（计算机应用技术专业论文）基于虚拟仪器技术的机动车性能测试系统设计与实现.pdf

山东理二r 大学碗十学位论文摘要 摘要 在当前的测试领域中，传统的测试系统由于本身所固有的诸多弊端变得越来越不能 适应现代测试的要求。虚拟仪器技术是随着计算机软件技术发展起来的一项新技术，它 克服了传统仪器的弊端，利用计算机强大的计算能力和灵活的软件技术，在有限的硬件 基础七实现出符合各种需求的仪器体系。利用虚拟仪器的柔性和可扩展性，可大大提高 了测试系统的开发效率、可维护性和测试精度。 本文对虚拟仪器技术的发展历史与应用现状进行了详细的介绍，对虚拟仪器的软硬 件实现技术特点进行了具体的分析。通过分析国内外机动车性能检测系统的发展现状， 针对现有机动车性能检测仪器的不足并结合企业的实际需要，进行了基于虚拟仪器技术 的机动车性能检测系统的研究和设计。 本文首先对性能指标的测试算法进行了研究，推导了发动机功率和扭矩两大测试参 数的算法原理：其次，研究了检测系统的硬件结构设计；最后，研究和讨论了虚拟仪器 测试系统软件实现的各个主要环节，研究了数据通讯、数据采集、数据处理、前面板设 计、数据库访问等技术问题，给出了实现的方法。 本文从整体的角度分析了虚拟仪器测试系统的组建，并给出了具体的设计和实现， 对企业组建基于虚拟仪器的钡4 试系统有一定的指导意义。 关键词：虚拟仪器：性能测试；数据采集；数据库；l a b v i e w ；a d o 山东理工大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nm o d e mm a n u f a c t u r i n g ，t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sc a l l tm e e tt h en e e do f m o d e m m a n u f a c t u r i n gb e c a u s eo fi t si n h e r e n ts h o r t c o m i n g s v i r t u a l i n s t r u m e n ti so n eo ft h e n e wt e c h n o l o g i e sw h i c hi se v o l v i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y u t i l i z i n g t h ep o w e r f u lc o m p u t i n gc a p a b i l i t yo fc o m p u t e ra n df l e x i b l es o f t w a r et e c h n i q u e s ，i to v e r c o m e s t h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa n dc a l lb eu s et oi m p l e m e n td i f f e r e n tk i n d so f i n s t n n n e n ta r c h i t e c t u r e sf o rd i f f e r e n td e m a n db a s e do nl i m i t e dh a r d w a r e u t i l i z i n gt h e f l e x i b i l i t y a n de x p a n s i b i l i t yo fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e ，i ti m p r o v et h ee x p l o i t a t i o n e f f i c i e n c y , m a i n t e n a n c ea n dm e a s u r ep r e c i s i o no f t h e m e a s u r e m e n ts y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eh i s t o r ya n dt h ea p p l i c a t i o na c t u a l i t yo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n da n a l y z e st h ef e a t u r e so fi t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g yi nd e t a i l b y a n a l y z i n gt h es i t u a t i o no fv e h i c l ec a p a b i l i t yt e s t i n gs y s t e mh o m ea n da b r o a d ，a i m i n ga tt h e s h o r t c o m i n go ft e s ts y s t e mu s i n gi no u rc o u n t r ya n df o rf u l f i l l i n gt h ep m t i c a ln e e do ft h e e n t e r p r i s e ，an e w v e h i c l ec a p a b i l i t yt e s t i n gs y s t e mi ss t u d i e da n dd e v e l o p e db a s e do nv l ( v t r t u a l i n s t r u m e n t s ) f i r s t l y , t h em e a s u r i n gm e t h o d so f v e h i c l ec a p a b i l i t yt e s t i n ga r es t u d i e da n dt h ea l g o r i t h m o f h o wt oc a l c u l a t ee n g i n e sp o w e ra n dt o r q u ei sd e d u c e d ；s e c o n d l y , t h eh a r d w a r es t a - u c t u r ea n d s y s t e mm o d e l o f v e h i c l ec a p a b i l i t yt e e i n gs y s t e mi ss t u d i e d ；t h i r d l y , t h em a i ns o t t w a r ed e s i g n m o d u l ei sg i v e n ，s u c ha sd a t ac o m m u n i c a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s i sa n dd a t am a n a g e t h ep a p e ra n a l y s et h ec o n s t r u c t i o no fm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nv i t u a li n s t r u m e n t ， a l s og i v et h er e a ld e s i g n i tw i l lg i v ee n t e r p r i s eg r e a ts i g n i f i c a t i o nf o rb u i l dm e a s u r es y s t e m b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti nt h ef a c t o r y k e yw o r d ：l a b v i e w ：v i r t u a li n s m m a e n t ；m e a s u r e m e n ts y s t e m ；d a t aa c q u i s i t i o n ； d a t a b a s e ：a d 0 j 】 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得山东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。 研究生签名：家，虱7 缓 时间：上。旷年月7 扩日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：孑j 冠7 ) 天 时间：如旷年歹月珀 导师酶莎例缸帆衙多月c g 日 山东理工大学硕一l 学位论文第一章绪论 1 1 本课题的研究目的和意义 第一章绪论 随着我国汽车工业和交通运输业的迅速发展，汽车在国民经济各个领域和人民生活 中发挥着越来越重要的作用。人类在享受汽车带来的便利、高效和舒适的同时，也承受 着汽车带来的一系列社会问题。首先，道路交通事故成为人类的头号杀手。据统计，全 世界每年有6 0 至7 0 万人丧命于汽车轮下，约8 0 0 万人受伤致残，由此带来的经济损失 更是不计其数】【”；其次，汽车消耗了大量的石油资源。能源是发展生产和提高生活水平 的物质基础，汽车的主要能源是石油产品中的汽油和柴油，随着我国汽车保有量的逐年 增加，石油消耗持续增长，然而我国石油产量增长较慢，难以满足汽车增长的要求，因 此我国每年都需要进口大量的石油；最后，汽车的尾气污染、噪声污染和生产过程中的 工业污染已成为环境污染的重要因素。 汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时，由汽车受到的纵向外力所决定 的、所能达到的平均行驶速度，它的好坏也会直接影响汽车的运输效率和经济效益p j 。 汽车的制动性是汽车在制动时所表现的行驶性能，它的好坏直接关系到交通安全，因为 许多交通事故往往与制动反映慢、制动距离太长、制动时发生轮胎侧滑等现象有关。汽 车的燃油经济性是汽车使用经济性中最重要的一部分，在汽车运输成本中燃料消耗费用 约占总费用的2 0 3 0 ，所以经济性能的提高就意味着汽车运输成本的下降和经济效 益的提高。同时石油能源越来越短缺，这就迫使人们关注汽车燃料经济性。 汽车检测与诊断技术是国家六五计划期间重点推广的项目，受到交通管理、运输管 理、汽车维修及使用部门的普遍关注。国家标准g b 7 2 5 8 - - 8 7 机动车运行安全技术条 件实施以来，对于保持汽车良好的技术状况、预防交通事故、减少环境污染，起到了 重要作用，1 9 9 7 年对g b 7 2 5 8 - - 8 7 标准进行了修订，颁布了g b 7 2 5 8 - - 9 7 机动车运行 安全技术条件，对机动车的各项性能要求提供了更进一步的标准，如相应地提高了车辆 路试制动检验初速度 4 1 。实施机动车辆的性能指标测试是保证其系统稳定性、可靠性及 安全性的重要一步，也是一项较为复杂且要求较高的工作。目前，国内对机动车辆的性 能指标测试主要是通过两类仪器，一是机动车检测线，主要是用于常规性能及安全性能 检测，需要有固定的厂房安装检测设备，因此造价高，典型应用为交警车辆管理所。虽 然它能检测诊断出车辆的各种性能参数，为全面准确评价汽车的使用性能和技术状况提 供可靠依据，但是机动车流动性大，雨这些检测设备大多笨重，安装复杂，价格昂贵且 受场地影响很大，不方便携带，难以应用于交通事故等现场的实时检测。另一种是便携 式测试仪，可用于机动车的道路试验，直接反映车辆的实际状况，但是目前便携式测试 【j 东理工大学硕卜学位论文 第一章绪论 仪器多属单片机加数码显示方式，存在功能较弱、不易扩充、数据处理能力较差、编程 复杂、不易升级、直观性差等缺陷。 针对现有检测装置的不足，克服技术上的难点，本课题提出了研制一种基于虚拟仪 器的智能化机动车性能检测仪器。它功能强，能完成汽车动力、制动、经济三项性能检 测；综合性强，多路传感器可同时t 作，同时具有对光电非接触式速度传感器、油耗传 感器的系数自动标定功能；精度高，系统由计算机自动监测开始条件和结束条件，消除 了操作误差，同时从采样和数据处理方法上较好的解决了制动测试中、制动停止时车辆 抖动对测试精度的影响；扩充简单，系统采用先进的虚拟仪器软件丌发平台l a b v i e w 根据测试要求的需要可方便地增加相应的测量模块，完成新的测试任务：使用方便，系 统采用笔记本电脑加u s b 数据采集卡的方式组建，安装及使用方式较之于传统插卡式虚 拟仪器更加方便，能满足农村及没有设置检测线的小县城的现场测试要求。同时，系统 的采样方法和数据处理方法能为相关技术部门设计虚拟仪器产品时提供思路。因此，本 课题具有重要的实际意义、学术价值和社会价值。 1 2 国内外机动车性能检测技术发展概况 1 2 1 国外机动挈性能检测技术发展概况 在国外，一些发达资本主义国家，早在2 0 世纪5 0 年代就开始发展以故障诊断和性 能检测为主的单项检测技术和生产单项检测设备。6 0 年代初期进入我国的汽车检测试验 设备有美国的发动机分析仪、英国的发动机点火系故障诊断仪和汽车道路试验速度分析 仪等，这些都是国外早期发展的汽车检测设备。6 0 年代后期，国外汽车检测诊断技术发 展很快，并且大量应用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测 技术。相应产品有非接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、排气分析仪等。7 0 年 代，随着计算机技术的发展，出现了检测控制自动化、数据处理自动化、检测结果直接 打印的现代化综合检测技术。在此基础上，各工业发达国家相继建立汽车检测站和检测 线，使汽车检测制度化。 国际上2 0 世纪7 0 年代已开始注意汽车诊断的标准问题1 6 】。1 9 7 2 年，在美国旧金山 召开的第一次国家汽车安全会议就讨论了汽车诊断标准化问题。在该次会议上，德国大 众汽车公司首先展出了使用微机的诊断仪器。它利用汽车装设的诊断用传感器和联接器 与车外微机相连，能检查8 8 个项目。之后，各国相继推出类似的诊断装置，但是这类装 置数据存贮量小，缺乏对检测数据的综合分析能力，对故障部位的推断能力有限，使用 成本高，因此这段时期带有微机的车上实时监测与控制装置占了汽车故障诊断设备的主 流。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机的普及以及人工智能技术的发展，开始探讨用于 当查塞：! ；查兰竺；! 兰堡篁兰 篓= 耋竺篓 汽车诊断的专家系统口j ，如美国雷迪安公司设计了一个实验性汽修专家系统；加拿大太 平洋铁路公司利用多年积累的润滑油光谱数据分析经验，于1 9 8 7 年开发了一个用于利用 发动机油液分析来进行故障诊断的专家系统。这些系统己获初步成功，显示了专家系统 的巨大潜力。但是，基于知识的诊断系统的发展也面临许多问题，主要原因是来自传统 的基于知识诊断理论的限制和对不同深层次诊断知识获取的困难。 2 0 世纪9 0 年代，随着德国百斯巴特公司应用计算机控制、采用c c d 测量传感系统 和无线数据传输的新一代彩屏显示的四轮定位仪m t 4 0 0 0 型问世之后，美国太阳公司、汉 尼公司、大熊公司、法国班米纳公司以及意大利科基公司，相继推出了太阳m a c 和e e w a l 0 1 型、汉尼a m m c 0 4 5 0 0 型和4 5 0 1 型、大熊b e a r 系列、班米纳8 6 7 0 型和科基e x v t 一6 e 型全 电脑四轮定位检测系统。以美国s n a p o n 公司为代表的红盒子系列产品、德国马哈底盘 测功机等产品代表了当今测量性能检测诊断技术的较高水平i s 。 1 2 2 国内汽车诊断技术概况 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究汽车检测技术，为满足汽车维修需要，当时由交通部 门主持进行了发动机气缸气漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究和开发。 2 0 世纪7 0 年代，我i 蛩大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列 为国家科委的开发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试验台、惯性式 汽车制动试验台、发动机综合检测仪、汽车性能综合检验台。 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着国民经济的发展，在交通部门的统筹规划下，汽车检 测诊断技术得到了迅速发展。我国机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环 境保护等社会问题，如何保证车辆快速、经济、灵活并尽可能不造成社会危害，已逐渐 被提到政府有关部门的议事日程，因而促进了汽车诊断与检测技术的发展，交通部主持 研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、轴( 轮) 重仪、速度试验台、灯光检测仪、 发动机综合分析仪、底盘测功机等等。 目前全国生产汽车综合性能检测设备的厂家已达6 0 多个，除交通部门外，机械、城 建、商等院校等部门也进入汽车检测设备研制、开发、生产以及销售领域。我国已能生 产全套汽车检测设备，如大型的技术复杂的汽车底盘测功机、发动机综合分析仪、四轮 定位仪、悬挂检验台、制动检验台、排气分析仪、灯光检验仪等等。但到目前为止，市 场上用于机动车性能检测的仪器中无论进口仪器还是国产仪器，大都还是以单片机( m c u ) 为核心的单机形式的测试仪器，例如日本小野测器株式会社的d f 3 1 5 、l c 6 6 0 、l c 6 7 6 型 测试仪、德国的p e i s e l e reh _ i s c h 型测试仪、上海汽拖所的n c s 一1 b 型测试仪。 1 2 3 机动车检测技术的发展方向 山东王f ! 工夫学预上学位蹬文 第一南绪论 汽车诊断的专家系统”1 ，如美国雷迪安公司设计了个实验性汽修专家系统；加拿大太 平洋铁路公司利用多年积累的润惜油光谱数据分析经验，于1 9 8 7 年开发了个用于利用 发动机油液分析来进行故障诊断的专家系统。这些系统已获初步成功，显示了专家系统 的巨大潜力。但是，基于知识的诊断系统的发展也面临许多问题，主要原因是来自传统 的基于知识诊断理论的限制和对币同深层次诊断知识获取i j 匀困难。 2 0 世纪g o 年代，随着德国百斯巴特公司应用汁算机控制、采用c c d 测量传感系统 和无线数据传输的新一代彩屏显示的四轮定位仪m t 4 0 0 0 型问世之后美国太阳公司、汉 尼公司，大熊公司、法国班米纳公司以及意人利科基公司相继推出了a 阳m a c 和e e w a ! o l 型、汉尼k n c 0 4 5 0 0 型和4 a o 型、大熊b e a r 系列、班米纳8 6 7 0 型和科基e x v t 一6 e 型全 电脑四轮定位检测系统。以美国s n a p o n 公司为代表的红盒子系列产品、德国马哈底盘 测功机等产品代表了当今测量性能检测诊断技术的较高水平。 12 2 国内汽车诊断技术概况 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究汽车检测技术，为满足汽车维修需要，当时由交通部 门主持进行了发动机气缸气漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究和开发。 2 0 世纪7 0 年代，我目大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设各被列 为国家科委的丌发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试验台、惯性式 汽车制动试验台、发动机综合检测仪、汽车性能综台检验台。 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着国民经济的发展，在交通部门的统筹规划下，汽车捡 测诊断技术得到了迅速发展。我国机动车保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环 境保护等社会问题如何保证车辆快速、经济、灵活并尽可能不造成社会危害，已逐渐 被提到政府有关部门的议事日程，冈而促进了汽车诊断与检测技术的发展，交通部主持 研制开发了汽车制动试验台、侧捐试验台、轴( 轮) 重仪、速度试验台、灯光检测仪、 发动机综合分析仪、底盘测功机等等。 日前全国生产汽车综合性能检测设备的厂家己达6 0 多个，除交通部门9 b ，机械、城 建、高等院校等部门也进入汽车检测设备研制、开发、生产以及销售领域。我国已能生 产全套汽车检测设备，如大型的技术复杂的汽车底盘测功机、发动机综合分析仪、四轮 定位仪、悬挂检验台、制动检验台、排气分析仪、灯光检验仪等等。但到目前为止，市 场上用于机动车性能检测的仪器中无论进l 】仪器还是国产仪器，大都还是以单片机( m c u ) 为核心的单机形式的测试仪器，例如日本小野测器株式会社的d f 3 5 、l c 6 6 0 、l c 6 7 6 型 测试仪、德国的p e i s e l e re m s c h 型测试仪、上海汽拖所的n c s 一1 b 型测试仪。 123 机动车检测技术的发展方向 1 2 3 机动车检测技术的发展方向 【j i 东理工人学硕一二学位论文第一帝绪论 现在已经进入计算机时代，检测技术也出现了如下的发展新方向： a 计算机技术应用广泛化 早期的机动车检测都是人i v , j ，认为影响因素较多，检测效率也不高。随着电子技 术的飞速发展汽车检测系统丌始同其他工业控制系统一样广泛引用电子计算机技术。 计算机具有强大的计算能力，可贵的记忆和逻辑判断能力和人机对话能力，从而使检测 的自动化程度、检测速度、检测数据的准确性、公证性和可靠性大大提高，同时也为检 测技术人员提供了询：多新的测试手段，开拓了新的检测功能。计算机技术必将越来越广 泛地应用于机动车性能检测系统中。 b 汽车检测管理网络化 目前各地的汽车综合性能检测站部分已实现了计算机管理系统检测，虽然计算机管 理系统检测采用了计算机测控，但各个站的计算机测控方式千差万别。即使采用计算机 网络系统技术的，也是在个站内部实现了网络化。随着技术和管理的进步，今后机动 车性能检测将实现真正的网络化( 局域网) ，从而做到信息资源、硬件资源和软件资源的 共享。在此基础上，利用信息高速公路将全国的汽车综合性能检测站连成一个广域网， 使上级交通部门可以及时了解各地区的车辆状况。 c 传感技术和显示技术应用的综合化 随着汽车、航天工业的发展，各国家的传感技术制造水平越来越高，传感器测试精 度和可靠性也不断提高，从而使机动车检测设备有了迅速的发展。现有仪器的测量结果 可以用发光二极管( l e d ) 、液晶( l c d ) 以数字显示，也可以通过一定的电路进行零点、 温度、滞后及线性等误差修正之后，用侍服电机和减速器推动大型仪表的指针工作。这 种仪表通用化、标准化、清晰化程度均有大大提高，但是不直观，用户界面不友好。以 后直接用图形、表格来动态显示测量值的方式，并辅以菜单式的人机对系统将会是一种 发展趋势。 d 汽车检测技术集检测、诊断和预测一体化 目前，机动车检测一般只是根据一些检测数据判定机动车的性能合格与否，至于故 障原因往往无法予以诊断分板，这是目前检测技术的一个缺陷。随着科学技术的发展， 应用故障机理的解析技术确定和预测汽车技术状况动态特性将成为可能。如何充分利用 计算机技术，分析诊断信息参数，提高诊断精确度，开发预测故障专家系统，提高诊断 预测水平，使车辆保持良好的状况，并将检测、诊断和预测融为一体，是今后汽车检测 的一个发展方向1 3 t 9 1 。 1 3 虚拟仪器技术简介 1 3 1 虚拟仪器的概念 山东理工大学硕十学位论文 第一章绪论 任何一台传统仪器都由以下三大模块组成，如图1 1 ： 厂 厂 厂 l 信号的采集与控制f = 刊信号的分析与处理f = 刮结果的表达与输出i l - - - - - - - - - - - - - - jt _ jl 。_ j 图1 - 1 仪器的组成模块 这些功能全部都是以硬件( 固化的软件) 的形式存在，这种框架式的结构，决定了 传统仪器只能由仪器厂家定义、制造，用户不能随意进行改变，这样导致的直接结果是 仪器无法升级，功能单 。同时，仪器由于元器件的测试精度和工作点的漂移，使得钡9 量精度= = 1 i 高。 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术的高速发展，人们 对检测仪器的检测速度、准确度以及仪器的检测功能等方面都提出了更高的要求，新的 测试理论、测试方法以及新的测试系统不断出现，在许多方面都已经突破了传统仪器的 概念i l o 】i o j ”j 。在现代化生产中采用传统的测试方法和测试设备，不仅要求硬件设备较多， 成本也较高。在这种背景下，出现了新的仪器概念虚拟仪器( v i r t u a i n s t r u m e n t ， 简称v i ) b 2 。 虚拟仪器是一种新概念仪器，迄今为止，业界还没有一个明确的国际标准和定义【l 3 1 。 国外专家从不同角度描述虚拟仪器，如：“虚拟仪器是看起来并在感觉上与物理仪器相同 的软件包”；“虚拟仪器是由计算机、仪器硬件、固件和应用软件组成的测量机械”：“虚 拟仪器通常指利用个人计算机和有关硬件与( 或) 软件模块使之具有传统独立仪器功 能的组合”1 1 4 j 。 虚拟仪器是利用微机的数据处理和图形处理功能，将传统物理仪器的专业化功能和 面板控件软件化，与检测数据问的接口也通过计算机软件来实现。从虚拟仪器显示面板 ( 如虚拟显示屏、数码显示器和指示灯及示波器等，其在功能上与各种物理仪器相对应) 可了解仪器的状态，读取测试结果i 】”j 。尽管虚拟仪器没有真正的仪表面板，但在功能 上却远胜于传统物理仪器，它是一种功能意义上的而非物理意义上的仪器概念。 在虚拟仪器中硬件仅仅解决了信号的输入、调理和输出，软件则对信号进行处理， 正如n 1 所述“软件即仪器”lj g l ；o j 。基于虚拟仪器软件，用户可以根据自己的需要定义 仪器功能，而不像传统物理仪器那样，受到仪器生产厂商的限制。作为单机系统，利用 计算机软件实现数据采集、存储、分析、处理、传输及控制等强大功能，可在同一一台p c 机上虚拟出用户所需的各种物理仪器，从而大大提高了仪器使用效率，减少了投资，克 服了传统仪器的缺点。因此，虚拟仪器受到用户普遍欢迎和各国企业界高度重视，已成 为当代仪器发展的一个重要方向犯”。 13 ，2 虚拟仪器的构成 从构成要素讲，虚拟仪器是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。从构成方式上 山东理工大学硕t 学位论文 第一章绪论 讲，则有以d a q 板和信号调理部分为硬件来组成的p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、 串行总线和现场总线等标准总线仪器为硬件方式组成的g p i b 系统、v x i 系统、串行总 线系统、现场总线系统等。虚拟仪器系统构成如图1 2 所示。 _ + 匝翌至亘至蔓：卜叫数据、图像采集卡卜一 一r 石西萌甄瓢疆丌一_ 几丽司甄弭1 一 p c 机j 作站( 装 i l ! | 叫v x h 女器卜一有l a b v i e w 、 扛 l a b w i n d o w s c v l 或 对l 串行口仪器p l ck 其他虚拟仪器开发 象 软什) 叫 现场总线设备卜卜_ 叫其他计算机硬件板卡卜斗 1 3 3 虚拟仪器的优势 图1 2 虚拟仪器构成 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易 构建，在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域得到了良好的利用。虚拟仪器功 能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能， 配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温 度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合 传统设备的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程；集成方便，不但可以和高 速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。 13 4 虚拟仪器的演化与发展 大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又是同步进行的 1 2 2 - - 2 4 1 。 第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线 前进。由于g p i b 总线标准的确立，计算机和外界的通信成为可能，因而用户可以用计 算机控制仪器，借助仪器驱动库、数据分析函数库、图形接口函数库等软件来增强自己 仪器系统的功能，使它能够分析和处理特定的数据，并显示结果，而不是限于仪器的固 定功能之上。实际上，只需要把传统仪器通过g p l b 或r s - 2 3 2 同计算机连接起来，这些 新增功能就能运行良好。因而，用户可将大量的独立仪器同计算机相连形成用户自己设 计的虚拟仪器。 第二阶段：开放式的仪器构成。为满足虚拟仪器的市场不断增长的需求，这时在仪 山东理工大学碗十学位论文 第一章绪论 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 cd 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，消除了第一阶段内用户 与供应商定义仪器功能的矛盾。 第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。许多行业标准在硬件和软件领域 已产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。 1 3 5 虚拟仪器技术的应用 由于虚拟仪器具有如此巨大的优越性，国内已经有许多厂家在虚拟仪器测试领域进 行了一系列有益： 作，开发了一些虚拟测试仪器。清华大学应用虚拟仪器技术构建的用 于检测汽车发动机性能的出厂检测系统；哈尔滨工业大学也推出了自己的“仪器王”虚 拟仪器系统；另外上海仪器仪表所、浙江大学、成都电子科技大学、上海同济大学、上 海交通大学等单位也在不断进行虚拟仪器的研究和应用口5 j 口6 j 。 目前国外利用虚拟仪器技术构建的测试系统，其内容涉及电力、医学、汽车以及实 验室建立等多个领域1 2 7 q 3 1 。以美国国家仪器公司为代表的一些大公司如h p 公司、 t e k r o n i x 公司已经推出了基于虚拟仪器技术的商品化产品。 1 4 课题的主要研究内容与采用的关键技术 本研究是在常规检测仪器的基础上研制以便携式计算机为核心，利用虚拟仪器软件 平台l a b v i e w 的强大功能，配以北京中泰公司生产的u s b 7 5 0 3 数据采集卡及各种传感器 组成的多功能、智能型机动车性能检测系统。以工程应用为目标，主要进行了以下方面 的研究工作： 1 根据汽车检测标准g b 7 2 5 8 _ _ 9 7 机动车运行安全技术条件、j t y 1 9 8 9 5 汽 车技术等级评定标准、g b t1 2 5 3 4 - - 9 0 汽车道路试验方法通则的规定研究机动车综 合性能指标的测量、分析和处理方法。 2 研究非接触钡速的信号处理技术。进入上世纪九十年代以来，国内外在车辆整车 性能检测技术中已普遍采用先进的非接触测速技术，该项技术的突出优点是测速范围大， 而且传感器体积小、重量轻、便于携带和安装。但由于非接触测速传感器的输出信号信 噪比很低、波形杂乱、频率范围跨度大，而且使用现场的电磁干扰又相当严重，因此实 现非接触测速的关键在于如何对其传感器信号进行提取和处理，并使其具有较强的抗干 扰性。通过大量的试验和研究后，决定采用可变中心频率有源窄带通滤波技术对其进行 信号处理。 3 研究如何改进速度信号采样技术。在国内外同类测试仪器中，当速度传感器输出 信号的脉冲当量为定值时，对速度信号的采样普遍采用定时计数方式，即在固定的采样 i j 东理工大学碗上学位论文第一章绪论 时间里对速度信号进行采样，采用这种方式的特点是采样处理程序比较简单，而且可避 免较复杂的标度计算，但存在在低速和变速运动测试时误差较大的缺点。在本课题的研 制过程中，为提高动态时的测试精度和减小低速时的量化误差，采用了同步定时采样技 术和对距离脉冲信号周期进行时间采样的技术，并将两种方法结合起来使用，以提高系 统的动态响应和测试精度。 4 研究如何解决油耗测试误差大、钡4 试分辨率难以提高的问题。 5 研究车辆制动性能测试中速度零点判别方法。 6 利用美国国家仪器公司开发的l a b v l e w 虚拟仪器软件丌发机动车综合性能检测 仪软件，实现了数据采集模块、数据处理模块、动力性能检测模块、制动性能检测模块 和经济性能检测模块的设计；l a b v i e w 并未带有系统使用的数据采集卡的驱动程序，研 究了实现它们之间的数掘通信的方法。 7 研究了机动车综合性能检测仪器与通用数据库的接口问题。在测试系统的研制 中，应用a c t i v ed a t ao b j e c t ( a d o ) 接口技术和开放式数据库链接o d b c ( o p e nd a t a b a s e c o n n e c t i vjt y ) 实现了l a b v i e w 平台下对数据库的访问，很好地解决了数据管理问题。 8 仪器抗干扰措施研究。系统跟随车辆进行检测，汽车内部有复杂的电磁干扰源， 为了提高系统稳定性及测试精确度，对系统抗干扰性做了一些研究。 1 5 课题的研究方法 采用理论指导、算法实现和原理样机系统测试检验相结合的方法，坚持理论探讨为 应用技术开发服务，确保方法新颖，技术可靠实用，应用前景广阔。对于一些计算比较 复杂的参数，应该首先在理论上着手，从中找到一种正确合理的算法。另外，由于汽车 是一个非常复杂的系统，因此应用于其上的任何测试系统理论算法是否正确合理必须依 靠实验的验证。只有通过实际的实验分析，才能发现问题，找出最为合理和科学的算法。 1 6 本章小结 本章提出了虚拟仪器的概念，回顾了汽车性能检测技术的发展概况，分析t o t 动车 综合性能检测系统的研究意义，提出了课题的主要研究内容。 山东理工人学硕士学位论文第二帝系统测试原理与方法 第二章系统测试原理与方法 2 1 汽车动力性能测试原理 汽车动力性能检测方法可以分为台试和路试两种。台试法需要使用底盘测功机监测 发动机的功率、转矩和燃油消耗率的瞬时数值，可以对被测车辆的动力性能及经济陡能 作出比较准确的评测。但是传统的底盘测功机由于其造价昂贵，维护成本高，故只能在 大型车辆制造企业和部分高等院校得到应用。底盘测功机做的只是道路模拟测试，如果 能利用现有常用传感器通过道路试验分析汽车动力性能，则其结果更接近于实际情况。 下面分析系统测试的理论是否可行。 在汽车的整体性能中，动力性能和经济性能是两个最主要的方面。汽车的加速性能、 最高车速、百公里油耗指标是整车动力性和经济性的外在表现形式。发动机的使用外特 性，即发动机的功率、转矩l 、燃油消耗率与发动机曲轴转速的函数关系，是汽车动 力性和经济性好坏的内在因素。底盘测功机能够直接监测发动机的功率、转矩和燃油消 耗率的瞬时数值，所以利用测功机能够准确比较地反映汽车的动力性和经济性。汽车道 路测试的常规手段是通过测量汽车的最高车速“，加速时间，百公里燃油消耗量q 来 评价汽车的动力性和经济性。实践中这两种测试方法各有其长处和不足。汽车的主要性 能和其所处的道路状况以及每部车的维护保养情况密切相关，在试验室内完全真实地模 拟实际使用条件往往很困难。同时传统的道路测试手段无法准确、实时地直接得到发动 机的自身运行参数( 包括瞬时功率和扭矩) 。如果能在实际道路条件下，实时监测发动机 的运行参数只，f 。，结合现有的成熟的测试设备，则可以更为准确、真实地反映汽车的 整体性能。 现代汽车，特别是轿车，结构越来越紧凑，象大多数的前驱动车型采用的是发动机 和变速箱一体化设计，在实际道路上显然不可能采用应变片或其他传感器直接测量发动 机的瞬时输出扭矩，故本文提出了一条合理可行的间接测量行驶中车辆发动机瞬时输出 扭矩的思路。为了确定汽车的动力性，我们需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种 外力，即驱动力和行驶阻力，根据这些力的平衡关系，建立汽车行驶方程式。 2 1 1 汽车的驱动力 在汽车行驶中，某瞬时发动机的转速为行( r r n i n ) ，转矩为已( 删) ，变速器所用档位 的传动比为i 。，主降速比为毛，传动系的机械效率为珊，则驱动轮得到的转矩为i2 f 。f o 玑。如果驱动轮在路面上无滑轮现象，驱动轮给地面向后的力为e = z ，r 是 9 山东理工大学硕士学位论文第二章系统测试燎堙2 0 方法 驰动轮的滚动半径( m ) 。按作用力与及作用力定律，路囱将给驱动轮一个反作用力 f = f o ，f 称为汽车的驱动力，它用来克服行驶阻力，使汽车正常行驶。 驱动力的计算公式为f ：互：t , q i s i o r h ( 2 - 1 ) 发动机的功率只2 ( n m s ) 2 杂品( k w ) ，是曲轴的旋转角速度，m = 2 ，r 6 0 ， 故有：仁羔( k w ) ( 2 _ 2 ) 将式( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 2 ) 得驱动力的另一表达式： f ：9 5 4 9 p i f l o 叩t ( 2 - 3 ) 2 1 2 汽车的行驶阻力 汽车在正常行驶时必须克服四个行驶阻力，一是来自地面的滚动阻力，二是来自 空气的空气阻力只，三是重力沿坡道的分力f ，又称坡度阻力，四是加速时由动力学 原理表述的加速阻力f ，由此汽车行驶的总阻力为 f 2 f i 七f 。七f j 七fj 下面简要介绍各力的计算，以建立力平衡方程式。 一滚动阻力 实际测量中，滚动阻力系数的数值也可以用经验公式大致估算。在良好路面上滚动 阻力系数的数值，对于轿车轮胎可用下式估算 式中的兀值可取 胤0 + 2 1 9 4 4 0 ) ( 2 - 4 ) 良好沥青或水泥路面 0 o 】4 卵石路面 0 0 2 5 砂石路面 0 0 2 0 货车轮胎胎压高，滚动阻力系数可用下式计算： = 0 0 0 7 6 + 0 0 0 0 0 5 6 u 。( 2 - - 5 ) 二空气阻力 汽车在空气介质中运动，空气本身也由运动，这将对汽车的运动产生阻力。汽车直 线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力，它分为压力阻力和摩擦 山东理t 大学硕，i ：学位论文第二章系统测试原理与方法 阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力称为压力阻力： 摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向的分力。在汽车 行驶范围内，空气阻力的数值通常都总结成与气流相对速度的动压力= 1 尸u i v 成正比例的 关系，即 f 。= 圭c n a p u f 式中：c 。一空气阻力系数，一般讲应是雷诺数r e 的函数，在车速较高，动压力较商， 而相应气体的粘性摩擦系数较小时，c ，、将不随r e 而变化。 式中：p 空气密度，一般p = 1 2 2 5 8 n s 2 m - 4 一一迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积m 2 u ；一相对速度，应是风速与车速在行驶方向的和速度，r n s 如“。以k m h 计，则空气阻力r ( 单位n ) 为 兄= 焉 ( 2 - 6 ) 空气阻力系数值可由道路试验、风洞试验等方法求得：迎风面积a 系汽车在其纵轴 的垂直平面投影的面积，可直接在投影面上测得；汽车瞬时速度可由数度传感器实时测 出。 三坡度阻力 如图2 6 所示，如果汽车行驶的道路的平面与水平面之间存在夹角a ，则汽车重 力会在汽车行驶方向产生一个分力，称为坡度阻力f 。 图2 - 6 汽车的坡度阻力 明显，f = g + s i n z = m4 9 4s i n a 式中：g 一作用于汽车上的重力，g = 巩g ，m 为汽车质量，g 为重力加速度。 四加速阻力 汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时喷性力，称为加速阻力，。汽车的质 量分为平移的质量和旋转的质量两部分。加速时不仅平移的质量产生惯性力，旋转的质量 ( 主要是曲轴、飞轮、离合器总成和所有车轮) 还要产生惯性力偶矩。为了便于计算， 一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，并以系数6 作为计入旋转质量 “东理工大学硕士学位论文第二章系统测试燎理，方法 的惯性力偶矩后的汽车质量换算系数，因而汽车加速时的阻力( 单位为n ) 可写作 p ；6 m d u( 27 ) 。df 式中：万一汽车旋转质量换算系数( j 1 ) ； ? 一汽车质量，单位为k g ； 一_ d u 一行驶加速度，单位为m s 2 d r 在进行汽车动力性初步计算时，可以按经验公式j = l + 万+ 疋i ：估算万值。这旱文 是考虑曲轴、飞轮、离合器总成旋转质量影响的系数，轿车j = o 0 5 o 0 7 ，货车蠡= 0 0 4 0 0 5 ，载质量大的汽车取小值；抗是考虑全部车轮旋转质量影响的系数，若空车 重为g 。，总重为g ，则对轿车疋- - - - - 0 0 5 g o g ，对货车暖= 0 0 7 g 。g 。 2 13 汽车发动机瞬时功率的计算 汽车行驶时，作用与汽车的外力互相平衡，表示为f = + e ，+ f 十，代入 各力的详细计算公式得 整理得 9 5 4 9 p j g i o 叩7 一g 加s 口+ g s n + 蒜u ：+ 艿研等 ! ! ! 堂! ! ! 竺g ! 坐竺! + 9 5 4 9 i p i o r r ! ：鱼生 。2 + 塑! 一d u ( 2 8 ) 2 0 1 9 6 1 3 5 i i o 叩7 。9 5 4 9 i p i o 叮7 d t 可以认为，在同一测试时间内对于同一段平整路面，道路坡度，路面对滚动阻力的 影响和环境风速是一个常量。对厂来说它是车速“。的一次函数，则上式i t 统一简化为 只2 a + b u o - f c u 坤等( 2 - 9 ) 式r t 系数a ，b ，c ，d 随具体测试环境