（信号与信息处理专业论文）虚拟仪器技术在汽车整车性能测试中的应用研究.pdf

application and research of virtual instrument technol- ogy in the performance test of automobile a dissertation submitted for the degree of master candidate：wang bin supervisor：prof. zhang weigang changan university, xian, china i 摘摘 要要 在汽车的生产、 研究和使用过程中， 汽车整车性能测试是其中一项至关重要的环节。 通过对汽车整车性能的测试，分析其动力性、经济性、制动性等相关性能，进而可评测 出汽车当前的性能状态，为研发人员和驾驶员提供科学的汽车性能分析依据，进而提高 汽车整车性能。本文利用虚拟仪器的可扩展性强、控制灵活等优点，结合合作单位的具 体需求和现有的软硬件平台， 分析研究了虚拟仪器技术在汽车整车性能测试中的应用方 法，同时，设计并实现了一套基于虚拟仪器技术的汽车整车性能测试系统。 系统采用pc-daq型虚拟仪器组建方式，利用面向对象的可视化编程工具visual c+6.0作为虚拟仪器应用软件的开发平台，以便携式pc机（笔记本电脑）为核心的数据 处理硬件平台，配合gps接收机、陀螺仪、油耗仪、usb-7360数采仪等硬件数据采集设 备，通过rs-232串口和usb接口实现数据传输，按照模块化的设计思想和软面板设计的 一般原则，开发了丰富的gui，包括虚拟示波器和虚拟车速表控件以及汽车滑行试验等 十个试验的测试界面和两个试验数据显示界面，实现了汽车性能参数数据的实时采集、 分析与显示、软件滤波、保存、回放以及报表生成等功能。此外，开发过程中还采用了 动态链接库、多线程、多媒体定时器、双缓冲技术、数据库等关键技术，进一步提高了 汽车整车性能测试系统的数据处理性能及其稳定性。 选取具有代表性的汽车滑行试验、汽车加速性能试验和汽车油耗试验进行了测试。 测试结果表明，该系统运行稳定，实时性强，能较精确和稳定的分析和反映测试试验数 据。同时，系统还具有软件界面人性化、可扩展性强、易于维护和升级以及性价比高等 特点，具有较高的实用价值。 关键词：计算机应用；汽车整车性能测试；虚拟仪器；visual c+；传感器 ii abstract automobile performance test is one of the essential links during the production, research and using of automobile. people can analyze the dynamic performance, economic perform- ance, braking performance and other related performances by the test, and then evaluate its current performances and states, which can provide scientific bases for researchers and drivers to improve the performances. it makes full use of the advantages of virtual instrument, such as the strong extensibility, flexible control and so on, considers our partners specific require- ments and existing hardware and software platforms, analyzes the application method of vir- tual instrument technology in the performance test of automobile, and then designs and real- izes a system of automobile performance test based on virtual instrument technology. this system adopted the pc-daq establishment method for virtual instrument, used visual c+6.0 which was a visual and object-oriented programming tool as application soft- ware development platform, made use of laptop as data processing hardware platform, com- bined with some data acquisition equipments such as gps receiver, gyroscope, oil consump- tion meter, usb-7360 and so on, realized data transmission by rs-232 and usb interface, developed a rich gui including virtual oscilloscope, virtual speedometer, ten software inter- faces for motor vehicles-coastdown-test and so on, and other two software interfaces for displaying test data, fulfilled the functions of data collection, data analysis and display, soft- ware filter, data store and replay, generating report and so on. in addition, some key technolo- gies including dll, multithreading, multimedia timer, double-buffering technique, and data base were applied during development, which could help improve the performances of data processing and system stability further. some representative tests such as motor vehicles-coastdown-test, motor vehi- cles-acceleration performance-test and motor vehicles-fuel consumption-test were chosen to test. the testing results indicated that this system ran steadily, had high real-time perform- ance, and could analyze and reflect the test data correctly and steadily. meanwhile, it had the characters of human-based interfaces, strong extensibility, easy maintenance and upgrade, high performance-cost ratio and so on, and it also had a high practical value. key words: computer application; automobile performance test; virtual instrument; visual c+; sensor iii 目目 录录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景和意义 . 1 1.2 汽车整车性能检测技术的发展状况 . 2 1.2.1 国外汽车整车性能检测技术发展状况 . 2 1.2.2 国内汽车整车性能检测技术发展状况 . 2 1.3 虚拟仪器应用的意义 . 2 1.4 研究内容及论文结构 . 3 1.4.1 论文主要内容 . 3 1.4.2 论文架构安排 . 4 第二章 虚拟仪器技术 . 6 2.1 虚拟仪器简介 . 6 2.1.1 虚拟仪器的概念 . 6 2.1.2 虚拟仪器技术的发展 . 6 2.1.3 虚拟仪器的特点 . 7 2.2 虚拟仪器的体系结构 . 7 2.2.1 虚拟仪器的硬件系统 . 8 2.2.2 虚拟仪器的软件系统 . 8 2.3 虚拟仪器的开发平台和思路 . 9 2.3.1 虚拟仪器的开发平台 . 9 2.3.2 虚拟仪器的开发思路 . 9 第三章 汽车整车性能测试原理分析 . 11 3.1 汽车整车性能测试项目分析 . 11 3.2 汽车整车性能相关试验测试原理 . 11 3.2.1 汽车滑行试验 . 11 3.2.2 汽车加速性能试验 . 12 3.2.3 汽车最低稳定车速试验 . 13 3.2.4 汽车最高车速试验 . 13 3.2.5 汽车油耗试验 . 14 3.2.6 汽车制动性能试验 . 14 第四章 汽车整车性能测试系统总体设计及硬件选取分析 . 16 4.1 汽车整车性能测试系统总体设计 . 16 4.1.1 系统基本原理和架构 . 16 4.1.2 系统硬件平台分析 . 17 4.1.3 系统软件平台分析 . 18 4.2 系统参数分析 . 19 4.3 传感器的选取及其原理 . 20 4.3.1 gps 速度传感器 . 21 4.3.2 油耗传感器 . 22 iv 4.3.3 陀螺仪传感器 . 23 4.3.4 数据采集卡的选用 . 24 4.4 上位机选取及通信接口 . 25 第五章 汽车整车性能测试软件开发 . 27 5.1 软件的总体设计 . 27 5.2 数据采集技术与数据传输 . 29 5.2.1 多线程技术 . 29 5.2.2 rs-232 串口通信 . 31 5.2.3 usb 接口通信 . 33 5.3 相关数据处理分析 . 34 5.3.1 gps 数据解析 . 34 5.3.2 发动机转速数据解析 . 36 5.3.3 陀螺仪数据解析 . 36 5.3.4 数据软件滤波分析 . 37 5.4 数据显示的实现 . 39 5.4.1 虚拟示波器及绘图显示 . 39 5.4.2 虚拟仪表的设计 . 44 5.4.3 动态链接库（dll）技术 . 46 5.4.4 双缓冲技术 . 47 5.4.5 多媒体定时器技术 . 49 5.5 数据存储与回放 . 50 5.5.1 数据库的实现 . 50 5.5.2 报表生成与打印 . 51 5.5.3 数据回显的实现 . 54 5.6 相关模块设计 . 54 5.6.1 软面板设计原则及思路 . 54 5.6.2 滑行试验模块设计 . 55 5.6.3 模块设计 . 56 5.6.4 油耗试验模块设计 . 57 第六章 汽车整车性能测试软件安装与测试 . 59 6.1 软件发布与安装 . 59 6.2 软件测试 . 60 6.2.1 汽车滑行试验测试 . 61 6.2.2 汽车加速性能试验测试 . 63 6.2.3 汽车油耗试验测试 . 64 6.3 试验结果分析 . 66 结论与展望 . 67 参考文献 . 69 攻读硕士学位期间发表的论文 . 72 致 谢 . 73 长安大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景和意义 随着社会经济和汽车工业的快速发展，汽车已成为人们工作、生活中不可或缺的一 种交通工具。仅2009年我国汽车生产量就达到1379.1万辆，销售量就超过了1360万辆。 2010年，我国汽车产销量均超过1800万辆，同比增长也均超过了30%，保持了世界第一 的位置1。然而，汽车在给人们带来便利的同时，也带来了交通安全、环境污染以等一 系列的相关问题。此外，汽车自身也是一个较为复杂的系统，随着行驶里程的增加和使 用时间的延长，其技术状况也在不断恶化。因此，无论是从利用最新技术开发出性能优 良的汽车的角度去考虑， 还是从恢复汽车技术状况到最佳状态的角度去思考， 毫无疑问， 汽车整车性能检测都是必须用到的环节，所以，汽车整车性能检测技术也就得到了世界 各国的重视。 汽车整车性能检测主要是从汽车的安全性、可靠性及环保等角度出发，对汽车运行 中的动力性、经济性、制动性、操纵稳定性、行驶平顺性等方面进行全面的测试2。通 过对汽车整车性能的检测，不但可以提高汽车的安全性能，而且可以满足当今环保和节 能的需求。面对国内汽车数量多、车型种类繁杂和汽车结构复杂的特点，通过传统的汽 车整车性能检测技术显然已无法满足需求。此外，同国外相比，国内在汽车整车性能检 测方面的技术还有一定的差距。 为了提高测试效率， 降低测试成本， 满足测试准确度高、 数据分析处理速度快以及现场使用性强的要求， 我们将虚拟仪器技术应用到汽车整车性 能测试中，以适应现代汽车整车性能检测的需求。 虚拟仪器是在传统测试仪器的基础上发展起来的，它是一种在充分利用计算机软、 硬件资源的基础上，打破传统仪器在诸多方面的限制，把计算机和相关仪器硬件结合在 一起，使用户通过图形化的界面操作仪器运行，从而实现对被测量的实时采集、分析计 算、处理显示以及数据存储的仪器。在虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决被测信号的 输入输出问题，软件才是最为关键的部分，同时，操作者可以很方便地通过对软件进行 修改，进而改变仪器系统的功能或者规模。对于传统仪器，所有功能在出厂前已基本被 定义好，功能相对单一，只能实现一些特定功能，而且体积较大，价格也较昂贵，因此， 将虚拟仪器技术应用到汽车整车性能测试系统的设计开发中， 可以在很大程度上改善传 统汽车整车性能测试仪器的许多缺点，使汽车整车性能测试更加智能化、自动化。 本课题是在适应汽车整车性能测试技术的基础上， 依据汽车整车性能测试的国家标 第一章 绪论 2 准，结合项目的实际需求，以visual c+6.0为测试软件系统开发平台，自主设计、研发 出一套适合我国汽车工业发展道路的汽车整车性能测试系统。首先，根据所要开发测试 系统的功能，确定应用程序和软面板程序的模块结构和功能，画出各部分的流程图，采 用模块化的编程思想实现软件系统开发。 硬件系统采用pc-daq方式来组建， 以pc机 （笔 记本电脑）为核心硬件平台，选取gps接收机、陀螺仪、油耗仪等传感器和usb-7360 数采仪来实现对输入信号的采集并输入到计算机中。 该系统可完成对汽车整车性能测试 中的滑行试验、加速试验、油耗试验、最高车速试验、最低稳定车速试验等10个试验的 测试，具有处理速度快、重用性强、可扩充性好等优点。 1.2 汽车整车性能检测技术的发展状况 1.2.1 国外汽车整车性能检测技术发展状况 和国内相比，国外的汽车整车性能检测技术的发展比较早。上个世纪五、六十年代 主要以故障诊断和性能调试为主的单向汽车性能检测工具， 具有代表性的汽车性能检测 设备有英国的汽车道路试验速度分析仪和美国的发动机分析仪。到了六十年代后期，发 展到把光学、电子、理化机电一体化等技术应用到汽车性能检测技术中，具有代表性的 仪器有非接触式车速仪、车轮定位仪、排气分析仪等等。七十年代开始把计算机技术应 用到汽车性能检测技术中，可实现汽车检测诊断、数据采集处理自动化等功能3。同时 在此基础上，为了便于加强汽车管理，一些工业发达的国家相继制定了一整套的汽车性 能检测标准，判别受检汽车技术状况是否良好，均严格依照标准中规定的数据为准则。 同时还建立汽车性能检测站，使汽车性能检测实现制度化。进入八十年代，计算机技术 在汽车整车性能检测中的应用得到了进一步的发展，开始出现了集检测工艺、操作、数 据采集和打印、存储、显示等功能于一体的系统测试软件，西方国家的汽车整车性能检 测技术也逐渐实现了全自动化4。 目前，日本、美国等国生产的一些轿车均自带了车载自诊断系统、故障诊断专家系 统等，这样可以很直观地将汽车的实时技术状况显示给驾驶员。相信随着现代计算机技 术的快速发展，更加智能化、自动化的汽车性能检测仪器将会问世。 1.2.2 国内汽车整车性能检测技术发展状况 国内在上个世纪六十年代就开始对汽车整车性能测试技术方面的研究， 其中发动机 汽缸漏气量检测仪就是具有代表性的研究成果。到了七十年代，具有代表性的检测设备 有惯性式汽车制动试验台、汽车性能综合检验台等等。到了八十年代，我国的汽车制造 长安大学硕士学位论文 3 业和公路交通运输业有了迅猛的发展， 对汽车整车性能检测技术和检测设备的需求也与 日俱增。此时，交通部率先主持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、速度试验台、 灯光检测仪、发动机综合分析仪等。同时，在大连建立了我国第一个汽车性能检测站， 主要对汽车安全性能进行检测。同时，国家在“六五”期间重点推广了汽车检测和诊断 技术4。到了1990年，据统计全国已有汽车性能检测站600多个，形成了全国的汽车性能 检测网。到了1997年前后，全国已经相继建立了数千家汽车综合性能检测站。目前全国 生产汽车综合性能检测设备的厂家已达60多个，除交通部门外，机械、城建、高等院校 等部门也进入汽车性能检测设备研制、开发、生产、销售领域。现在我国可以自主生产 技术比较复杂的全套汽车整车性能检测设备，如发动机综合分析仪、四轮定位仪、悬挂 检测台、制动检测台等等。与此同时，为了配合汽车整车性能检测工作，国内已发布实 施了有关汽车性能测试的国家标准、行业标准、计量检定规程等100多项。从汽车综合 性能检测站建站到汽车整车性能检测的具体测试项目，都基本做到了有法可依。 1.3 仪器应用的意义 虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结 晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件 编程技术于一体。随着这些技术的飞速发展，虚拟仪器的功能和性能也得到了不断的提 升，在许多应用领域中它已成为传统仪器的主要替代方式。计算机的性价比不断提高和 便携式pc机的推出进一步降低了虚拟仪器的成本， 推动虚拟仪器向便携性和具有强大功 能的方向发展。如今，虚拟仪器的功能和应用领域不断增强和扩大，在测量、检测、监 控、农业、教育等方面均已开始得到广泛的研究和应用，例如，美国西雅图的aei广播 站的工程师使用虚拟仪器系统进行信号传播控制， 从而保证音频信号在传输过程中其质 量依然很高5。在汽车整车性能测试方面，将虚拟仪器技术应用到该领域，可使汽车整 车性能测试系统投资降低，且易于维护和升级，同时也提高了汽车整车性能的测试精度 和测试的智能化、自动化程度，进而提高了工作效率。因此，随着虚拟仪器技术的不断 向前发展，它必将在汽车整车性能测试中得到更加广泛的应用。 1.4 研究内容及论文结构 1.4.1 论文主要内容 本文主要内容是通过对汽车整车性能测试相关的国家标准及原理进行分析和研究， 以虚拟仪器技术为基础，设计开发出了一套完整的智能化的汽车整车性能测试系统。该 第一章 绪论 4 系统以便携式pc机 （笔记本电脑） 为核心， 采用gps接收机、 陀螺仪、 油耗仪、 usb-7360 数采仪等各种数据采集设备实现相关参数的采集，利用visual c+6.0平台开发测试软件 系统， 实现了可针对不同型号汽车的动力性、 经济性和制动性等性能的测试及数据分析、 处理、显示、回显、生成报表等功能。该测试系统以工程应用为目标，主要进行了以下 几方面的研究工作： 1查阅相关参考资料和文献，学习了解国内外的汽车整车性能测试技术发展状况， 以及测试标准和方法。同时，对虚拟仪器技术的相关知识和visual c+6.0编译软件环境 进行深入的学习和掌握。 2根据测试标准和方法，分析测试中需要用到的相关参数，并选取相应的数据采 集设备（传感器） ，制定合理的测试方案。 3根据硬件设备的相关技术特点和测试系统的功能需求进行软件系统设计：以笔 记本电脑为核心， 采用rs-232串口通信和usb接口通信把采集到的各种数据传送到计算 机中，并严格按照软件开发的相关流程，对汽车整车性能测试软件（汽车整车性能测试 虚拟仪器）进行分析和设计，实现对软件系统的开发及对数据的分析、计算、显示等相 关操作，功能上满足汽车整车性能测试的国家标准要求。 4软件系统测试：程序编写好以后，对各模块进行反复调试和运行，并通过汽车 滑行试验、加速试验和油耗试验来验证该测试系统功能的正确性和性能的优良性。 5编撰详细的汽车整车性能测试系统使用说明书。 1.4.2 论文架构安排 通过对汽车整车性能测试系统的研究和开发，了解了虚拟仪器技术的相关知识，熟 悉了虚拟仪器技术在汽车整车性能测试中的应用， 掌握了汽车整车性能测试系统的详细 开发流程。因此，对本文的架构进行了如下安排： 第一章：绪论，主要介绍了课题背景和意义、汽车整车性能检测技术的国内外发展 状况、虚拟仪器的应用意义以及论文主要内容和结构。 第二章：虚拟仪器技术，简要介绍了虚拟仪器的概念、特点、发展、体系结构以及 其开发思路和开发平台的选择。 第三章：汽车整车性能测试原理，根据汽车整车性能测试试验的相关国家标准，对 相关试验的测试方法和原理进行简要介绍和分析。 第四章：汽车整车性能测试系统总体设计和硬件选取分析，对系统的总体设计进行 详细分析，并根据合作单位的具体要求和实际情况，选取合适的数据采集和数据处理硬 长安大学硕士学位论文 5 件设备，并对数据采集设备的相关原理进行详细分析，此外，对需要用到的通信接口也 做了简要分析。 第五章： 汽车整车性能测试软件开发， 选取visual c+6.0作为测试软件的开发工具， 采用面向对象编程语言的模块化思想， 把软件系统按照不同的试验项目划分出相对独立 的模块，并逐一编程实现各模块的功能，最终完成软硬件接口程序以及应用程序的详细 设计与开发，同时还详细介绍了开发过程中用到的诸多关键技术。 第六章：汽车整车性能测试软件安装与测试，通过汽车整车性能测试的相关试验来 验证该测试系统功能的正确性和性能的稳定性、优良性。 第二章 虚拟仪器技术 6 第二章第二章 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 2.1 虚拟仪器简介 2.1.1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器（virtual instrument，vi）的概念最早是在上世纪 80 年代由美国国家仪器 公司提出的 5,6，是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过 友好的图形界面来操作计算机，就像在操作自己定义、设计的一台单个仪器一样，从而 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。虚拟仪器突破了传统电子仪 器以硬件为主体的模式，用户在操作具有测试软件的计算机进行测量时，犹如操作一台 虚设的电子仪器，虚拟仪器由此而得名，虚拟仪器技术在此基础上也就应运而生并得到 快速发展和推广，特别在医学、电力、汽车及实验室的建立等领域均得到应用7-9,12。 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理和显示结果三大功 能模块，其结构组成如图 2.1 所示10。 数据采集卡 gpib接口 vxi仪器 pxi仪器 rs-232c仪器 usb仪器 现场总线设备 其它计算机硬件 打印 文件 图形显示 网络输出 数字滤波 fft变换 统计分析 其它 计算机 测 控 对 象 结 果 显 示 输 出 数 据 分 析 处 理 测试数据采集 图图 2.1 虚拟仪虚拟仪器的器的结构组成图结构组成图 2.1.2 虚拟仪器技术的发展 电子测量仪器的发展经历模拟仪器到数字仪器再到智能仪器，最后，发展到现在的 全部可编程的虚拟仪器。而虚拟仪器的发展历程也经历过了 3 个阶段11： 第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能。gpib 和 rs-232c 总线的确立，使计 算机与外部通信成为可能。 第二阶段：开放式的仪器构成。插入式计算机处理卡（pc-daq）和 vxi 仪器总线 标准的确立，使仪器的构成得以开放。 长安大学硕士学位论文 7 第三阶段：虚拟仪器框架得到广泛的认同和采用，基于面向对象技术的虚拟仪器平 台得到了认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。 人们认识到虚拟仪器软件框架才是 数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。 2.1.3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器是基于通用计算机的测试、测量和控制系统。由于能充分利用计算机丰富 的软硬件资源，虚拟仪器具有功能强大、结构灵活和性价比高等特点，可在很大范围内 替代传统测控仪器和设备。 与传统仪器相比， 虚拟仪器除了具有测试速度快、 实时性好、 良好的人机界面等特点外，还具有更多的特点和优势，具体如表 2.1 所示。 表表 2.1 虚拟仪器与传统仪器虚拟仪器与传统仪器特点对比特点对比表表 项目项目 传统仪器传统仪器 虚拟仪器虚拟仪器 中心环节 关键是硬件 关键是软件 开发维护费用 高 低 技术更新周期 慢（510 年） 快（12 年） 性价比 价格昂贵 价格低，并且可重用性和可配性强 自动化程度 自动化程度低 自动化和智能化程度均较高 测量信号情况 难以直接测量高频信号 可直接测量高频信号 仪器定义 厂商定义仪器功能 用户自定义仪器功能 功能设定 仪器的功能、规模均已固定 可通过软件修改和增减 开放性 系统封闭，与其它设备连接受限 基于计算机的开放系统，可方便地同外 设、网络等相关设备连接 2.2 虚拟仪器的体系结构 按照虚拟仪器的组成划