（机械制造及其自动化专业论文）车载式制动性能测试方法和软件开发的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着汽车制动系被测参数复杂程度的增加，传统测试方法越来越不能满足要 求。由于高速发展的计算机技术在测试领域的广泛应用，具有功能强大、配置灵 活、使用方便等特点实时测试系统已成为当前流行的现场测试手段。 本文首先简要介绍了国内外汽车测试技术发展的状况，分析了国内制动性能 测试水平。在论述了实时在线测试系统的概念、特点以及相关技术标准之后，结 合当前国内车载式制动性能测试系统的相对不足，再在对典型测试系统框架详细 构成的研究基础上，提出了车载式制动性能测试系统的整体框架，即从宏观上研 究了制动性能测试的方法。 硬件的抗干扰设计和软件数字处理技术( 包括算法) 是本文论述的在车载式 制动性能测试系统中数据采集和处理涉及的两个关键方面，是从测试方法微观的 角度考虑来解决实际问题。因此，其内容是本文的重点之一。 测试系统软件平台的构建是本文的另一个重点。具体内容包括底层驱动程序 的构建和应用程序的开发。底层接口方面首先分析了在w i n d o w s 操作系统保护模 式下开发实时驱动程序的方法，然后列举了编写d l l 的详细过程。w i n d o w s 抢先 式多任务的特点为应用程序用户界面多线程的开发提供了条件，可以在普通平台 上方便地实现测试系统实时显示功能。同时，由于测试数据复杂程度的加大，在 应用软件中采用了当前流行的数据库技术来参与数据的管理。 最后以具体项目为例综合应用了上述研究。“车载式汽车制动系综合测试系 统”是在线测试技术在汽车工业领域的典型应用。本文提出了整个测试系统硬件、 软件、接口等完整的解决方案，以及最终的测试结果。“压电生物芯片测试系统” 是当前另一代表性的实时测试系统。本文主要论述了关于构造该测试系统框架及 部分测试软件重用的方法。在项目实际开发中均渗入了具体测试方法的选择以及 数据采集与处理硬件及软件方面的技术。 关键字：制动系、实时测试系统、测试方法、数据采集与处理、软件平台、压电 生物芯片 英文摘要 a b s t r a c t a st h ep a r a m e t e r st ob et e s t e do fa u t o m o b i l eb r a k es y s t e ma r em o r ea n dm o r e c o m p l e x ，t h e t r a d i t i o n a lt e s t t e c h n i q u ec o u l dn o t m e e tt h ec u r r e n tr e q u i r e m e n t s g r a d u a l l y w i t ht h ew i l da p p l i e a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p i n go ft o ps p e e di n t h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gf i e l d r e a l t i m et e s ts y s t e m 丽mt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p o w e r f u lf u n c t i o n ，f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o na n dc o n v e n i e n c ee t e , i saf a s h i o nm e t h o do f a u t o m o b i l e 丘e l dt e s t 行瞎d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fa u t o m o b i l et e s tt e c h n i q u e 加h o m ea n df o r e i g ni s i n t r o d u c e da tf i r s tb e f o r ea n a l y z i n gt h ed o m e s t i ca u t o m o b i l eb r a k et e s tt e c h n i q u e t h e n , a f t e rs t u d y i n gt h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c a ls t a n d a r d so fr e a l - t i m ef i e l d t e s ts y s t e ma n du n d e r s t a n d i n gs o m el i m i t a t i o n se x i s t i n gi nt h ec u r r e n td o m e s t i cb r a k e t e s ts y s t e ma n dr e s e a r c h i n gt h ed e t a i lo ft y p i c a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ef r a m e w o r k o fa u t o m o b i l eb r a k ep e r f o r m a n c et e s ts y s t e mo n v e h i c l ei sp r o p o s e da n dt h er e a l a p p l i c a t i o ni si n t r o d u c e da sas a m p l ef r o mt h em a c r o s c o p i cd e f i n i t i o no f t e s tt e c h n i q u e i nt h et h e s i s ，t h eh a r d w a r ed e s i g no fa n t i i n t e r f e r e n c ea n ds o f t w a r ea l g o r i t h ma r e t w ok e yi s s u e sa b o u td a t aa c q u i r i n ga n dd a t ap r o c e s s i n go ft e s ts y s t e mv i r t u a l i n s t r u m e n t sb a s e d ，f r o mt h em i c r o c o s m i cv i e wo ft e s tt e c h n i q u ef o rr e s o l v i n gt h e c o n c r e t e dq u e s t i o n s s o ，i ti so n e e m p h a s i so f t h i sp a p e r a n o t h e re m p h a s i so f t h ep a p e ri so f c o n s t r u e t i n gt e s ts y s t e ms o f t w a r e t w oa s p e c t s ， p r o g r a m m i n gt h ei n t e r f a c ed r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，a r et h em a i nc o n t e n t t h em e t h o do fd e v e l o p i n gt h er e a l - t i m ed r i v e ru n d e rt h ep r o t e c t i o nm o d eo fw i n d o w s o p e r a t i o ni si n t r o d u c e d t h e nt h ep r o c e s sf r o mp r o g r a m m i n gad l l f i l et ou s i n gi ti n a n o t h e ra p p l i c a t i o ni sd e t a i l e dw r i t t e na sa ne x a m p l e t h er e a l - t i m ed i s p l a yf u n c t i o nc 姐 b er e a l i z e du n d e rt h ec o m a - n o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mb e c a u s ew i n d o w s ，t h e p r e e m p t i v em u l t i t a s ko p e r a t i o n , c a r tp r o v i d et h em u l t i t h r e a df o rt h ed e v e l o p m e n to f u s e r a p p l i c a t i o ni n t e r f a c ec o m p l e t e l y a tt h es a m et i m e ，t h ec u r r e n td a t a b a s et e c h n o l o g yi s u s e df o rm a n a g et h em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e da c q u i r e dd a t a f i n a l l y , t w or e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dp r o j e c t sa r ei n t r o d u c e dc o m p l e t e l y t h e d e d i c a t e dp o r t a b l ei n t e g r a t e dt e s ts y s t e mo fa u t o m o b i l eb r a k i n gh a sb e e nd e s i g n e d 嬲 t h et y p i c a la p p l i c a t i o no ff i e l dt e s ti n s t r u m e n ti na u t o m o b i l et e s tf i e l d t h ec o m p l e t e s o l u t i o ni n c l u d i n gt h ek e yp o i n to fh a r d w a r e ，s o f t w a r e , i n t e r f a c eh a sb e e nr e s e a r c h e d l i l 重庆火学硕士学位论文 a n da p p l i e d , a n dt h ea c c u r a t ed a t aa c q u i r e di nt h ee n d ar e a l - t i m ep i e z o e l e c t r i c i t y b i o c h i p t e s ts y s t e mi s r e p r e s e n t a t i v e t h ef r a m e w o r ko ft h i ss y s t e mh a sb e e n c o n s t r u c t e da n dt h ep a r ts o f t w a r et e c h n i q u ef r o mt h ep r e v i o u sa p p l i c a t i o nh a sb e e n r e u s e da st h em a i nd e v e l o p m e n tw o r k i nt h ed e v e l o p m e n to fb o t hp r o j e e t s ，t h et e s t m e t h o da n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g ya f o r e m e n t i o n e di nt h ep a p e ra b o u t d a t aa c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gh a v eb e e na p p l i e d k e y w o r d s ：b r a k es y s t e m ，r e a l - t i m et e s ts y s t e m , t e s tt e c h n i q u e ，d a t aa c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n g ， s o f t w a r ep l a t f o r m , p i e z o e l e c t r i c i t yb i o c h i p 1 绪论 l 绪论 1 1 引子 1 】 2 】 3 当今社会，汽车已成为人们工作、生活中不可缺少的一种交通工具。特别是随 着中国加入w t o ，我国汽车工业正在加速和国际接轨，汽车的安全、节能、环保 等也日益受到政府、普通消费者的关注。从近两年的情况来看，新产品的推出间 隔时间越来越短，科技含量越来越高。但是随着汽车数量的增加，我国每年的汽 车安全交通事故呈逐年上升的趋势，威胁到人民生命财产的安全。汽车制动性能 好坏，是安全行车最重要的因素之一。故而。进行汽车制动性能测试系统的研究 和开发具有很重要的现实意义。 1 1 1 国内外车载式测试技术的发展 早在5 0 年代在一些工业发达国家就形成以故障诊断和性能调试为主的单项检 测技术和生产单项测试设备。6 0 年代初期进入我国的车载式性能检测设备有美国 的发动机分析仅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检测技术。 7 0 年代以来，随着电子计算机技术的发展，出现了汽车检测诊断、数据采集 处理自动化、检测结果直接打印等功能的汽车性能检测仪器和设备。例如，国外 生产的汽车制动检测仪具有较先进的全自动功能。在此基础上，为了加强汽车性 能检测的管理，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。 进入8 0 年代后，计算机技术在汽车检测技术领域的应用进一步向深度和广度 发展，已出现集检测工艺、操作、数据采集和打印、存储、显示等功能于一体的 系统软件，使汽车检测线实现了全自动化，这样不仅可避免人为的判断错误，提 高检测准确性；而且可以把受检汽车的技术状况储存在计算机中，即可作为下次 检验参考，还可供处理交通事故参考。国外大型汽车生产厂家在汽车新产品的开 发中都无一例外地大量使用各种试验仪器设备，如美国福特汽车公司在作汽车性 能道路试验时使用的车载式测试仪器其同时测量的信号数量可达到5 0 0 个，可综 合测试一辆汽车的各种性能，是一种非常先进的测试设备。 我国从6 0 年代开始研究汽车性能检测技术，主要进行了发动机汽缸漏气量检 测仅等检溺仪器的研究、开发。7 0 年代，我国大力发展了汽车性能检测技术，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( 具有制动性检测、底盘测功、速度测试等功能) 。 重庆大学硕士学位论文 进入8 0 年代，随着计算机和测试水平的不断提高，汽车检测及诊断技术也随 之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，对汽车检 测诊断设备的需求也与日俱增。同时，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 不造成社会公害等问题，已逐渐被提到政府有关部门的议事日程，因而促进了汽 车诊断和检测技术的发展。 1 1 2 国内汽车制动性能测试技术的发展 制动系是汽车底盘的主要组成之一，其技术状况变化直接影响汽车行驶、停 车的安全性。汽车制动性能直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离 过长，紧急制动时发生侧滑等情况有关。随着汽车行驶速度的提高，汽车制动性 对保障交通安全尤显重要。因此，它是汽车安全检测中的重点检测项目之一。为 此，国标g b7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全技术条件等法规中都要求对汽车制动 性进行定期检测并符合相应的技术条件。 我国在汽车制动性能测试设备经历了从无到有；从引进技术，到自主研究开发 推广应用；从单以性能检测到综合性能检测，取得了很大的进步。 国内汽车制动性能测试设备分两大类： 室内模拟试验台。室内模拟试验台是最早投入实际应用的汽车性能测试设 备之一，历史悠久，技术上比较完善，实际使用效果和国外先进试验台相比差距 不大，现在基本上都可以取代国外进口设备。如今汽车制动性能试验台国内产品 类型多样，但与世界先进水平相比，还有一定的距离，与我国汽车性能检测设备 在国际大环境中的地位是一样的。 车载式便携式试验装置。汽车制动系道路实测试验装置，即在试车场上对 汽车制动系性能进行实际检测的设备，国内基本上还处于空白，而国外相关设备 早在8 0 年代末9 0 年代初就随着计算机技术的兴起和制造业水平的提高而开始起 步，迄今为止已经有许多技术上非常成熟的产品。如福特、博世等公司开发的车 载式汽车性能测试装置，这些装置测试精度高、测试参数全、体积小、安装拆卸 方便，大大提高了国外汽车制造厂商开发新车型的速度和质量，从而使国外先进 汽车与国产车在开发速度、技术含量上差距越来越大。 1 2 实时在线测试系统【4 】【s 】【6 】【7 】 随着汽车测试参数的复杂程度不断增加，传统仪器在面对被测精度越来越高， 速度越来越快的情况下，其局限性明显地反映出来。然而，由于计算机强大的功 能支撑使得各种微机化的新型仪器应运而生，特别是8 0 年代后期，国外提出了一 种全新的实时测试仪器、仪表概念虚拟仪：器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。 2 1 绪论 1 2 1 虚拟仪器的概念和特点 所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件所 形成的一种新型的测试仪器，是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、 过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。虚拟仪器系统的概念是测控系 统的抽象，实体框架如下图1 1 所示。 图1 1 虚拟仪器外观 f i g u r e1 1a p p e a r a n c eo f v i r t u a li n s t r u m e n t 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的虽新方向和潮 流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量 的影响。虚拟仪器的主要特点为： 软件为核心。一旦虚拟仪器的硬件确定，规模可通过软件的修改而增减。 灵活方便，用户自己定义。虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义，用户无法更 改的模式，可根据自己的需求，方便灵活地重组测量系统。 系统的开放性强。虚拟仪器具有与其它设备互联的能力，如可通过与网络或其 它高档外设的连接，实现对现场的监测和管理。 性价比高。虚拟仪器技术更新周期短，系统组建时间少，同时由于测量时完全 采用数字化，降低了环境干扰和系统误差的影响，从而节省了硬件环节，也减 少了测试系统的开发成本和维护成本，所以经济实用。 在多数的测试、过程监视和工业控制以及实验室研究中，我们面临的是数据采 集的问题，且多为非电量的采集，如温度、压力、流量、转速、湿度、酸碱度等。 在以计算机为控制者的数据采集系统中，数据采集实际上归结为计算机的输入，输 出( i o ) 。在虚拟仪器中，是利用插在计算机内的扩展槽或v x ! 、p x i 机箱中的数 据采集板或数据采集模块以及信号调理系统来完成数据的输入输出的。数据采集 板或模块是一a d 、d a 装置，其进行实时数据采集并将数据存到计算机的r a m 中， 由于计算机和开发系统具有强大的数据计算、分析能力，所以可以根据需要对采 3 重庆大学硕士学位论文 集的数据进行处理。这一类的虚拟仪 器，或是替代传统的台式仪器，如数字 示波器、数字万用表、频谱分析仪等， 或是做成专用的医用检测仪器，如心脏 检测仪器，或是根据需要组成各种专用 的数据采集监控系统、图像采集分析系 统等。 图1 2 所示为虚拟仪器技术规范在 插入式硬件、外挂系统、嵌入式工业 图1 2 虚拟仪器技术标准的应用领域 用硬件不同领域的应用以及其相互之 f i g u r e1 2 a p t ，l i c a t i o n f i e l d o f v ! i r t u a l 闽的关系。 i n s t n m a e n tt e d m i c a ls t a r i d a r d 8 1 2 2 当前虚拟仪器的发展 虚拟仪器可以广泛应用于航天、汽车、电力、物矿勘探、医疗及教学科研等 多方面。国际上从1 9 8 8 年开始陆续有虚拟产品面市，美国是虚拟仪器的诞生地， 也是全球最大虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有h p 公司、t e k t r o m x 公司、和前述的n i 公司和德国博世公司等，这些厂家的产品在国际市场上有较强 的竞争力，已广泛应用到各个测试领域。 目前，国内也已经出现比较成熟的基于虚拟仪器相关总线的产品。比如，g p i b 总线技术在我国的推广与应用已近2 0 年的历史，一些仪器厂家也研制生产出某些 门类和品种的带g p i b 接口的仪器。另外，由于v x i 价格较高，推广应用受到一 定限制，主要集中在航空、航天等国防、军工领域。国内高校中对虚拟仪的研究 也有日新月异的发展，如重庆大学机械学院的秦树人教授对虚拟仪器的理论研究 与应用都代表着国内最高水平。 1 _ 3 测试仪器在汽车制动性能测试领域的应用【2 【6 】 7 】 除了国外汽车制造大厂自行开发的设备外，美国n i 公司、德国博世公司、美 国i o t e c h 公司、日本小野测器公司同样具有较强实力，这些厂家的产品在占领了 较大部分市场，已广泛应用到了汽车测试领域，其中博世公司和i o t e c h 公司在制 动性能测试方面有突出的表现。 由于需进行强制性法规达标以及客户对车辆性能要求的不断提高，国内汽车制 造厂家也进行了相关仪器的开发。对当前国内已有的车载式制动性能测试系统的 实际用户应用效果的分析，自主开发的测试系统虽然具有价格、地域和后期维护 的优势，但还存在以下不足： 数据采集系统的速度与国外相差较大，主要集中在低速和中速部分： 4 1 绪论 采集系统的数字有效位数相对较低，即精度不高，一般只有8 位； 硬件配置灵活度不高，没有达到完全“模块化”的自定义客户化测试终端 采样数据的传输速度有限，不能满足更高的需求； 在环境较恶劣的场合，其硬件抗干扰能力不足： 测试软件适用范围比较单一，“组件化”程度不高，即通用性差。 1 4 论文研究的课题背景与内容 1 在实际的科研过程中，厂校结合的开发模式为课题研究的顺利进行提供了保 障，这不仅可以实现信息的及时交流，在开发过程中可以用最有效、最快捷的方 法解决问题，减少系统开发和调试时间， 开发双方具有测试仪器的自主知识产权。 车载式汽车制动系综合测试系统 间接节约企业开发新产品的成本；同时， 论文研究的工程背景有以下两方面： 汽车制动系统是安全性能最重要的因素之一，国家制定了相关的汽车制动系强 制性规范标准。由于汽车生产厂家采用的传统仪器一方面不仅测量参数类型有限， 对一些复杂情况下测量基本无能为力，而且获得的数据不够完整和准确；另一方 面，测试效率不高，需要一定的人力、物力。故而，应用当前先进的实时测试技 术，为丰富测试手段、提高精度、降低成本，进行汽车制动性能测试系统的研究 和开发具有很重要的现实意义。 压电生物芯片测试系统软件平台 医疗系统是实时测试仪器另一个广阔的应用领域。目前，生物芯片技术主要应 用在基因测序及分析、新基因发现、疾病诊断和预测、药物筛选等，此外，生物 芯片在农业、食品监督、环境保护、司法鉴定等方面都将发挥重要作用。压电生 物芯片技术是当前先进测试方法之一。因此，为实现高精确度、多功能化的测试 效果，进行压电生物芯片检测仪软件平台的开发。 2 论文的主要内容 汽车测试方法综合多学科于一体的跨专业、跨行业特性，以及研究多层次、多 角度的性质对系统的要求很高。鉴于此，本论文是在比较全面地了解实时测试系 统的基础理论及研究当前汽车制动性能测试主要方法的基础上，同专业数据采集 器生产厂家合作开发车载式数据采集系统和测试软件的自主研发的实践之后，对 所做工作最后总结和提高。 本文关键点之一是构建实时在线车载式测试系统的框架和实际开发。为解决当 前国内自主开发的测试系统存在的相对不足之处，融合国外先进技术，提出了实 际可行且符合当前国内用户需求的车载式制动性能测试系统的解决方案。 在学习国内外流行的开发模式下，利用测试方法和测试软件整体上具有通用性 5 重庆大学硕士学位论文 这一特点，结合实际工程项目的要求，主要研究了软件系统开发框架并给出了软 件重用部分的具体实现，这是本文研究的另一个重点。 6 2 车载式制动性能测试系统的整体框架 2 车载式制动性能测试系统的整体框架 2 1 典型数据采集系统概述 测试系统的最初目标是进行数据采集，因此数据采集模块是整个测试系统的关 键和核心。数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转化 成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同 需要进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被反 馈给控制系统中的输出模块。 2 1 1 测量信号分类 数据采集的信号主要分为以下几类【g 】，如图2 1 所示。 模拟信号 模拟信号是指随时问连续变化的信号。模拟信号非常便于传送，但它对于干扰 信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模 拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。 数字信号 数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信 号是由有限长的数字组成，其中每位数字不是0 就是1 ，这可由脉冲的有无来体现。 数字信号对传输路线上的干扰不敏感，只需检测脉冲的有无来获取信息，至于信 号的精确性( 幅值、持续时间) 是无关紧要的。 数字信号输入计算机后，常常需要进行码制转换处理，以便显示数字信号值。 开关信号 开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关可继电器触点等。开 关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。 图2 1 数据采集的信号 f i g u r e2 1s i g n a l so f a c q u i s i t i o n 7 重庆大学硕士学位论文 2 1 2 采样定理 对连续的模拟信号工( f ) ，按一定的时间间隔z ，抽取相应的瞬时值( 也就是通 常所说的离散化) ，这个过程称为采样。连续的模拟信号x ( f ) 经采样过程后转换 为时间上离散的模拟信号x s ( ，2 t ) ( 即幅值仍是连续的模拟信号) ，简称为采样信 号。在经过量化变为量化信号工。西r ) ，最后编码转换为数字信号x ( ) 。整个数 据采集过程可用图2 2 表示。 图2 2 数据采集过程 f i g u r e2 2p r o c e s so f d a t aa c q u i r i n g 采样周期t 决定了采样信号的质量和数量：e 太小，会使z 。( n r ) 的数量剧增， 占用大量的内存单元；z 太大，会使模拟信号的某些信息丢失，这样一来，若将 采样后的信号恢复成原来的信号，就会出现失真现象，影响数据处理的精度。因 此，必须有个选择采样周期z 的依据，以确定使x ，z ) 不失真地恢复原信号 x o ) 。这个依据就是采样定理： 设有连续信号x ( f j ，其频谱为x 杪) ，以采样周期z 采得离散信号为工。z ) 。 如果频谱x ( 厂) 和采样周期满足下列条件： 三掌墨攀糍萼 x ( f ) = 即当z 驴) ，( 工为截至频率) 时，x ( 厂) = o = ，则连续信号 t ( n r ；)型墨! ! ：型 b 圣( f n t ，) 1 j ( 2 】) ! 主夔墓型垫竺墼型堕墨竺塑些竺堡塑 一一 唯一确定，式中疗= o ，l ，2 ，；z 就是在采样时间间隔内能辨识的最高频率， 即截至频率，又称为奈奎斯特频率嘲，图2 3 所示为不同的采样频率产生的效果， 上面部分的点阵为合适的采样频率，下部分由于采样频率低导致了失真。 图2 3 a d 采样频率 f i g u r e2 3f r e q u e n c yo f a d 2 1 3 微型计算机数据采集系统 微型计算机数据采集系统的结构 如图2 4 所示，由图可知，微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开 关、程控放大器、采样保持器、a i d 转换器、计算机及外设部分组成。各部分作 用如下： 1 ) 传感器 各种待转换的物理量，如温度、压力、位移、流量等都是非电量。首先要把 这些非电量转换成电信号，然后才能做进一步的处理。把各种物理量转换成电信 号的器件称为传感器。 2 ) 模拟多路开关 数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集。在不要求高速采样的场合，一 般采用公共的a d 转换器，目的是简化电路，降低成本。可以用模拟多路开关来 轮流切换各路模拟量与a d 转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许 一路模拟信号输入到a d 转换器，从而实现分时转换的目的。 3 ) 程控放大器 在数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号。程控 放大器的作用是将微弱的输入信号进行放大，以便充分利用a d 转换器满量程输 入。为了充分利用a d 转换器的分辨率，即转换器输出的数字位数，就要把模拟 输入信号放大到与a d 转换器满量程电压相应的电平值。 一般通用数据采集系统均支持多路模拟通道，而各通道的模拟信号电压可能 9 重庆大学硕士学位论文 有较大差异，因此最好是对各通道采用不用的放大倍数进行放大，即放大器倍数 可以实时控制改变。程控放大器能够实现这个要求，就在于它的放大倍数随时可 以由一组数码控制改变放大倍数，即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。 4 ) 采样保持器 a d 转换器完成一次转换需要一定时间，在这段时间中希望a d 转换器输入 端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样，保持器来 实现，采样保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。 5 ) a 仍转换器 因为计算机只能处理数字信号，所以须把模拟信号转换成数字信号，实现这 一转换功能的器件是a d 转换器。a d 转换器是采样通道的核心，因此，a d 转 换器是影响数据采集系统采样速度和精度的主要因素之一。 6 ) 接口电路 该电路将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整并和计算机的总线通信。 7 ) 微机及外部设备 负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据做必要的处 理，然后根据需要来显示和打印。 被铡戆理擞 图2 4 微型计算机数据采集系统框图 f i g u r e2 4f r a m eo f m i c r o c o m p u t e rd a t aa c q u i s r i o ns y s t e m 微型计算机数据采集系统的特点 1 ) 系统结构简单，容易实现，能够满足中、小规模数据采集的要求。 2 ) 微型计算机对环境的要求不是很高，能够在较恶劣的环境下工作。 3 ) 微型计算机的价格低廉，可降低数据采集系统的投资，即使比较小的系统，也 可以采用它。 1 0 2 车载式制动性能测试系统的整体框架 4 ) 微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分。 5 ) 微型计算机的各种i o 模板及软件比较齐全，容易构成系统，便于使用和维护。 2 1 4 集散型数据采集系统 集散型数据采集系统的结构如图2 5 所示。集散型数据采集系统是计算机网络 技术的产物，它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成 9 l a 图2 5 集散型数据采集系统 f i - u r e2 5d i s t r i b u t i n zd a t aa e a u i s i t i o ns v s t e m 数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产设备附近，可独立 完成数据采集和预处理任务，还可以将数据以数字信号的形式传送给上位机【”1 。 上位机一般为p c 计算机，配置有打印机和绘图仪等外设。上位机用来将各个 数据采集站传送来的数据集中显示在显示器上或用打印机打印成各种报表，还可 以存储在磁盘上。此外，上位机具有将系统的控制参数发送给各个数据采集站， 以调整数据采集站的工作模式 1 3 l 。 数据采集站与上位机之间通常采用异步传送数据方式。数据通信常采用主从 方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。集散型系统的主要特点： 系统的适应能力强。无论是大规模的系统还是中小规模的系统，集散型系统都 能够适应，因为可以通过选用适当数量的数据采集站来构成相应规模的系统。 系统的可靠性高。由于采用了多个单片机为核心的数据采集站，若某个采集站 出现故障，只会影响某些数据的采集，而不会对系统的其它部分造成任何影响。 系统的实时响应好。由于系统中各个数据采集站之间是真正的“并行”工作模 式，所以系统的实时响应较好。这一点对大型、高速动态数据采集来说是一个 很突出的优点。 对系统硬件的要求不高。由于集散型数据采集系统采用了多机并行处理方式， 所以每个单片机仅完成数量十分有限的数据采集和处理任务。因此，他对硬 件的要求不高，可以用低档的硬件组成高性能的系统。这是微型计算机数据采 集系统方案不可比拟的。 重庆大学硕士学位论文 2 2 车载式实时测试系统框架 多通道实时测试系统区别于上述典型的数据采集系统的关键是在保证采集的 精度和速度前提下尽量使整个系统的硬件实现可客户自定义组合的“模块化”， 也即是根据实际采集的信号源的类型、数量等，可以动态调整测试终端的配置； 另一方面，在软件上也需以面向对象设计理论为基础，可对前端硬件采集模块的 状念做出实时反应，以及测试程序在现有的图像用户界面的基础上进一步实现可 视“组件化”功能，如图2 6 所示。在这功能模型上，可根据现场测试环境和系统 实时性的要求，选择合适的计算机通讯接口来匹配相应的数据传输率。 、弼扩展信号涎模块， 、- - 一_ 一一一一一 f i g u r e2 6f r a m e w o r ko f m u l t i c h a n n e l st e s ts y s t e m 图2 6 多通道实时测试系统框架 2 2 1 测试系统的采样控制方式 多通道实时测试系统数据采集模块和典型数据采集系统使用的采样控制方式 大致相同，常用的有如下几种1 2 s ； 程序查询方式 当采集系统实时性要求不高时，可以采用程序查询方式进行巡回采样。所谓 查询，就是c p u 不断地询问a d 转换器的状态，了解a d 转换器是否转换结束。 下圈2 7 是查询方式的流程图。当需要采样时，c p u 发出启动a d 转换的命令， 等到a d 转换结束后，由第一输入通道将结果存入内存，然后c p u 再向a d 转换 器发出命令，等到a d 转换结束后，由第二通道将结果存入内存，直至所有 通道采样完毕；如果a d 转换未结束，则c p u 等待，并在等待中做定时查询，直 到a i d 转换结束为止。般每个采样周期都需对每个模拟信号进行多次采样，以 保证能获取可靠的采样值，程序流程中的巡回采集遍数就是为此目的而设的。 查询方式的优点在于要求的硬件少，编程也筒单。特易1 j 是询问与等待程序同 步，能确知a d 转换所需的时间。这种方式的缺点是：程序查询常常浪费c p u 的 时间，使其利用率不高。 中断控制方式 2 车载式制动性能测试系统的整体框架 采用中断方式时，c p u 首先发出启动a d 转换的命令，然后继续执行主程序。 当a d 转换结束时，则通过接口向c p u 发出中断请求，请求c p u 暂时停止工作， 读取转换结果。当c p u 响应a d 转换器的请求时，便暂停正在执行的主程序，自 动转移到读取转换结果的服务子程序中。在执行完读取转换结果的服务子程序后， c p u 又回到原来被中断的主程序继续执行下去。这就大大提高了c p u 的效率。 ( 辨始 )i i 篷时聚掸瓣朔 l 设存储指针l 上 ； l 域垃培l i 鞋逛拨谴数l 、ljj 1 l 被聚摊个赣l 争。、 1 【 l 通道进挥i li 壤棒中皲躐1 0 _ 一 皤 l 谖枷转换抗番l ，冬竺 裂爹一 i 取转换臻纛l篓蛹志浚 1 ln 蔫r i 群韩按精巢i r 如 图2 7 查询方式流程图 f k a r e2 7f l o wc h a r to f p o l l l n rr o u t i n e 直接存储器存取( d m a ) 方式 利用中断控制方式进行数据采集，可以大大提高c p u 的利用率。但是，中断 方式仍是由c p u 通过程序把采集的数据从i ，o 端口传送至累加器，然后再由累加 器送到内存。如下图2 8 中实线部分为中断传送数据示意。在此过程中，c p u 的 累加器是数据的必经之路。因此，如果要高速数据采集，采用中断控制方式显然 达不到更精确的实时要求。 d m a 方式是一种由硬件完成数据传送的操作方式。如下图2 8 中所示，虚线 表示d m a 控制器控制下，数据直接在外部设各和内存之间进行传送，而不通过 c p u 和i o ，因此可以大大提高数据的采集速率。 三种采样控制方式的比较 中断方式具有很强的实时处理能力、可充分发挥c p u 的效率。但通过这种方 式的软件开发和调试比查询方式要困难些；构成高效、可靠的中断系统的费用也 重庆大学硕士学位论文 要比查询方式多；另外，如中断源过多时，将造成频繁申请中断，使c p u 没有时 间处理其它运算，在c p u 效率方面就和查询方式没有什么两样了a 所有中断方式 通常应用于主程序同时要处理其它任务，不宜接受查询的情况下，以及一个或多 个模拟信号要实时采集而不允许错过的场合。 与中断方式比较，查询方式无须保护现场，软件开发和调试比较容易，所需硬 件也少。但查询需浪费c p u 的时间，而且当实时系统给定时间限制时，软件编制 相对要难些。所以查询方式能满足系统等待时间要求时，或一个系统专门采集几 个模拟信号源的特殊情况下，查询方式是令人满意的。 d m a 方式传送每个字节只需一个存储周期，而中断方式一般不少于1 0 个周 期，且d m a 控制器可进行数据块传送，不花费取指令时间，所以d m a 方式传送 数据数度最快，但其硬件花费较高。因此一个数据采集系统是否采用d m a 方式， 常需在速度、灵活性与价格之间折衷考虑。d m a 方式常用于高速数据采集系统1 9 】。 图2 8d m a 数据传送方式示意图 f i g u r e2 8s c h e m a t i cp l a no f d m aa c c e s s 2 2 2 测试系统数据通信端口的选择 要实现实时测试系统，计算机接口的选择至关重要，因为其决定了硬件设计的 规范，与操作系统的通信方式和数据采集器的兼容性，同时也决定底层软件的开 发模式。在p c 系统中，与其他设备的连接是通过主机板上的标准接口完成的。符 合接口标准的电路板可以插在p c 机的扩展槽上与主机板相连，它们之间的通行是 通过系统总线进行的。系统总线具有完备的规范，可以提供c p u 与存储器、端口 之间的读写操作，c p u 对中断的操作以及c p u 与d m a 控制器交替控制总线操作。 现代p c 机最常用的有两种系统总线；i s a 总线和p c i 总线。 i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线出现于8 0 年代，是由i b m 提出的总线 标准，因此几乎所有的m m 兼容p c 机都支持这种总线，成为最通用的种系统 总线之一。i s a 总线的规范实现比较简单，控制较为方便。i s a 总线有8 位和1 6 1 4 2 车载式制动性能测试系统的整体框架 位之分。i s a 总线的缺点是数据传输相对较慢，系统占用率高牡j 。 p c i ( p c r i p h c r a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e ) 总线已经成为目前流行的p c 总线。p c i 总 线有3 2 或6 4 位数据线，传输速率为1 3 2 m b y t e s 或2 6 4 m b y t e j s ，比i s a 总线高很 多，而且c p u 占用率更小。但是p c i 总线的规范相对比较复杂，时序也非常严格， 需要专门的硬件电路控制其时序关系。因此，应用p c i 总线的系统设计要比应用 i s a 总线的系统设计难度大，开发时间长，成本高。 除系统总线外，p c 机还提供外接端口与外设连接。主要有串口、并行口以及 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 端口等。串口( r s 2 3 2 ) 是p c 机的标准配置，顾名思义， 它用于数据串行传输。其特点是开发和应用简单，在通信距离较近，数据传输率 要求不高的情况下，可以直接采用。 p c 机的并行口以前是专门用于连接打印机的端口。因为并行口可以提供与外 设较高的数据传输率，目前也常用于连接数据采集器。通常使用的并行口协议有 三种类型，分别为标准型并行端口( s p p ) 、增强型并行端口( e p p ) 和扩展型并 行端口( e c p ) 。s p p 的8 位数据线只能进行从计算机