（车辆工程专业论文）基于虚拟仪器技术的汽车碰撞试验测控系统研究.pdf

湖由是拿 湖南大学硕士学位论文 摘要 本论文在对国内外汽车安全问题、汽车碰撞试验系统进行了充分地调查研究 的基础之上，针对本系统试验车速实时自动控制、碰撞过程多通道数据采集的特 殊要求，系统的开发采用了先进的虚拟仪器技术，在l a b v i e w 开发平台上，结 合c c + + 、汇编语言进行混合编程设计。从而，以较低的成本，在较短的时间内 研制出了满足法规要求的汽车碰撞试验测控系统软件，其中包括汽车碰撞试验实 时控制子系统、海量数据高速传输与采集子系统、数据回显与分离处理子系统、 数字滤波处理子系统等。为了使试验数据处理过程符合国家法规要求，本文对数 字信号处理技术进行了探讨，对不同的数字滤波器设计方法进行了对比分析，择 优采用f i r 加窗技术开发出了满足要求的低通数字滤波器，并结合试验情况用 m a t l a b 对本滤波器幅频特性进行了仿真计算分析。为了便于系统的二次开发，结 合本人的具体试验经验，对汽车碰撞试验中有关测控系统的几个关键问题进行了 分析，并对本试验系统的具体试验情况进行了简要总结。本系统开发完成后进行 了大量的试验，证明了本系统完全满足法规要求，具有较高的精度和可靠性。 关键字：汽车碰擅甓矗，虚拟夜嚣菽术，控制， 史 潺 ， 赦 霉一学螋 向前大学 湖南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ed e s c r i b e dt h ed e s i g n i n gp r o c e s so ft h es y s t e mo fa u t oc r a s ht e s t c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gt h a ti sb a s e do nt h el o t so fi n v e s t i g a t i o n a b o u tt h eq u e s t i o no fa u t o s a f e t y a n da u t oc r a s ht e s t s y s t e m i nd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l ，a n dm a i n l yf o rt h i ss y s t e ms p e c i a lr e q u e s t st h a ta l ev e h i c l e sv e l o c i t y r e a lt i m ec o n t r o la n dm u l t i c h a n n e ld a t a a c q u i s i t i o nw h i l ec r a s h d e s i g n i n gt h i ss y s t e m u s e da d v a n c e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , o nt h eb a s eo fl a b v i e ww i t hc c + + a n da s m s ot h a td e s i g n e dt h es o f t w a r eo fa u t oc r a s ht e s tm e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e m o nl o wc o s ti ns h o r tt i m e t h es o f t w a r ei n c l u d ea u t oc r a s ht e s tr e a l t i m ec o n t r o l c h i l ds y s t e m ，m a g n a n i m i t yd a t ah i 曲s p e e dt r a n s m i s s i o na n da c q u i s i t i o nc h i l ds y s t e m ， d a t er e s h o wa n ds p l i tc h i l ds y s t e ma n dd a t af i l t e rc h i l ds y s t e m i no r d e ro ft h ep r o c e s s o fd a t ap r o c e s s i n ga r r i v e sn a t i o n a ls t a n d a r d ，t h ea r t i c l ed e s c r i b e dt h et e c h n o l o g yo f d a t as i g np r o c e s s i n g c o m p a r e da n da n a l y z e dd i f f e r e n tm e t h o d so ff i l t e rd e s i g n i n g ， c h o s e nt h em e t h o do ff i rw i t hw i n d o wa n dd e s i g n e dt h el o wf r e q u e n c yd a t af i l t e r u s e dt h es o f t w a r eo fm a t l a bt os i m u l a t et h e f r e q u e n c yp e r f o r m a n c e ，w h i c h i s c o m b i n e dw i 廿1s o m e e x p e r i m e n t s i n o r d e rt o d e s i g n t h e s y s t e m i ns e c o n d d e v e l o p m e n t ，a n a l y z e ds e v e r a lk e yq u e s t i o n sr e l e v a n tm e a s a r ea n dc o n t r o ls y s t e mi n a u t oc r a s ht e s tw i t hm y t e s te x p e r i e n c e ，a n ds u m m a r i z e dt h es y s t e mb et h eu s e do f t e s t s t h e s y s t e mi sp r o v e d t h a tr e a c h e dt h er e q u e s to fn a t i o n a ls t a n d a r da n dp o s s e s s e dh i 曲 p r e c i s i o na n dc r e d i b i l i t ya f t e ral o to f c r a s h t e s t k e y w o r d s ： a u t oc r a s ht e s t v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y c o n t r o l d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g f i l t e r i i 2 盘塑苎苎兰塑堡奎兰鍪主兰焦造奎 1 1 汽车安全 第一拳导论 汽车作为一种便捷的现代化交通工舆，在给人们的嫩活带来搬大便利的同时， 也匿其造戏豹交通事故给人类的生命莘拜财产安全带来了严重的威胁 1 , 2 1 。 汽车安全性问题与汽车的制动性能、操纵憔能、动力性畿、平顺性能等有赢 接或瓣接关系1 3 1 ，嚣l 逛，汽车安全性礤嶷最捃鼹与提高汽车豹整车蛙能鼹研究交 织在一起的。二战后，随着汽车工业的持续发展，到6 0 年代中期，西方发达国窳 孛汽车戆强毒爨帮汽享戆动力瞧毙有了骥显提建，公路上豹车浚整裹帮每滚速度 已达到了一个空前的水平，汽车事故发生率空前高涨，汽车安垒性受到了公众和 竣府部门豹裹壤耋褪溺。受了海甄汽车攀藏豹发生率，务冒在敬藤熬门中霉成立 了专门的交通安全管理机构，负责有关交通安众的政策与法规的建议与制定。美 国手t 9 6 6 年程联露改辩运浚酃内建立了鏊家公路安全鼹( n h s b ) ，瑟鬻家公爨 交通安垒署( n h t s a ) 的前身：澳大利亚联邦运输部予1 9 7 0 举左右创立了联邦 道路安垒局( f o r s ) ；霞本1 9 5 6 年在营耱办公厅肉袋立了交遴事敖菸获致策憨 部，并猩此基础上成立了安全措施中央娄员会和交通政策总部。从这一时期开始， 各国穗继制定域修订了安全法蕊，螽蓑函静f m v s s 、歉共俸的e e c 撂令彝e c e 法规、澳大利溉的a d k 设计规则、曰本的道路运输安全标准和新型汽车审查标 准等f 墅。在这黧法规的制约下，同时为了提高产品的竞争力，番大汽车话l 造裔萃鞋 些研究机构开展了汽车安全性的专门研究。汽车安全性研究逐渐从汽车技术研 究的其他领域中分离出来形成了一个独立的分凌瑚。 汽车安全憔研究分为主动安全性研究和被动安全性研究1 7 l 。汽车主幼安全燃 是指汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，躐当突发的因素伟用时，徒够在驾 驶员鸵操纵下避免发生碰撞事救的性能l 汽车被动安全性主要怒指在发生意外的 碰撞事敞时，如何对司机和乘员毗及率外行人进行保护，以免发生伤害或尽量减 小其歇受岱害脚。改善汽车豹被动安全性能，程碰撞事敬中对蘩员采取眷教的保 护措施，是汽率制造厂提高其产品竞争力的重毅手段。因此，汽车结构设计、内 嚣装置授蠹镑，在发生碰撞对黠黍员怒豫护搏躅戆乘员保护系绞豹设计，在汽零 开发中占据十分重要的地位 8 1 。 汽车发生疆蓬事敖一簸是獾汽车亵岁 部事秘之闼熬髓撞，髂之巍一次磋撞。 盘商巾是事 第一章汽车碰撞试验概述 乘员与汽车内部结构的碰撞，称之为二次碰撞 1 0 1 。乘员的伤害主要是由下述几 种原因造成的：第一，在碰撞时，汽车结构发生变形，汽车构件侵入乘员生存空 间，使乘员受到伤害；第二，碰撞时，由于汽车结构破损等原因，使乘员的部分 身体或全部身体暴露到汽车外面而受伤；第三，当汽车结构设计较好时，尽管汽 车构件没有侵入乘员生存空间，乘员身体也没有暴露到汽车外部，但在碰撞的作 用下，汽车的速度急剧减小，这时乘员由于惯性作用继续移动，与汽车内部结构 ( 如方向盘、仪表板等) 发生碰撞而造成伤害。在第三种情况下乘员受到的伤害 是直接由二次碰撞造成的 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 因此，为了提高汽车的被动安全性，可以从下面两个方面采取对策：第一， 提高汽车结构的安全性，既使得汽车碰撞部位的塑性变形尽量大，吸收较多的碰 撞能量，降低汽车减速度的峰值，尽量减缓一次碰撞的强度；又使得汽车乘员舱 部分有足够的生存空间，并保证发生事故后乘员能够顺利逃逸；同时保证碰撞时 乘员身体不暴露到车外；第二，使用乘员保护系统，即使用安全带、安全气囊等 乘员保护装置对乘员加以保护，通过安全带的拉伸变形和气囊的排气节流阻尼吸 收乘员的动能，使猛烈的二次碰撞得以缓和，以达到保护乘员的目的【1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 。 1 2 汽车碰撞安全技术的国内外研究现状 欧美等发达国家对汽车被动安全性的研究开展较早，并已经以法规形式对汽 车提出了明确的评价指标和方法。在美国，美国的联邦机动车安全标准f m v s s 就已经对汽车被动安全性提出了要求，如f m v s s2 0 8 ，2 0 9 ，2 1 0 , 2 1 3 规定了对乘员 保护系统和部件的评价方法：f m v s s2 1 4 对侧门强度提出了评价方法；f m v s s 3 0 1 对燃油系统的完整性提出了评价方法：f m v s s2 0 1 ，2 0 2 ，2 0 3 ，2 0 4 ，2 0 7 对 内部装置提出了评价方法，等等。在欧洲，e c e 法规系统和e e c 指令均对汽车 被动安全性提出了要求，其中对轿车被动安全性要求有：在碰撞时对转向装置性 能的要求( 7 4 2 9 7 e e c ) 、对乘员约束系统和对安全带的要求( 7 7 4 0 8 e e c ) 、安 全带的固定要求( 7 6 1 1 e e c ) 、座椅及其固定要求( 7 7 4 0 8 e e c ) 等【1 1 只2 0 】。 目前欧美等发达国家对乘员保护系统的研究主要有下述几个方面【3 ，2 1 2 列： 1 ) 研究安全带的布置方式、结构形式，提高安全带的佩戴舒适性和适用范围，使 之对乘员起到较好的保护作用。例如普通的三点式安全带使用一个卷收器，佩戴 时会使得腰带越来越紧，不舒适；而通用公司某新型车上的安全带上下有两个固 2 国塑苎查望 塑堕奎堂堕主堂垡堡壅 定点各使用一个卷收器，则解决了此问题。 2 ) 研究使用新型的安全带，如预紧式安全带、限力式安全带。 3 ) 发展低能量气囊，减少气囊对离位乘员、儿童乘员的伤害。 4 ) 研究侧撞气囊、翻滚气囊等保护装置。 5 ) 研究智能保护系统。 6 ) 研究膝部、小腿、踝部及颈部的损伤及其保护装置。 我国对汽车被动安全性进行系统研究是从8 0 年代后期开始的，虽然起步较 晚，但已经取得了可喜成绩。清华大学于1 9 9 1 年最早建成了台车试验台，开始了 汽车被动安全性的试验研究。东风汽车工程研究院于1 9 9 5 年6 月建成了汽车碰撞 试验设施，既可以进行模拟碰撞试验又可以进行实车正面碰撞试验，可用于汽车 零部件和整车的安全性法规认证。中国汽车技术研究中心1 9 8 9 年秋组团赴美国、 英国、法国和前联邦德国，对汽车安全试验研究工作进行了考察。并于1 9 9 5 年建 立了正规化的室内台车碰撞模拟试验台：该试验台性能稳定，可以按g b l 5 0 8 3 - - 9 4 、g b l 4 1 6 6 - - 9 3 、g b l 4 1 6 7 - - 9 3 等法规要求进行座椅强度、安全带性能的试验 验证。上海交通装卸机械厂于1 9 9 3 年引进了德国申克公司的h y g e 液压伺服发 射型高精度碰撞模拟试验台。以及交通部公路交通工程综合试验场等试验台的建 成标志着我国汽车安全性研究有了长足的发展。1 9 9 2 年5 月3 1 日进行了国内第 一次小客车实车碰撞试验，】9 9 8 年6 月1 8 日进行了国内第一次轿车实车碰撞试 验【2 3 , 2 4 】。 2 0 0 d 年，国家关于被动安全保护法规强制项目正面碰撞法规的出台，标 志着中国汽车安全标准又迈上了一个新的台阶，加速了与国际接轨的步伐。按照 国机管1 2 0 0 0 12 号文件规定，于1 9 9 8 年实行的对汽车产品实施的3 4 项强制眭 项目从2 0 0 0 年4 月1 日起调整为4 0 项，新增加乘员碰撞保护项目，相关的法规 包括：汽车正面碰撞乘员保护法规( 蕊d r 2 9 4 - - 一c 1 1 i mm o t o r 牺d ed e s i g n r u l e ) 及防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定( g b l l 5 5 7 - 1 9 9 8 ) 。c m v d r 2 9 4 法规要求汽车在以4 8 5 0 k m h 的碰撞速度撞击障碍壁时，碰撞过程中车门不许开 启、前门不许锁止、碰撞后每排至少有一个车门能够打开、假人能够完好取出， 安全带系统完好、安全带固定点不许脱落；碰撞过程中燃油不能泄漏、碰撞后泄 漏量小于3 0 克份；乘员伤害指数评价，头部伤害指标h i c 一 1 0 0 0 、胸部变形 7 5 m m 、大腿骨受力、 1 0 k n ：当作用时间超过3 m s 时，假人胸部重心合成加速度 a e m 。、 6 0 9 。只有满足这些要求的汽车，才能在汽车碰撞事故中为乘员提供有效的 盈塑苎查兰塑二望塑主垡蕉堕墼塑垄 保护 2 5 , 2 6 。 1 3 汽车碰撞试验 随着汽车碰撞安全性研究的深入，为了对安全性研究目标进行评价、获得理 论研究所需的相关数据，以及对新型汽车进行认证等，都离不开汽车碰撞安全性 试验【1 , 2 1 。 汽车碰撞试验按其碰撞形态可分为正面碰撞试验和侧面碰撞试验两个方面。 ( 1 ) 正面碰撞试验 美国、欧洲等汽车工业发达国家从6 0 年代初就开始了汽车正面碰撞试验研究 工作。研究的范围为：正面碰撞试验实现的途径，包括牵引装置、控制装置、 壁障等；碰撞用假人的开发或尸体代替乘员的试验；数据采集与处理；图 象分析；乘员伤害指标的确定。为了使得试验结果具有一定的可比性、重复性， 研究人员对试验车质量状态、碰撞速度、假人乘坐数量、假人质量、固定壁障的 几何形状和质量、固定壁障与被试车辆的位置关系进行了大量的试验研究。 ( 2 ) 侧面碰撞试验 侧面碰撞试验方法目前尚处于研究阶段，美国与欧洲的现有侧面碰撞试验方 法不同点较多：移动壁障的台车质量、尺寸，壁障尺寸、形状不同i 碰撞形 态不同；试验用假人不同：碰撞速度不同；碰撞点的位置不同；乘员伤 害指标也略有不同。 汽车碰撞试验研究包括实车碰撞试验、台车碰撞试验和零部件台架试验三个 主要部分。 ( 1 ) 实车碰撞试验 实车碰撞试验是评价汽车安全性最直接和最有说服力的方法，是新产品开发 必须进行的试验。但试验费用昂贵，难以进行多次重复试验，通常在新产品试制 和认证时进行。 ( 2 ) 台车碰撞试验 台车碰撞试验是指利用台车来模拟实车碰撞特性的试验。在台车与刚性墙之 间安装有缓冲装置，台车通过缓冲装置与刚性墙发生碰撞。通过调整缓冲装置的 力学特性来模拟实车碰撞的减速度波形，标准要求的减速度波形如图1 1 所示。 通过台车碰撞试验可以评价安装在汽车上的各种安全附件的碰撞安全性能。e c e r 1 6 规定，安全带动态试验采用模拟碰撞台车进行，台车的质量为4 0 0 k g + _ _ 2 0 k g 4 盘塑苎叁兰塑堕茎堂堡主堂垡堡茎 正式试验前，要在台车上安装5 5 k g 标定重块进行碰撞速度和碰撞减速度波形标 定。标定的碰撞台车速度为5 0 k i n h l k m h ，标定的减速度波形应在图形的界限 内【2 7 1 。 加 速 度 bdf g h g 1 62 02 62 62 003 23 2o 1 01 52 54 55 56 01 86 08 0 图1 1e c er 1 6 与j t s d4 6 0 4 台车碰撞加速度波形要求 ( 3 ) 零部件台架试验 零部件台架试验包括台架冲击试验和静态强度试验。台架冲击试验主要用于 评价零部件对冲击能量的吸收性能；静态强度试验主要用于评价对速度不敏感的 零部件的安全性能。 实车及台车碰撞试验是对汽车安全性进行评价必不可少的试验。实车及台车 碰撞试验需要有足够长的加速跑道，要有给实车或台车加速的动力装置，要有符 合标准的碰撞墩和碰撞表面，以及各种测量仪器设备等。本文涉及的汽车安全性 试验装置主要为实车及台车碰撞试验装置，故在此先对国内外的实车及台车碰撞 试验装置进行必要的分析。 ( 1 ) 牵引装置( 驱动装置) 液体或气体发射型 如美国本迪克斯公司( b e n d i x ) 生产的h y g e 试验装置，其动力部分为高压压 缩机、氮气储气筒和气液油缸。该装置的特点是模拟准确，调整方便，价格昂贵。 德国申克公司为上海交通装卸机械厂制造的碰撞试验机则属于伺服液压油缸 谨蟊向而是乎 第一章汽车碰撞试验概述 驱动。该试验机通过使用高斯迭代法可使实验曲线与设计曲线误差小于5 ，原 则上可以实现任意给定的碰撞曲线的模拟，但价格昂贵。 另外，美国v i a 公司设计制造的碰撞试验推进装置则为气缸驱动装置。该装 置主要是由活塞和气缸组成的线性马达驱动。 机械式 使用最广泛的机械式驱动方式为橡皮绳驱动。清华大学国家安全与节能重点 试验室即是采用这种驱动方式。 荷兰国家技术研究院( t n o ) 的一个小尺寸模拟碰撞装置是用卷扬机和钢索将 台车拉回，同时压缩两组螺旋弹簧。当台车挂钩释放时，弹簧便推台车向前冲， 从而实现碰撞。 英国m i r a 采用的是重力牵引法。即利用重块自由下落的动力牵引台车实现碰 撞。 电机牵引式 该系统利用大功率电机直接驱动卷简缠绕钢丝绳牵引实车或台车实现碰撞。 日本n s k 公司的小尺寸模拟碰撞装置、天津汽车技术中心、北京通县交通部汽车 试验场就是使用这种驱动形式。 ( 2 ) 牵引小车或台车 牵引小车主要用于牵引实车加速，并在加速过程中起到导向作用。当试验实 车达到预定车速后，牵引小车实现与牵引装置和试验实车脱钩。即牵引小车需具 有牵引、导向和脱钩功能。 台车的作用除具有牵引小车的功能外，通常还是零部件碰撞试验的载体。 在台车上可以安装座椅、安全带、安全气囊等，甚至将实车的部分车体安装于台 车上进行碰撞试验。台车上通常还安装有碰撞缓冲装置，以便在碰撞过程中模拟 实车碰撞减速度波形。目前，许多汽车安全性试验室已经用台车取代了试验小车， 使两者有机结合成一体。 在侧面碰撞试验中，台车通常还作为移动障壁对试验车辆进行碰撞。 ( 3 ) 导向方式 为了满足汽车安全性试验中对碰撞角度的要求，防止试验车辆在加速过程中 跑偏，通常需在跑道上设置导向装置。导向装置一般为轨道和滑轮结构，只是轨 道和滑轮的结构和布置形式各有不同。 汽车碰撞试验是在o 1 s 内完成的不可再重复的试验。它综合了机械运动学、 电子学、光学、计算机等学科技术，且试验要用真实车辆和许多一次性消耗材料， 6 盈塑苎苎茎 塑堕查堂堡圭兰些堡壅 成本很高，任何小的失误都可能造成巨大的损失。因此实车碰撞试验不但要求试 验仪器设备有很高的精度，而且对试验人员的技术及经验也要求很高，试验准备 工作也要做到精细认真。根据我国c m v d r 2 9 4 法规和美国f m v s s 2 0 8 正面碰撞 的标准程序，主要试验要求口5 】： ( 1 ) 试验车辆质量：空载质量+ 行李质量+ 假人质量( 两个假人质量) 。 ( 2 ) 燃油箱：抽出全部燃油，加入9 0 油箱容积的水或其它不易燃液体。 ( 3 ) 被试车辆的制动液、冷却液、机油应全部放出( 此项没有专门规定) ， 防止溅洒到壁障表面和下部的高速摄影机上。 ( 4 ) 轮胎气压调到规定值。 ( 5 ) 车辆质量的调整：当车辆未达到上述( 1 ) 条规定的质量时，应加配 重( 质量块) ，加装位置应选择不影响车辆碰撞和乘员保护的地方。 ( 6 ) 加速度传感器安装和目标标志纸的设置。 ( 7 ) 座椅位置和靠背角度的调整，转向盘位置的调整。 ( 8 ) 试验车辆的基本条件：车门全闭不锁，驻车制动释放，变速器处空挡 位置，钥匙处接通位置。 ( 9 ) 假人着座姿势检查：头、腿和其它部位按需要涂些油彩，以帮助确认 假人碰撞部位。 ( 1 0 ) 试验：在距碰撞点之前3 0 0 m m 处测量车速，碰撞试验后进行静态翻 转检验，检查泄漏情况。 电测量系统是汽车碰撞试验中所必须的，用它来测量汽车碰撞过程相关部位 的运动参数，并对这些参数加以处理分析。电测量系统是指包括传感器、放大器、 数据采集及数据处理软件的整个系统。 为了减小不同实验室之间试验条件不同造成试验数据的差异，i s o6 4 8 7 道 路车辆碰撞试验测量技术、s a ej 2 1 1 碰撞试验测试仪表以及我国 c m v d r 2 9 4 法规测试技术：仪器，对不同测量对象的滤波特性作出了明确的 规定，并以通道频率等级( c h a n n e lf r e q u e n c yc l a s s 简称c f c ) 加阻描述。也就 是说，对于每个数据测量通道的数据都要符合c f c 的要求，c f c 指出数据通道 的频率响应在它规定的极限频率范围内，不同的对象对应的数据通道的动态响应 是不同的，并规定了四个数据通道频率等级c f c = 1 0 0 0 、c f c = - 6 0 0 、c f c 3 1 8 0 、 c f c = 6 0 ，c f c 的数值表示了它在幅频域中的最大平坦频率忙t 2 7 】。 我国c m v d r 2 9 4 法规要求台车的速度测量的分辩刻度不得大于o 5k m h ； 鱼塑苎苎茎茎二皇塑兰壁塑堕堕塑堡 e c e r 1 6 规定，安全带动态试验时标定的台车碰撞速度为5 0 k i n h 4 - l k m h ；汽车 碰撞时燃油泄漏欧洲标准e c er 3 4 规定车速为4 8 3k i n h + 2 k n l h 1 2 5 , 2 7 1 。 1 4 本论文研究的目的 我校于2 0 0 0 年开始筹建室内汽车碰撞试验台。本试验台建设的目的在于为汽 车安全眭实验研究提供手段，检验汽车碰撞计算机仿真结果。本试验台的设计指 标是要求达到国际标准中实车碰撞试验要求，从而可以进行台车碰撞试验以及实 车碰撞法规试验。 由于汽车碰撞试验是一种昂贵的破坏性试验，碰撞过程具有瞬时性、大减速 度、不易测量，特别是不能重复做等特点。因此对于控制与电测量系统的要求特 别高 2 4 1 。由于我校自行开发的汽车碰撞试验系统要求具有较高的精度、较低的成 本，因此，对于控制与数据采集及处理系统的要求更高，对其进行深入研究，开 发出具有实时判断、实时控制、实时数据采集功能的高精度测控系统成为了本试 验台开发的关键；同时使电测量系统及数据处理过程符合国标要求，是试验结果 可信与否的重要环节。 鱼塑苎查兰塑堕盔堂堕主堂垡堡壅 第二章测控系统开发平台虚拟仪器技术及l a b v i e w 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展及其在电子 测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新 的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的 功能和作用也已经发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 在本世纪八十年代最早提出虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念， 同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包l a b v i e w 。n i 公司宣 铲t h es o f t w a r e i st h ei n s t r u m e n t , 即软件就是仪器。虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计 的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的 特殊功能的高档低价的新型仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命， 代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生 不可估量的影响酬。、 图2 1 测控系统开发工具l a b v i e w5 0 前界面 l a b v i e w 是l a b o r a t o r y v 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 的缩写。最 初它是基于苹果公司的m a c i n t o s h 微机的。后来n i 公司不断推出基于各种操作系 统的l a b v i e w 版本。1 9 9 8 年n i 公司推出了基于w i n d o w s9 5 w i n d o w sn t 4 0 的 版本l a b v i e w5 0 和它的姊妹软件包l a b w i n d o w t c v i5 o ；2 0 0 1 年n i 公司推 出了基于网络的最新版本l a b v i e w6 0 ，它在网络开发和实时性方面有了较大的 9 盘塑苎苎生苎三重型笙墨笙堑垄三星垒塑堡墨垫查墨兰型型 突破。正是由于l a b v i e w 的出现开创了的仪器研究新方法一虚拟仪器。图2 1 为本试验台测控系统开发所用的l a b v i e w5 0 的前界面。 2 1 虚拟仪器的组成 虚拟仪器一般由个人计算机或者工作站、软件以及仪器组成【2 外。 2 1 1 个人计算机或工作站 虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。其中， 微处理器的发展是最迅速的，它使虚拟仪器的能力极大地提高。八十年代末制造 的虚拟频率分析仪完成一个1 0 2 4 点的快速傅立叶变换需要1 秒种的时间：今天的 系统可以在l 毫秒内完成同样的运算，速度提高了一千倍。这意味着，如果以前 人们是用虚拟仪器来做快速傅立叶变换观察信号，那么今天可以利用它进行高速 的实时运算，并将之应用于过程控制和其它控制系统中。 总线技术的发展也为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。p c i 总线 性能比i s a 总线提高了近十倍，使得高速微处理器能够更快地访问数据。使用i s a 总线时。插在计算机中的数据采集板的采集速度最高为2 m b p s 使用p c i 总线是， 最高采集速度可提高到1 3 2 m b p s 。由于总线速度的大大提高，现在可以同时使用 数块数据采集板，甚至图像采集也可以和数据采集结合在一起。 2 1 2 软件 软件包括应用软件和i o 驱动软件。 用于虚拟仪器开发的应用软件目前大致有两类：一类是文本式的编程语言， 如b o r l a n dc + + b u i l d e r ，v i s u a lc 抖，l a b w m d o w s c v i 等；另一类是图形化编 程语言，具代表性的有h p v e e 等。 大部分虚拟仪器开发环境均提供一定程度的i 0 设备支持。许多i o 驱动程 序已经集成在开发环境中。以l a b v i e w 为例，它能够支持串行接口、g p i b 、v x l 等标准总线和多种数据采集板，l a b v i e w 还可以驱动许多仪器公司的仪器，如 h e w l e t t - p a c k a r d 、p h i l i p s 、t e k t r o n i x 、b & k 、h u k e 等。同时，l a b v i e w 可调用 w i n d o w s 动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数，以解决对某些非n i 鱼塑苎查兰塑堕查兰堡主堂垡堡苎 公司支持的标准硬件在使用过程中的驱动问题 3 q 3 ”。 2 1 3 仪器 仪器部分包括通用接口总线( g p i b ) ，数据采集板( d a q ) ，以及v x i 总线。 通用接口总线用来把独立的仪器连接到计算机上。原来的虚拟仪器差不多都 是使用台式仪器作为输入输出部件。通用接口总线是一项把计算机和台式仪器结 合在起的数据交换技术。 在虚拟仪器技术中，d o 设各集成在数据采集板上，直接插到计算机总线上。 数据采集板进行数据采集，并且即时地把数据存放到r a m 。微处理器可以立即 访问这些数据。数据由微处理器和数据采集板共享。所以，对于微处理器而言， 数据采集板实际上是一种i o 设备。数据采集板技术极大地推动着虚拟仪器的发 展，因为它把微处理器和总线技术的进步直接演变为g o 设备的改进和系统能力 的提高。 v x i 总线是一种在世界范围内完全开放的、适用于多厂商的模块化仪器总线 系统。它吸取了v m e 计算机总线高速通讯和g p i b 仪器易于组合的优点，针对 测量仪器的特征和专门要求而设计。具有小型便携、高速数据传输、组建系统灵 活方便、易于发挥计算机性能、标准程度高等特点，其优越的系统结构为虚拟仪 器的开发提供了一个理想的平台。 2 2 虚拟仪器的功能及特点 2 2 1 虚拟仪器的功能 虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面 板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用 方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己 的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可以广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘 探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域3 。 虚拟仪器最常见的应用是取代传统的台式仪器。随着插入式数据采集板速率 的提高和触发技术的改进，插入式数据采集板技术使台式仪器获得了新生n 在虚 盘栩扎t 事 第二章测控系统开发工具虚拟仪器技术及l a b v i e w 一一_-h，一 拟仪器所取代的仪器中，最常见的是示波器。通过利用虚拟仪器开发软件编制出 的虚拟仪器程序，用户可以调整数据采集板的动作，使软件就象一台示波器一样 显示输出波形，同时虚拟示波器还可以进行许多分析工作。例如n i 公司 v i r t u a l b e n c h 软件具备许多分析仪器的功能，它可以把插入式数据采集板变成示 波器和动态信号分析仪。 2 2 2 虚拟仪器的特点 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要 求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要求。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有如下优点： 传统仪器 虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接十分有限可方便地与网络外设及多种仪器连接 图形界面小，人工读取数据，信息量界面图形化，计算机直接读取数据并分析处 小理 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一 基于计算机技术开放的功能模块可构成多 系统封闭、功能固定、可扩展性差 种仪器 技术更新慢技术更新快 开发和维护费用高基于软件体系的结构可大大节省开发费用 现在我国的科学技术水平还相对落后，每年需要花费大量的外汇进口电子仪 器产品。如何发展我国自己的仪器产业，尤其是具有广阔发展前景的虚拟仪器， 1 2 叠塑苎圭兰 塑堕查兰巫圭兰垡堡塞 是我们应该迫切解决的问题。 2 3l a b v i e w 开发平台介绍 l a b v i e w 是一个完全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它组建 仪器测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计。l a b v i e w 与v i s u a l c + 十，v i s u a lb a s i c ，l a b w i i l d o w s ，c v i 等编程语言不同，后者采用的是基于文本语 言的程序代码，而l a b v e w 则是使用图形化程序设计语言g ，用方框图代替了 传统的程序代码。l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分 图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。 l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开 发工具库。l a b v i e w 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“v i s ”。 在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库产生一个个前面板( f r o n tp a n e l ) ； 在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有与 传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令。一般来说，每一个v i 都可以作为 其它v i 的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。 l a b v i e w 是带有可扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用 于g p i b 设备控制、v x i 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存 储的应用程序模块。l a b v i e w 可调用w i n d o w s 动态链接库和用户自定义的动态 链接库中的函数。l a b v i e w 的c i n 节点使用户可以使用由其它语言，如a n s ic ， 编译的程序模块，使l a b v i e w 成为一个开放的开发平台。l a b v i e w 还直接支持 动态数据交换( d d e ) 、结构化查询语言( s q l ) 、t c p 和u d p 网络协议等。此 外，l a b v i e w 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动 态执行程序来观察数据的传输过程，以进行方便的调试。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体系 结构的执行方式。传统的计算机语畜( 如c ) 中的顺序执行结构在l a b v i e w 中被 并行机制所代替：从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式，这 种方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是说，在这 种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等 因素的影响。 综上所述，l a b v i e w 的主要特点有【2 8 】： 1 ) l a b v i e w 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，并且是针对 盘塑苎查兰 苎三至塑! 量墨竺堑茎三星生垫些墨垫查垦垫竖望里 测试测量和过程控制领域的。l a b v i e w 提供了许多仪器面板中的控制对象如： 表头、旋钮、开关、坐标图等。用户还可阻通过控制编辑器将现有的控制对象修 改为适合自己工作领域的控制对象。 2 ) l a b v i e w 使用图标表示功能模块，使用图标之间的连线表示各模块间的数 据传递。因为使用为大多数工程师和科学家熟悉的数据流程图式的语言书写程序 代码所以编程过程和思维过程非常类似。这样不仅使编写程序变得简单而且写出 来的程序更易懂。 3 ) l a b v l e w 继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点。l a b v i e w 支持模块化、层次化设计，在一个中可能包含了许多子v i 。这种层次结构的 设计增强了程序的可读性。 4 ) l a b v i e w 提供了多种程序调试方法。用户可必在源代码中设置断点；单 步执行源代码；在源代码中数据流连线上设置探针，观察程序运行过程中数据的 变化。因为直接显示了数据的流动，所以l a b v i e w 的调试功能相对其他程序的 调试更加直观，更易于分析出程序中的错误。 5 ) 不仅l a b v i e w 系统本身提供了许多常用的v i 。而且因为l a b v i e w 支 持分层结构所阻可以建立自己的v i 库实现代码重用，减少程序开发时间。 6 ) l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决了其他运用解释方式运 行程序的图形化编程平台运行速度慢的缺点。 7 ) l a b v i e w 支持多种操作系统平台，如：m a c i n t o s h 、p o w e rm a c i n t o s h 、 h p - u x 、s u ns p a r c 、w i n d o w s 3 x 、w i n d o w s 9 5 9 8 、w i n d o w s n t 等。在啦上任 何一个平台开发的l a b v i e w 应用程序都可直接移置到其他平台上。 8 ) l a b v i e w 提供了大量的函数库供用户直接调用。从基本的数学函数、字 符串处理函数、数组运算函数和文件i o 函数到高级的数字信号处理函数和数值 分析函数。从底层的v x i 仪器、数据采集板和总线接口硬件的驱动程序到世界 各大仪器厂商的g p l b 仪器的驱动程序，l a b v i e w 都有现成的模块帮助用户方 便迅速组建自己的应用系统。 9 ) l a b v i e w 是一个开放的开发平台。l a b v i e w 提供了动态链接库( d l l ) 接口和c i n 节点。这样用户可以使用其它软件平台的模块来完成l a b v i e w 本身 无法实现的功能，比如为自己设计的板卡编写驱动模块。 1 0 ) 利用d d e 技术l a b v i e w 可以方便的调用其他应用程序提供的功能。同 时利用丰富的a c t i v e x 模块可以轻松实现扩展功能。 1 1 ) l a b v i e w 运用了多线程技术改善了系统的运行速度和可靠性。 鲍塑苎苎兰塑堡查兰堡主堂壁堡塞 1 2 ) 将可重用代码直接嵌入l a b v i e w 中，并通过简单的图形编程方法进行 控制。 1 3 ) 可用多种语言把l a b v i e w 做为服务器( s e r v e r ) 调用l a b v i e w 程序。 2 4 图形化程序设计2 9 l a b v i e w 程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的 所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。 这样，l a b v i e w 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不象 文本程序受到行顺序执行的约束。从而，我们可以通过相互连接功能方框图快速 简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。 l a w 匝w 的核心是v i 。v i 有一个人机对话的用户界面前面板( f r o n t p a n e l ) 和类似于源代码功能的方框图( d i a g r a m ) 。前面板接受来自方框图的指令。 在v i 的前面板中，控件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供给v i 的方框图；而指示器( i n d i c a t o r s ) 则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或 产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，l a b v i e w 在方框图中相 应地放置了一个端口( t e r m i n a l s ) ，这个从属于控件或指示器的端口不能随意删除， 只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。 用l a b v i e w 编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首 先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上适当的位置；然后用导 线( w i r e s ) 连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。 这些方框包括了简单的算术功能，高级的采集和分析功能，以及用来存储和检索 数据的文件输入输出功能和网络功能。 用l a b v i e w 编制出的图形化v i 是分层次和模块化的。我们可以将之用于顶 层( t o pl e v e l ) 程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个用在其它v i 中，称之为s u b v i ，s u b v i 在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。 l a b v i e w 依附并发展了模块化程序设计