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东南大学 硕士学位论文 应用虚拟仪器技术构成汽车试验仪器的研究 姓名：余永生 申请学位级别：硕士 专业：计算机技术 指导教师：张为公 20030301 摘要 汽车试验的测试涉及到许多技术领域，繁多的试验项 目对于场地设施和仪器设备具有很大的依赖性。虚拟仪器技 术的不断完善，为各种汽车试验项目的进行提供了崭新的测 试手段，有着非常广泛的应用前景。针对汽车试验的特点， 开发适合汽车试验的虚拟仪器，推广虚拟仪器技术在汽车试 验中的应用，对于提高汽车试验的技术水平和综合效益，是 非常有益的尝试。本文从分析虚拟仪器技术的特点和汽车试 验的特点入手，以图形化虚拟仪器软件l a b V I E N 为例，指出 了虚拟仪器在汽车试验中应用的优势和价值。，并着重分析了 虚拟仪器在汽车试验应用中的体系结构选择，以及需要着重 考虑的有关传感器和信号调理方面的问题。 关键词：虚拟仪器、汽车试验、传感器、信号调理、数据采集 A B S T R A C T A u t o m o b i l ep r o v i n gt e s t si n v o l v em a n yt e c h n i c a lf i e l d s ，a n dal o t o fp r o v i n gs t u d i e sh a v em u c hd e p e n d e n c eo nt h ef a c i l i t i e sa n d i n s t r u m e n t so f p r o v i n gg r o u n d s T h ei m p r o v e m e n t o fv i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n i q u ep r e s e n t s n e w b o r n t e s t i n g m e t h o d sf o r e m b a r k i n go nv a r i o u sv e h i c l ep r o v i n gs t u d i e s ，w h i c hi s o faw i d e f u t u r eo fa p p l i c a t i o n I nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l ep r o v i n g t e s t s ，i ti sam e a n i n g f u lt r yt od e v e l o pt h ev i r t u a ld e v i c e ss u i t a b l ef o r a u t o m o b i l et e s t sa n dp o p u l a r i z et h e i ru t i l i z a t i o ni nt h et e s t s8 0a st o e n h a n c et h et e c h n o l o g yl e v e lo fp r o v i n gt e s t sa n dt h e i n t e g r a l e f f e c t i v e n e s s T h i s e s s a ya n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n dt h ea u t o m o b i l ep r o v i n gt e s t sa n dp o i n t so u t h ev a l u ea n da d v a n t a g e so fv i r t u a li n s t r u m e n t s a p p l i e d t ot h e a u t o m o b i l ep r o v i n gt e s t s w i t l lt h ee x a m p l eo fg r a p h i c a l i z e dv i r t u a l i n s t r u m e n ts o i b v v a l el a b V I E W T h i ss t u d ye m p h a s i z e st h ea n a l y s i so f c h o o s i n gt h ev i r t u a ld e v i c e si nt h ea p p l i e ds y s t e ms t r u c t u r eo fv e h i c l e p r o v i n gt e s t sa n da t t a c h e sm u c hi m p o r t a n c et ot h ec o n s i d e r a t i o no f t h e c o n c e r n e ds e n s o r sa n ds i g n a lc o n d i t i o n i n g K e y w o r d s ：V i r t u a li n s t r u m e n t s ；v e h i c l ep r o v i n gt e s t ； S e n s o r ；S i g r l a lc o n d i t i o n i n g ；D a t aA c q u i s i t i o n 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 汽车试验是促进汽车工业发展和技术进步极为重要的一环，历来受到各 个汽车工业发达国家的高度重视，名目繁多的试验项目也始终伴随着每一个 汽车新产品的研制、开发和改进的过程。汽车工业的特点是产量大、品种多、 产品的使用条件复杂，对产品的性能、寿命、质量和成本要求高，影响产品 质量的因素多，所涉及的技术领域也相当广泛。汽车产品设计思路是否正确， 设计意图是否实现，产品是否适合使用要求等都需要通过试验来检验。由于 汽车的使用条件复杂，涉及的技术领域极为广泛，许多理论问题研究的还不 够充分，不少设计还不能根据现有的理论作出可信赖的预期，这是汽车工业 特别重视试验的原因。尤其是目前世界各国对于汽车在安全、环保和节能方 面的要求越来越高，新颁布的各种法规标准对于安全和环保的试验手段和方 法以及各种限值标准也越来越严厉。与此同时，对于各种汽车试验的测试方 法和手段也提出了更高的要求。随着我国汽车工业近年来取得的巨大发展， 以及我国加入W T O 后汽车工业与国际接轨的需要，我国有关汽车试验的法规 标准也在不断的完善，尤其是近年来所颁布的诸多新的汽车试验国家标准都 是与I S O 的相关标准等效的，这对于我国的汽车试验领域提出了许多新的课 题。因此，如何改进和改善传统的试验手段，不仅是提高测试技术水平、提 高工作效率和降低测试成本的需要，同时也是为了满足解决新问题的需要。 计算机技术的飞速发展带动了测试仪器的巨大进步，电子测量仪器经历 了由模拟仪器、智能( 程控) 仪器到全部可编程V I ( 虚拟仪器) 的发展历 程。其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。功能强大的处理器 和先进的操作系统，性能价格比优越的显示与存储能力，导致了虚拟仪器诞 生和发展。在短短的十几年时间里，虚拟仪器技术经过不断的完善，目前已 东南大学硕士学位论文 经在各个测试领域中得到了广泛的应用。A D 转换技术、仪器放大器、抗混 叠滤波器与信号调理技术的进一步发展，高精度、高采样率产品的面市，以 及 J S B 、I E E E l 3 9 4 等接口产品的推出，都使得D A Q 板在小型测试系统中成为 最具吸引力的V I 产品之一。根据汽车试验的特点和汽车试验技术发展的需 要，开发和研究虚拟仪器在汽车试验领域的应用，对于提高汽车试验技术水 平、降低汽车试验的成本、解决新试验项目中的测试问题，都具有重要的意 义。 1 2 本文的主要内容 汽车试验技术涉及的技术领域极为广泛，各种试验项目繁多，对场地设 施和仪器设备依赖性极大。虚拟仪器技术的发展，为各种汽车试验项目的进 彳亍提供了崭新的测试手段，有着非常广泛的应用前景。汽车试验尤其是汽 车道路试验的测试，与一般的实验室的测试活动有着很大的不同。如何针对 汽车试验的特点，开发出适合汽车试验的虚拟仪器，是我们首先需要解决的 ， 问题。本文从分析虚拟仪器技术的特点和汽车试验的特点入手，指出了虚拟 仪器在汽车试验中应用的优势和价值，并着重分析了虚拟仪器在汽车试验中 应着重考虑的有关传感器和信号调理的注意问题，最后给出了几个简单的应 用实例。 2 东南大学硕士学位论文 第二章关于虚拟仪器 2 1 虚拟仪器概述 所谓虚拟仪器( V i r t u a lI n s t r u m e n t ) 是基于计算机的软硬件测试平台，它可 代替传统的测量仪器，如示波器，逻辑分析仪，信号发生器，频谱分析仪等； 可集成于自动控制，工业控制系统；可自由构建成专用仪器系统。它由计算 机、应用软件和仪器硬件组成。无论哪种虚拟仪器系统，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。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从 而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起， 大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以 及分析处理。从发展上看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚 拟仪器的发展过程。由于计算机性能以摩尔定律飞速发展，这样就把传统仪 器远远抛到了后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的所需要的专用仪器系统， 且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器先进的技术性能， 十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作。软件仪 器”。它功能强大，可实现数字存储示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、函 数信号发生器等多种普通仪器的全部功能，配以专用传感器和软件还可检测 各种系统的参数，如汽车和飞机发动机的特性参数、燃油标号、机械振动、 噪声分析以及心电参数等多种数据：它操作灵活，完全图形化界面，风格简 约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集 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。 东南大学硕士学位论文 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电 压电流表等是科研机关、企业研发实验室、高等院校等部门必备的测量设备。 随着计算机技术在测试系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机 接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。然而在集成的虚拟测量系统 中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但可使测量人员从繁复的仪 器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。虚拟 仪器在体现功能强大、性能卓越和使用方便等优点的同时，测试设备成本的 大幅降低也是其明显的优势。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要 低至几分之一甚至更少。这种优势还体现在，当一个部门对虚拟仪器应用的 范围越大，解决的问题越多时，经济性的优势越明显。 ；。在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会， 信息技术的迅猛发展，各行各业无不在向智能化、自动化：集成化方向发展。 无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概 念就是用专用的软硬件配合计算机实现专用设备的功能，并使其自动化、智 能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、 数据传输的计量和测试场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为 改观。数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。 推而广之，一切计量测试系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由 此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广 在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛决大部分闭环控 制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统 恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计尤其在制造业，虚拟仪器 的卓越计算能力和巨大的数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线监测系 统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。 4 东南大学硕士学位论文 2 2 现代仪器仪表设计的特点 虚拟仪器技术的成熟和应用的推广，以及D S P 等技术的发展，使信号处 理和测试技术正在发生革命性的变化。这些技术的应用，可以让我们能够更 迅速、经济、灵活地解决新的测试问题，改革某些相对落后的传统测试方法， 统一测试策略，并且可以使测试设备的投资在时效性方面得到有效的保护。 2 2 1 硬件功能软件化 随着计算机技术的发展，微处理器的速度越来越快。功能越来越强，而 且价格越来越低，已被广泛应用于仪器仪表中，使得一些实时性要求很高， 原本由硬件才能完成的功能，现在可以通过软件来实现，而且其测试系统的 配置大为简化，成本也大为降低。甚至许多原来用硬件电路难以解决或根本 无法解决的问题，也可以采用软件技术很好地加以解决。数字信号处理技术 的发展和高速数字信号处理器的广泛采用，也极大地增强了仪器的信号处理 能力。数字滤波、F F T 、相关、卷积等是信号处理常用的方法，其共同特点 是，算法的主要运算都是由迭代式的乘和加组成，数字信号处理器通过硬件 完成运算，大大提高了仪器的性能，推动了数字信号处理技术在仪器仪表领 域的广泛应用。另一方面，各种优秀的虚拟仪器软件的出现，使得许多从事 科研工作的工程师们可以容易地组建自己想实现的测控系统，从简单的仪器 控制和数据采集到复杂尖端的测试和工业自动化系统所需的多线程及 A c t i v e X 技术，许多问题都可以得到很好的解决。 2 2 2 集成化、模块化 大规模集成电路L S I 技术发展到今天，集成电路的密度越来越高，体积 越来越小，内部结构越来越复杂，功能越来越强大，从而大大提高了每个模 块进而整个仪器系统的集成度。模块化功能硬件是现代仪器仪表的一个强有 力的支持，它使得仪器更加灵活，仪器的硬件组成更加简洁，比如在需要增 东南大学硕士学位论文 加某种测试功能时，只需增加少量的模块化功能硬件，再调用相应的软件来 使用此硬件即可。 2 2 3 参数整定与修改实时化 随着各种现场可编程器件和在线编程技术以及虚拟仪器技术的发展，仪 器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定，而是可以根据仪器的使用场合 实时置入和动态修改在许多经常需要改变测试对象的场合，这种灵活性为 测试工作提供了极大的方便，比如在汽车试验中的应用。 2 2 4 硬件平台通用化 现代仪器仪表强调软件的作用，选配一个或几个带共性的基本仪器硬件 来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪 器或系统x 广台仪器大致可分解为三个部分：1 ) 数据的采集；2 ) 数据的分析 与处理；3 | ) 存储、显示或输出。传统的仪器是由厂家将上述三类功能部件根 据仪器功能按固定的方式组建，一般一种仪器只有一种或数种功能。而现代 仪器则是将具有上述一种或多种功能的通用硬件模块组合起来，通过编制不 同的软件来构成任何一种仪器。 2 3虚拟仪器设计常用的软件 为了适应仪器仪表发展的新特点，各种新型的设计工具和设计方法不断 涌现。如美国N I 公司推出的l a b w i n d o w s C V I ，l a b V I E W ，b r i d g e V I E W 以 及H P V E E 和d a s y l a b 等，这些软件或技术方式越来越多的被各大仪器制造 商所采用。尤其是D A Q 设备制造商，其产品的驱动也越来越多的向这些软 件兼容，大大方便了用户的使用和开发。下面对其中常用的软件及技术作一 简要介绍。 2 3 1 仪器仪表的虚拟化设计与L a b V I E W 图形化开发工具 电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式，这就 是虚拟仪器。它是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户 6 东南大学硕士学位论文 操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术 强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器领 域中发展方兴未艾的技术，近十几年来发展特别迅速，特别适用于现代越来 越复杂的测试系统。美国N I 公司推出的L a b V I E W 软件就是虚拟仪器杰出代 表。 L a b V I E W 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设 计的图形化编程软件。它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件 设备来构建自己的仪器系统的能力将L a b V I E W 与一般的数据采集以及仪 器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不象 传统的仪器那样，受生产商所设计功能的限制。 L a b V I E W 提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑 框图即可构成程序。它的基本程序单位是V I 。L a b V I E W 通过图形编程的方 法。建立一系列的V I ，来完成用户指定的测试任务对于简单的测试任务， 可由一个V I 完成。对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一 项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计时，先设计各种V I 以完成每 项子任务，然后把这些V I 组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚 拟仪器就成为一个包括众多功能子虚拟仪器的集合。 使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关 心程序流程方面的问题，还必须考虑用户界面、数据同步、数据表达等复杂 的问题，这些问题在L a b V I E W 中都迎刃而解了。L a b V I E W 还带有多种基本 的V I 库，其中包括采用G P I B 、V I S A 、V X I 和串行接口的仪器驱动程序。 同时，L a b V I E W 还拥有功能超强且庞大的分析函数库，涵盖了统计、估计、 回归分析、线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。 而且，通过3 2 b i t 的编译器编译生成的3 2 b i t 的编译程序，能够保证用户对各 7 东南大学硕士学位论文 种数据采集，测试和测量方案的高速执行据说其程序运行速度可以和C 相 当。 在下文中，将会对l a b V I E W 作较具体的介绍。 2 3 2 虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s C V I 虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s C V I 也是美国N I 公司推出的软件，它是 3 2 位面向计算机测控领域的虚拟仪器开发平台。它以A N S IC 为核心，将功 能强大，使用灵活的C 语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工 具有机地结合起来。由于l a b w i n d o w s C V I 的编程技术主要用事件驱动方式 与函数回调方式，并且提供了大量与外部代码或软件进行连接的机制它也 提供了包含D A Q ，G P I B ，P X I ，V X I ，R S 2 3 2 在内的各种仪器通讯总线标准的所 有功能函数，因而使得编程方式变得简单易学。 综上所述，现代仪器仪表不再是功能单一和固定不变的结构，而是越来 越表现出柔性化和智能化的特点，适应性越来越强，功能越来越丰富。相应 地，根据需要所搭建的测试系统周期将大为缩短，投资也会大幅的下降。 2 4 关于l a b V l E W 在众多的虚拟仪器软件中，美国N I 公司的l a b V I E W 软件，由于其功能 强大，设计完善，技术支持全面，并且易学易用，在国内得到了普遍的应用。 下面就以L a b V I E W 软件为例，简述一下虚拟仪器的功能和虚拟仪器的开发过 程。 2 4 1L a b V l E W 概览 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 实验室虚拟仪器工程平台) 是一个程序开发环境，它类似于C 、B A S I C 。但 L a b V I E W 的特点在于，它使用图形化编程语言G 在流程图中创建源程序，而 不是使用基于文本的语言来产生源程序代码。L a b V I E W 还整合了与诸如满足 东南大学硕士学位论文 G P I B 、V X l 、R 5 - 2 3 2 和R S 一4 8 5 以及数据采集卡( D A Q ) 等硬件通讯的全部功 能。内置了T C P I P 、A c t i v ex 等软件标准的库函数。虽然L a b V I E W 是一个 通用编程系统，但是它也包含了为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和 开发工具。L a b V I E W 程序被称为虚拟仪器( V I s ) ，是因为它们的外观和操 作能模仿实际的仪器。由于L a b V I E W 所使用的术语、图标和概念都是技术人 员、科学家、工程师所熟悉的，故而即使用户没有多少编程经验，同样也能 利用L a b V I E W 来快速地开发自己的高质量的应用程序。 创建虚拟仪器的过程共分三步：( 1 ) 虚拟仪器的交互式用户接口被称 为前面扳，因为它模仿了实际仪器的面板。前面板包含旋钮、按钮、图形和 其它的控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，可在计算机 屏幕上观看测试结果。( 2 ) 虚拟仪器从流程图中接收命令( 用G 语言创建) 。 流程图是一个编程问题的图形化解决方案，亭流程图也是虚拟仪器的源代码。 ( 3 ) 一个虚拟仪器的图标和连接就象一个图形( 表示某一虚拟仪器) 的参 数列表。这样，其它的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。图标和连接 允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序中的子程序 ( 子仪器) 2 4 2 图形化编程环境 该环境包含前面板、流程图、图标和连接。在软件启动时，系统会建立 一个缺省名为U n t i t l e d 1 的文件( V I ) 。该文件包含两个窗口，一个是用 以编辑前面板，另一个用作编辑流程图。前面板就象是虚拟仪器的用户接口， 尤如实际仪器的面板。前面板基本上是控制和显示对象的集合用以控制模 拟仪器输入设各，为虚拟仪器的流程图提供数据。显示模拟仪器的输出设备 及流程图中获得或产生的数据 流程图窗口用以编辑虚拟仪器的图形化源代码。通过连线将输出、接收 数据的对象连接起来创建流程图，就能实现特定的功能，控制执行的流程。 9 东南大学硕士学位论文 需特别指明的是，L a b V I E W 的运行是数据流驱动的。简单地说，就是只有当 所有的输入数据都准备好的时候，一个节点才能执行其功能。当节点执行完 后，它所有的输出端口都会产生一个数据值。数据都是从源端流到目的端。 数据流不同于执行一个传统程序的控制流方法( 通过执行一系列的指令来实 现的) ，控制流执行是指令驱动，而数据流执行的是数据流驱动或依赖的数 据。这里提到的节点是程序执行的元素。它们类似于传统编程语言中的状态、 操作、函数和予程式。L a b V l E W 包含广泛用于数学计算、比较、转换、输入 输出的函数库。另一类节点类型是结构。结构就是传统编程语言的循环、 条件描述的图形表示，不断地重复和执行代码。L a b V I E W 也提供了用于连接 到外部基于文本的代码的节点和用于计算基于文本的公式的特殊节点。 图标和连接，当一介虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图 中时，它就是一个子仪器或说是L a b V I E W 的一个子程序。子仪器的控制和显 示对象从调用它的仪器流程中获得数据，然后将处理后的数据返回给它。连 接是对应于子仪器控制和显示对象的一系列连线端子。图标既包含虚拟仪器 用途的图形化描述，也包含仪器连线端子的文字说明。子程序的前面板在主 程序运行时，显示或者不显示是可以选择的。连接更象是功能调用的参数列 表。连线端子就是类似于参数。每个终端都对应于前面板的一个特别的控制 和显示对象。连接从它的输入连线端子接收数据，然后通过子仪器的控制对 象将数据传输给子仪器的代码每个虚拟仪器都有一个缺省的图标，位于两 个窗口的右上角。当然，图标可根据用户的需要进行修改。 2 4 3 编程工具介绍 L a b V I E W 提供了三个模板来编辑虚拟仪器：工具模板( T o o l sP a l e t t e s ) 、 控制模板( C o n t r o l sP a l e t t e s ) ，功能模板( F u n a t i o n sP a l e t t e s ) 工 具模板提供用于图形操作的各种工具，诸如移动、选取、连线、设置卷标、 断点、文字输入等。控制模板则提供所有用于前面板编辑的控制和显示对象 I O 东南大学硕士学位论文 的图标以及一些特殊的图形。功能模板包含一些基本的功能函数，也包含一 些已做好的子仪器。这些子仪器能实现一些基本的信号处理功能，具有普遍 性。其中控制、功能模板都有预留端，用户可将自己制作的子仪器图标放入 其中，便于日后调用。 2 4 4 虚拟仪器的开发 熟悉了环境之后，便可以来开发自己的虚拟仪器了。应用l a b V l E W 开发 仪器有这样一个方便，那就是在编程过程中，调试时所采用的信号可以不用 来自外部采集所得，而是通过软件本身的功能获得，也就是在流程图中编制 所需要的各种信号发生器，产生一些周期信号、冲激波及一些虚拟数据( 比 如用于拟合) 。前面板的设计一般分为两个部分显示部分和控制部分， 可、以将它们以适当的形式排列在前面板编辑窗口中。控制部分包含一些参数 的设置，功能的选择，还有系统控制。为了便于用户使用虚拟仪器，一；发挥虚 拟仪器的特点，在前面板上可以加了一个比如“M o r eI n f o ”的控制钮，当 运行时，点击该按钮即可看到该仪器使用的详细说明，类似于传统仪器的说 明书。另外，为了使面板更接近于真实的仪器面板，利用控制模板中 ” D e c o r a t i o n s ) R e c e s s e db o x 可实现凸凹的效果；为了使控制部分和显示部 分一一对应起来，防止用户的误操作，对于某些暂不使用的按钮，利用属性 V i s i b l e ，D i s a b l e 来实现按钮的隐藏、灰显效果。 在介绍l a b V I E W 的最后，介绍一下I a b V I E W 应用软件的创立对于一个 设计成熟的应用软件，为其创建应用程序是非常有必要的，这可以通过一个 “A p p l i c a t i o nB u i i d ”软件包来实现，产生应用软件的可执行文件。这样， 一方面可以使我们所编制的软件不再依赖于l a b V l E W 环境。给程序的发布带 来极大的便利。另一方面，可以防止使用者对应用程序进行不适当的修改。 下图是一个虚拟示波器前面板的例子。 东南大学硕士学位论文 图1虚拟示波器的前面板 本章小结 计算机技术的飞速发展带动了测试技术的深刻变革。完整的虚拟仪器概 念应包括计算机、数据采集和信号调理电路以及相应的应用软件。构造和使 用虚拟仪器v I 的关键在于应用软件，它提供了集成开发环境、高水平的仪 器硬件接口和用户接口。“软件就是仪器”的提出表达了软件在当今V I 中 所起的重要作用 东南大学硕士学位论文 第三章l a b V I E W 在工程测试中应用的优势 3 1I a b V I E W 具有的特点 在第一章中，对于虚拟仪器的概念以及对l a b V I E W 软件作了简要的介 绍。下面再总结一下l a b V I E W 的主要特点，这些特点在虚拟仪器软件中都非 常有特色，它对于我们高效、高质量地开发汽车试验应用软件提供了非常难 得的优势。 图形化的仪器编程环境：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，针对测试测量和过程控制领域，l a b V I E W 提供了虚拟仪器面板 上所必需的大量显示或控制对象。并且，用户还可以方便地创建适合自己工 作领域的控制对象。 直观明了的前面板用户接口及流程图式的编程风格：l a b V I E W 用图标表 示功能模块，使用图标间的连线表示各种功能模块间传递的数据流，使用数 据流程图式的语言编写代码。 灵活的程序调试手段：用户可在源代码中设置断点单步执行源代码，也 可在源代码的数据流上设置探针，在程序运行中观察程序流的变化。 内置的程序编译器：l a b V I E W 采用编译方式运行3 2 位应用程序，不用 怀疑因为它是图形化编程平台而采用解释方式工作的它的运行速度与编译 C 的速度相当，在工程测试中其速度是完全能够胜任的。 功能强大的函数库：l a b V I E W 提供了大量的函数库供用户直接调用，从 底层的V X I 、G P I B 、串口以及D A Q 板卡的硬件控制子程序到6 0 0 多个仪器驱 动程序，从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、I O 文件函 数到高级分析库( 包括信号处理、窗函数、线性代数、。概率论与数理统计、 曲线拟合) ，涵盖了仪器设计中几乎所有需要的函数。 东南大学硕士学位论文 支持多种系统平台：它支持目前所使用的各种操作系统平台。并且，在 任何一个平台上开发的l a b V I E W 应用程序可直接移植到其它平台上。 开放式的开发平台：l a b V I E W 提供了D L L 库函数和C I N 接口，使用户能 够在l a b V I E W 平台上调用其它软件平台编译的模块，从而在l a b V I E W 环境下 可以控制用户自己开发的专用仪器硬件，给实际工作带来了极大的方便。 其它功能：( 】) 网络功能：支持T C P I P 、D D E 、I A C 等：( 2 ) D a t aS o c k e t ： 方便建立智能远程测试：( 3 ) V IS e r v e r ：提供了S Q L 、S P C 、I n t e r n e t 等实用 工具；( 4 ) I a b V I E WR T ：解决由于W i n d o w s 操作系统非实时性的实时测试控制 方案。 3 2 汽车试验中数据处理的解决方案 l a b V I E W 为汽车试验提供了有机集成的数据采集、数据分析、数据表达 的强大功能，我们可以不再为完成数据处理不同阶段的任务而辗转于不同的 软件中了，这对于汽车试验的某些试验项目提供了极大的方便。下面介绍在 汽车试验中经常用到且非常实用的l a b V I E W 的一些数据处理方法和工具。这 些工具在l a b V I E W 中相当于数据处理的子程序，使用时直接调用图标即可。 3 2 Il a b V I E W 高级数据分析库 谱分析 谱分析是寻找信号频率分量的一种方法，谱分析函数将信号从时域变换 到频域。其中，快速傅里叶变换( F F T ) 是最常用的变换，其它还有H a r t l e y 和 H i l b e r t 等变换如图2 用途：汽车底盘、发动机及各种总成的受力分析、振动分析，汽车平顺性 数据处理，噪声分析等。 1 4 。南大学硕士学位论文 ( 自功率谱函数) ( 互功搴谱函数)( 功幸谱函披) 图2I a b V I E W 中常用的谱函数 窗函数 在使用F F T 对离散信号进行变换的过程中，会引起“谱泄漏”现象，加窗就是 为了减小这种“谱泄漏”的影响。L a b V I E W 提供了各种常用的窗函数。 数字滤波器 滤波器可以将噪声、元件故障或者环境干扰所引入的频率分量剔除，还可以将 信号分离到特定的频带中，在汽车试验中应用十分广泛。L a b V I E W 提供了I I R 、F I R 和非线性三种类型的滤波器。和模拟滤波器相比有许多优点：软件可编程，性能稳 定，可预测，性能不随温度湿度等漂移，不需要精密元件，性价比高。 应用举例。按照人体对于X 、Y 、Z 三个方向以及三个方向不同频率的敏感程 度，I S 0 2 6 3 1 以及G B T 4 9 7 0 都给出了人体振动响应的方向和频率的加权系数。当然， 这完全可以用滤波电路来实现，比如B K 2 5 1 2 ，但是其其缺点是结构会很复杂，精 度不易控制，价格昂贵，而用l a b V l E W 来处理就会非常方便。比如按照标准，要求 将l 8 0 H z 的频率范围按照l 3 倍频程分为2 0 个子频带，并按特定的系数进行加 权。实现方法是：调用2 0 个滤波器的图标，都设置成带通滤波方式。分别设定标准 给定的每个子带的上、下限频率设置规定的滤波阶次，再将每个滤波器的输出乘 ， 以标准所给定的加权系数，再将各个输出进行均方根运算即可。这可由改进的 B u t t e r w o r t h 滤波器来实现，非常方便。 东南大学硕士学位论文 这种数字滤波器由于设置灵活，性能优异，甚至可以用它来对某些调制信号进 行解调，充当解调器的作用。 卷积相关 卷积是时域中两个信号合成的一种方法，也就等于两个信号在频域的乘积。相 关则是信号相似性的量度。卷积和相关也经常用来提取噪声中的信号。 应用举例。白噪声的特点是各个频点频段具有相同的电平能量，大部分的 电子元件本身的噪声都是白噪声，例如电视机或调频收音机，在没有信号时呈现的 噪声就是白噪声。电子仪器设各的输入级的元器件噪声往往决定了系统的噪声水 平，在测试微弱信号时，往往被测试的信号湮没于噪声之中。从理论上说，白噪声 是不相关的，而周期信号的自相关还是它自己。这样，我们就可以将一个湮没于均 匀分布的自噪声中的周期信号作自相关，使测试引号显现出来。在l a b V I E W 中实现 自薅法也很简单，就是调用自相关函数图标即可： 囤 积分微分 积分微分函数是时域中常用的分析函数，信号在某个区间上的定积分正比于信 号图形与数轴所谓图形的面积。信号的微分可以测量信号图形的斜率或变化速率， 例如用它可以找出信号的峰点或谷点。 应用举例。在汽车动力性和其它的许多试验项目中。汽车的行使速度是最经常 被测量的信号，对所测得的速度信号进行积分，就可以得出汽车的行驶距离。这样 我们就很容易地得到车速( V ) 、时间( T ) 和距离( D ) 之间的关系，从而得到汽车 动力性等评价指标。 峰值阈值检测 峰值阈值检测也使许多测试领域经常用到的重要测试手段，常常用于报警或 采取相应的控制措施。 信号发生器 坫 东南大学硕士学位论文 l a b V I E W 的模式产生函数可产生某些特定的波形，利用各种数学运算可对这些 波形进行任意组合，产生出更加复杂的波形。这可以帮助我们进行系统测试和校准， 可以利用仿真的信号进行算法研究、过程辨识等。这个功能对于我们调试或校准虚 拟仪器应用软件是非常有用的。 回归分析 回归分析也是汽车试验中经常用到的分析方法，比如说发动机外特性试验，汽 车燃料经济性试验等，它的目的使用合适的模型去拟合信号。常用的有多项式数据 拟合、非线性曲线拟合等。 在l a b V I E W 的高级分析库中，还包括复数运算、数组运算、矩阵运算、线性运 算、多项式运算、坐标变换、概率与数理统计、插值、方差分析等丰富的分析处理 函数。这些功能在汽车试验中都很有使用价值，在此不一一列举。 3 2 2I a b V I E W 的其它分析工具 以下介绍的一些高级分析工具，在目前的汽车试验中并不常用，但是它对于我 们今后更深入的研究汽车提供了更先进的研究工具。 小波分析( W a v e l e ta n dF i l t e r B a n kT o o l k i t ) 这是一个应用l a b v I E W 的专用软件包。小波分析发展的时间不长，它和我们所 熟悉的傅里叶分析非常相似。它是通过一组滤波器来实现的，这组滤波器将信号分 解到多个子带中。因此，使用小波变换的最大优点是易于提取信号特征。在许多情 况下，尤其是特征提取及去噪方面，小波变换都优于传统的傅里叶变换。 联合时频分析( J T F AT o o l k e t ) 传统的信号分析，是只在频域或只在肘域对信号进行分析和处理，这对于那些 谱分量不随时间变化的信号来说是可以满足要求的。但是，现实中大量的信号是“时 变信号”( 及信号的统计特性是随时间变化的，如它的频率分量随着时间变化) ， 而经典的傅里叶分析只能给出信号能量的频域信息，而不能描述出某频率分量出现 东南大学硕士学位论文 的时刻。J T F A 的目的，就是要描述非平稳信号的频率分量随时间的变化规律。由于 这种方法在工程上的实用性，在语音处理、声纳和雷达、机械测试、振动分析、信 号检测等领域已广泛地应用。 另外，I a b V I E W 也提供了其它的信号分析工具软件包，比如“S u p e r R e s 0 1 u t i o n s p e c t r a la n a l y s i s ”和H i Q 。前者提供的是基于模型的谱分析方法，相对于非基于 模型的谱分析方法( 比如F F T ) ，在获得的数据较少的情况下，可以得到超分辨的 功率谱，也可以估计衰减正弦曲线的阻尼因子。而H i Q 是用于数据分析和图形化显 示的交互式的问题求解环境，它的特点在于提供了丰富的数学工具可以解决复杂的 数学问题，并且提供了丰富的图形显示功能和交互式的操作。 本章小结 通过对l a b V l E W 的特点和l a b V I E W 的高级分析库以及其它分析工具的 介绍，来说明l a b V I E W 在汽车试验中的作用和应用的优势。实际上1 a b V I E W 非常全面并且非常实用的汽车试验测试数据的分析工具，总的说来，这种应 用体现了方便，快捷和经济的特点。 东南大学硕士学位论文 第四章关于汽车试验技术 4 1 汽车试验技术的特点 汽车试验按试验对象来说，大致可以分为以下几类：汽车整车试验、 汽车底盘试验、汽车车身试验、汽车发动机试验、汽车电器试验以及非金 属试验等方面。除了以上所述的方面外，还有大量的总成和零部件试验。 从试验的方式来分，可以分为台架试验、场地试验、道路试验和使用试验。 另外，还可以从性能试验、可靠性试验、强度试验和模拟试验；研究性试 验、质量检查试验和型式认证试验；客观评价试验和主观评价试验等方式 来分类。 在本文中，我们主要针对汽车整车的试验来讨论。 总的说来，汽车试验技术有以下几方面的特点。 一是试验项目繁多。单从整车试验来看，各种试验有一百多项，国家 C C C 认证对于汽车的标准目前有五十多项。汽车整车试验一般包括：汽车动 力学试验，汽车燃料经济性试验，汽车特性参数测定，汽车操纵稳定性试 验，汽车制动试验，汽车平顺性和振动试验，视野性能和灯光性能试验， 汽车排放污染物试验，汽车空气动力学试验，汽车噪声测量，汽车气候适 应性试验，汽车安全性试验，汽车通过性能试验，汽车密封性试验，汽车 电磁兼容性试验，以及汽车可靠性试验等等方面。以上的各类试验中，又 包括许多子试验项目。例如，就汽车的动力学试验来说，包括了以下的试 验项目：滑行试验及滑行阻力系数的测定，最低稳定车速试验，最高车速 试验，起步加速性能试验，直接档加速性能试验。爬陡坡试验。爬长坡试 验，牵引性能试验等。就目前所进行的试验项目来说，还有大量的用于专 用汽车的各种专项性能试验。要进行如此众多的试验项目，其中绝大多数任 务是要依靠相应的仪器设备的支持来完成的。 1 9 东南大学硕士学位论文 二是汽车试验检测项目所面对的检测参数复杂。在常规的试验中，包 括了线速度、角速度、加速度、转速、时间、质量、长度距离、温度、力 和扭矩、电流电压、声压声强、流量、光学等各个方面，几乎包括了所有 常用的物理量。这些原始参数经过相应的传感器和仪器设备测量后，往往 还要经过一定的处理和分析，给出适当的表示结果，用来评价汽车的各项 性能指标。 三是汽车试验尤其是汽车整车的道路试验，其检测活动不同于一般的 实验室检测，主要区别在于测试环境和条件的不同，许多的试验项目是在 道路或场地上采用在车( I nV e h i c l e ) 测试方式进行的。 4 2 汽车试验项目对仪器设备的依赖 上述的各种试验项目，除了及少数项目不需要或者仅需要简单的测量设 备外，绝大多数的检测参数，都需要通过相应的传感器和仪器设备，将其变 换成电信号来获得。由于上述的特点，汽车试验一般需要用到大量的专用或 通用仪器设备来配合，例如我们常用到的速度仪，流量计，应变仪，动态测 试仪等等。不难想象，这需要大量的设备投资。其中许多是进口设备，价格 昂贵，购置和维护费用相当可观。另一方面，许多的测试项目不能现场得出 试验结果，需要进行必要的后处理，例如汽车的平顺性试验。汽车的操纵稳 定性试验等。往往由于试验的失败而不能及时发现，造成了许多人力和物力 的浪费，并且影响了试验的周期。也给试验工作带来极大的不便。另外，由 于试验所使用仪器设备的过于专业化，也由于试验条件的相对恶劣性，经常 会因为仪器设备故障等原因而严重的影响试验的进程，从而造成了多方面不 良的后果。 4 3虚拟仪器在汽车试验中应用的价值 随着计算机技术的进步和计算机技术在测控领域的广泛应用，虚拟仪器 技术得到了突飞猛进的发展。在短短的十几年时间里，由于其功能的不断强 2 0 东南大学硕士学位论文 大，技术的不断完善，性能的不断提高，以及组建的灵活性和使用的方便性 等因素，当然也包括性价比的因素，虚拟仪器技术的应用已经渗透到各个测 试领域，尤其是军工企业。也许是传统的原因，或者是技术开发的原因，虚 拟仪器技术在国内汽车行业特别是汽车试验领域的应用却罕见报道。大力开 发和推广这项技术在汽车行业的应用，对于提高汽车试验技术和水平，降低 试验成本。提高试验效率等都有着重要的意义。在国外从美国N I 公司提 供的资料来看，该公司为汽车制造业。尤其是为汽车试验技术开发了数不胜 数的专业应用软件，涵盖了整车、总成和零部件的所有试验项目包括了力 学，温度，振动，噪声等各个测试领域。有了这些专业测试软件，用户只需 配置相应的传感器和调理模块，并通过标准的仪器框架或采集板卡以及工业 计算机，很方便地搭建所需要的高质量的测控系统i 因为在汽车试验的绝大部分测试项目中，应用虚拟仪器的方式，测试 系统无非是由“传感器一信号调理- - A D 变换一采集处理一信号分析一结果 输出”这样的形式构成，除了传感器和信号调理电路外，其余的环节都可以 看成是共享资源，这样，在经常需要面对多种测试对象