟仪器进行测试方面作了一系列有益工作，开 发了一些虚拟测试仪器。如清华大学应用虚拟技术构建的用于检测汽车发动机性 能的出厂检测系统；哈尔滨工业大学推出自己的“仪器王”虚拟仪器系统；东方 振动和噪声技术研究所研制出可实现一机多功能、多用途的i n v 系列虚拟仪器， 实现了“把实验室拎着走”，另外浙江大学、成都电子科技大学、上海同济大学、 上海交通大学、河北工业大学，上海仪器仪表所、中科泛华测控科技公司、陕西 海泰电子公司等一批高校和高科技公司也正在不断进行虚拟仪器的研究和应用， 并取得了一定成果。 中科泛华测控科技公司运用虚拟仪器技术建立了汽车传感器测试系统，本测试 系统采用可更换测试模块方式，同一套工作台可以测试曲轴、凸轮轴、轮速等传 感器。更换相应的测试模块即可测试不同的传感器。在各个测试模块上安装有气 缸、旋转电机、目标轮、传感器和核心测试电路。这些装置有助于保证各个测试 青岛理工大学工学硕士学位论文 模块功能的独立性和安装的灵活性。并且使用一个测试工作台产品可以进行多种 传感器的测试。在保证测试系统的灵活性的同时可以降低生产商的生产成本。 我国传统仪器技术还比较落后，与国外相比，测量精度和可靠性均较低，且自 动化程度较低。当前，各种测试软件、专用集成电路、固化软件的广泛应用，系 统技术和模块式仪器的迅速发展，都给虚拟仪器的研究和应用创造了良好条件， 也为我们提供了一个缩小与国际先进水平差距的机会。虚拟仪器在我国的研究和 开发有着十分现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国仪器的整体水 平，节省仪器开发的人力和费用。有理由相信，随着软件业和测试技术的发展， 虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。 2 5 虚拟仪器在制动试验台的应用分析 根据现有实验设备( 和在研设备) ，在对汽车制动性能检测有关标准和方法充分 学习和研究的基础上，开发出汽车制动性能检测虚拟仪器系统，使之能够满足现 有汽车制动性能检测的要求，具有较强的应用性和扩展性，并能够适应检测不断 发展的形势，能够较为方便的移植到其它实验平台，是本文的主要目的。 基于虚拟仪器技术的汽车制动性能检测系统具有以下特点： ( 1 ) 可以充分利用现有实验条件和实验设备，也可以对新型实验设备的设计方法 提供有力的支持； ( 2 ) 开发周期短，能够较快地应用于检测工作中 ( 3 ) 操作简单维护方便，检测任务基本上由计算机控制整个过程，实验人员干 预较少，同时由于硬件相对较少，主要工作由软件完成，因此维护方法比较简单， 维护费用比较低； ( 4 ) 具有丰富的数据处理手段，提供多种数据分析方法，能够现场分析，也可事 后回放； ( 5 ) 系统能够轻松扩展和移植，基于良好的程序框架流程设计，可以方便地增加 或修改测试内容，将新的子程序嵌入到系统中来，也可以对程序不做较大的改动 移植到其它实验平台完成相应实验任务。 2 6 本章小结 本章首先介绍了计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向， 引出了虚拟仪器的概念，分别说明了虚拟测试系统的软件以及硬件的构成，最后 青岛理工大学工学硕士学位论文 主要介绍了图形化的编程语言l a b v i e w ，以及虚拟仪器在制动试验台上的应用。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第3 章制动器试验台架的工作原理和构建 3 1 试验台的工作原理 3 1 1 惯量模拟的理论 由于汽车制动时的动能不同，过去一般是在制动速度给定的条件下，取定相 应