（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的汽车制动性能测试方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 制动性能是汽车安全性能检测的重要项目之一，良好的制动性能是汽车安全行驶的 重要保障。鉴于目前我国汽车车型繁多，传统的制动性能检测设备越来越不能满足性能 测试的要求，因此开发便携式、智能化、高效率的制动性能检测系统突显出其重要性。 本研究在分析了国内外制动性能检测方法发展状况的基础上，从虚拟仪器技术思想出 发，以汽车制动系统为研究对象，对汽车制动性能评价问题进行了研究。在i a b v i e w 软件平台上，采用模块化的设计思想，研制开发了一套便携式制动性能检测系统。主要 工作内容及安排如下： ( 1 ) 对汽车制动性能评价指标和制动性检测方法进行了系统性分析。在阐述了制 动效能、制动效能的恒定性和制动时的稳定性等常用的评价指标的基础上，指出了滑移 率的检测对评价装有a b s 的汽车制动性能也是必不可少的。针对传统检测方法存在的 不足，提出了开发基于虚拟仪器的制动性能检测系统的必要性。 ( 2 ) 根据信号处理理论，对汽车制动时典型测试信号的消噪和特征提取方法进行 了研究，探讨了车速和制动距离的确定方法。针对仿真制动信号中存在的高频和尖峰干 扰，设计了巴特沃斯四阶低通滤波器对信号进行消噪处理，结果表明所设计的滤波器较 传统滤波器滤波效果明显。本文提出的汽车制动车速和制动距离的确定方法为后期数据 处理奠定了很好的理论基础。 ( 3 ) 对车载制动性能测试系统的组成与实现进行了研究。硬件部分主要包括传感 器、采集卡、笔记本电脑的选型和信号调理装置的设计。软件是系统的核心部分，本文 采用模块化的设计思想，有效地将复杂的功能细分为易于实现和理解的小模块。其中， 着重对数据采集、信号处理和系统的远程操控等模块进行了设计，用软件代替了部分硬 件，真正体现了“软件即仪器 的思想。 ( 4 ) 针对汽车制动试验时的环境干扰，对测试系统的抗干扰问题开展了研究。本 文从硬件和软件两个方面对系统进行了抗干扰设计，硬件方面主要采取屏蔽、接地、消 除电源干扰等措施降低干扰。软件方面是从测试微观的角度考虑来解决实际问题，达到 了很好的抗干扰效果。最后在p c 上对汽车制动时的车速、轮速、踏板力等信号进行了 模拟仿真，经过处理、分析后在前面板显示滑移率、车速、轮速和踏板力随时间变化的 曲线，为正确评价汽车制动性能提供了很好的理论依据。 研究表明，该系统具有开发成本低、周期短、功能易扩展、携带方便等优点，基于 虚拟仪器的测试系统研究是测试行业发展的方向。 关键词：汽车；制动系统；虚拟仪器；l a b v i e w ；测试 本文得到国家自然科学基金项目( 5 0 8 7 5 1 1 8 ) 、甘肃省教育厅硕导基金( 0 9 0 3 1 1 ) 联合资助 基于虚拟仪器的汽车制动性能测试方法研究 a b s t r a c t a u t o m o b i l e sb r a k i n ga b i l i t yi so n eo ft h ei m p o r t a n ti t e m si ns a f e t yc h e c kf o rv e h i c l e ， a n di ti st h es e c u r i t yg u a r a n t e ef o rr u n n i n g t h et r a d i t i o n a ld e v i c ef o rb r a k i n gs y s t e mt e s t c a n tw o r ka c c o r d i n gt ot h ek i n d so fv e h i c l e si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt op a ym o r ca n e n f i o nt ot h er e s e a r c ho ft h et e s ts y s t e mw h i c hi sp o r t a b l e ，i n t e l l i g e n t a n dh i g he f f i c i e n c y a f t e ra n a l y s i st h ec o n d i t i o no fd e t e c t i o nm e t h o d s , as t u d yo ft h e e v a l u a t i o ns y s t e mf o rb r a k i n gp e r f o r m a n c e so nt h eb a s i so fv i r t u a li n s t r u m e n tw a sp ( 哪删 t a k i n gl a b v i e wa sp l a t f o r ma n du s i n gt h ei d e ao fm o d u l a rd e s i g n , w eh a v ed e v e l o p e da p o r t a b l et e s ts y s t e mf o rb r a k i n gp e r f o r m a n c e m a i n c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h es t u d ya r e l i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) t h i sp a p e rh a sa n a l y s e dt h ee v a l u a t i o ni n d c a t o rf o rb r a k i n gp e r f o r m a n c ea n d t h e m e t h o d so fc h e c k i n g b r a k es y s t e ms y s t e m a t i c a l l y a f t e ri n t r o d u c t i o no fb r a k i n ge f f i c i e n c y , h o m e o s t a s i co fb r a k i n ge f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y , t h ep a p e ra l s op o i n t so u tt h a tt h es l i pr a t ei s o n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rc h e c k i n gb r a k i n gs y s t e mw i t h i na b s ap o r t a b l et e s t s y s t e mf o rb r a k i n gp e r f o r m a n c eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tw a sp r o p o s e d , a c c o r d i n gt ot h e s h o r t a g eo ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d s 2 ) i ts t u d i e ds i g n a ld e n o i s i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o no ft e s ts i g n a l sa c c o r d i n gt ot h e t h e o r yo fs i g n a lp r o c e s s ，a n dr e s e a r c h e dt h ed e t e r m i n em e t h o d sf o rv e h i c l es p e e da n db r a k i n g d i s t a n c e t h i sa r t i c l ed e s i g n e daf o u r t h - o r d e rb u t t e r w o r t hl o w p a s sf i l t e rt od e a lw i t ht h e i n t e r f e r e n c ea n dv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yu s i n ga ne x a m p l e t h es p e e do fv e h i c l ea n dd i s t a n c e o fb r a k i n ga r ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o re v a l u a t i o n t h i sp a p e rh a v ea n a l y s e dt h em e t h o d sf o r t h e s ep a r a m e t e r sa n di ti sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rd a t ap r o c e s s i n g 3 ) t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dt h ec o m p o n e n t so fp o r t a b l et e s ts y s t e ma n dt h eq u e s t i o no f c a r r yo u t h a r d w a r ea st h eb a s i so ft e s ts y s t e mi n c l u d e ss e n s o r s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，p o r t a b l e c o m p u t e ra n ds i g n a lc o n d i t i o n i n gd e v i c e s o f t w a r ei st h ec o r eo ft h et e s ts y s t e m , c o m p l e x f u n c t i o n sw e r eb r o k e nd o w ni n t os m a l lm o d u l e se a s yt oi m p l e m e n ta n du n d e r s t a n de f f e c t i v e l y a n dg r a d u a l l yu s i n gm o d u l a rd e s i g ni ns o f t w a r e f o c u so nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，s i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l ea n dar e m o t e - c o n t r o l l e dd e t e c t i o ns y s t e mm o d u l e ，i na d d i t i o nt og i v et h e d e s i g nf l o wc h a r t ，e x p l a i n st h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no fi t sf u n c t i o n sa n dm e t h o d si nd e t a i l i ti sr e a l l yr e f l e c t st h et h i n k i n go f “s o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ”u s i n gs o f t w a r et or e p l a c es o m e h a r d w a r e 4 ) f o rt h ee n v i r o n m e n ti n t e r f e r e n c e ，t h em e a s u r e so fa n t i - j a m m i n gf o rt e s ts y s t e mh a v e b e e nr e s e a r c h e d t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ea n t i - j a m m i n gd e s i g nf o r mb o t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h ea n t i - j a m m i n gd e s i g nf o rh a r d w a r em a i n l yc o n t a i n ss h i e l d i n g ，g r o u n d i n g , e l i m i n a t i n gi n t e r f e r e n c ew i t ho t h e rm e a s u r e st or e d u c et h ei n t e r f e r e n c ep o w e r t h ed e s i g no f h 硕士学位论文 i i 一 i 皇曼量鲁昌置皇鼍 a n t i - j a m m i n gi ns o f t w a r ep a r ta c h i e v e dg o o dr e s u l t sw h i c hf r o mt h e t e s tm i c r o s c o p i cp 0 谳o f v i e wt os o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nf o rt h es p e e do fv e h i c l ea n dw h e e l ， p e d a lf o r c eh a v eb e e n d o n es u c c e s s f u l l y , t h ec i h v co fs l i pr a t e ，s p e e da n dp e d a lf o r c e d i s p l a y e do nt h ef r o n tp a n e la f t e rp r o c e s s i n g i tp r o v i d e dag o o dt h e o r e t i c a lb a s i sf o re v a l u a t e v e h i c l eb r a k i n gp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a t , t h es y s t e mh a sas h o r td e v e l o p m e n tc y c l e , l o wc o s t , e a s yt o e x p a n da n de a s yt oc a r r ye t c ，a n di ti st h ed i r e c t i o nf o rt e s tb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n t k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e sb r a k i n gs y s t e m ：v t r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w s t e s t t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a m r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 8 7 5 h 8 ) a n dm a s t e rs u p e r v i s e rf u n do f g a n s ue d u c a t i o nd e p a r t m e n t ( 0 9 0 3 1 1 ) i l l 硕士学位论文 插图索引 图1 1 虚拟仪器构成框图4 图2 1 制动系统工作原理l o 图2 2 车轮在地面制动时受力情况。13 图2 3 车轮架离地面制动受力情况1 4 图2 4 制动过程中、足、与耳关系：二1 4 图2 5 汽车制动过程_ l5 图2 6 制动跑偏时受力j “1 9 图2 7 车轮抱死时的运动状态 图2 8 附着系数与滑移率的一般关系 2 0 图2 9 反力式滚筒制动试验台 图2 1 0 平板制动试验台的工作原理：2 2 图2 1 l 制动系统检测过程简图2 4 图3 1 滤波前面板- 3 0 图3 2 滤波程序框图。3 0 图4 1 系统总体结构框图3 5 图4 2 信号放大电路o 3 6 图4 3 信号滤波电路：3 7 图4 4 软件模块划分框图3 9 图4 5 设计流程图，3 9 图4 6 系统登陆界面图4 0 图4 7 测试系统主界面：4 0 图4 8 测试系统主控制面板o 。4 0 图4 9 通道自检模块前面板4 1 图4 1 0 通道自检模块程序框图4 1 图4 1 l 参数设置前面板4 2 图4 5 参数设置程序框图4 2 图4 6 写入文件程序框图4 2 图4 7 写入文件设置4 2 图4 8 保存的数据文件4 2 图4 9 制动距离计算模块程序框图：4 3 图4 1 0 信号滤波模块前面板4 4 图4 1 l 信号滤波模块程序框图4 4 图4 1 2 中值滤波报表4 5 基于虚拟仪器的汽车制动性能测试方法研究 图4 2 0 巴特沃斯滤波报表4 5 图4 2 1 滤波报表程序框图4 5 图4 1 3w e b 服务器配置 4 6 图4 1 4 远程连接参数输入框图4 6 图4 1 5 远程操控前面板 图5 1 车速和轮速曲线 图5 2 滑移率曲线 5 3 。5 3 图5 3 充分发出的平均减速度5 3 图5 4 踏板力曲线叩5 3 硕士学位论文 附表索引 表2 1 制动距离和制动稳定性要求1 2 表2 2 制动气压及踏板力要求。 1 2 表2 4 充分发出的平均减速度要求1 7 表3 1 映射函数：。厶2 9 表4 1 传感器型号及性能 3 6 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名泻如墨 日期节石月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：泻如，1 2 ， 聊鹕。冬研 日期：山局年多月7 日 日期：勋戽钐月7 日 硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 汽车现在己经成为人们生活、工作中不可缺少的一种交通工具，驾驶员的非 职业化、车流密集化以及车辆高速化，致使交通环境不断恶化，甚至导致交通事 故。重大交通事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑、跑偏等因素有关， 因此，汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障，使汽车具有良好的制动性能 始终是汽车设计、制造、试验部门追求的目标l 。 汽车制动检测技术随着汽车技术及计算机技术的发展而不断发展。目前，国 内主要通过两类仪器对机动车辆的性能进行检测：一种是机动车检测线，主要用 于常规性能及安全性能检测，需要固定的厂房、成本高，虽然它能检测车辆的多 项性能参数，为全面、准确评价汽车的使用性能和技术状况提供可靠的理论依据， 但是机动车流动性大，这些检测设备粗大笨重、携带不方便、安装较复杂，并且 受场地影响很大，难以应用于车辆行驶现场的实时检测。另外，这种检测设备由 于行驶车速较低，无法检测汽车a b s 的性能；另一种是便携式检测仪，可用于汽 车道路试验，直接反映车辆的实际运动状况，安装方便、价格便宜、应用面广， 但是当前便携式仪器多属单片机加数码显示方式，功能单一、不易扩充、数据相 关性分析软件少等缺陷，越来越不能适应现代测试的要求1 2 l 。 针对上述问题，本文拟以汽车制动系统为研究对象，对如何评价汽车制动性 能进行研究，利用l a b v i e w 虚拟仪器软件，外加u s b 数据采集卡，配以必要的传 感器及信号调理电路组建虚拟仪器测试系统。对制动时的过程参量进行仿真研 究，为准确迅速地评价制动性能的优劣提供了很好的理论依据【3 l 。 1 2 汽车制动性能检测技术的发展概况 汽车发展的早期，人们主要是通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有 针对性的修理。即过去人们常讲的“望( 眼看) 、“闻( 耳听) 、“切( 手摸) 方式。 随着现代科学技术和计算机技术的进步，汽车检测技术也飞速发展。目前人们能 依靠各种先进的仪器设备对汽车进行不解体检测，而且检测速度快、准确性高。 工业发达国家的汽车检测在管理上已经实现了“制度化 ；在检测基础技术方面 已经实现了“标准化 ；在检测技术上向“智能化、自动化、便携化、网络化” 方向发展【4 1 【5 1 。 1 2 1 国外研究现状 国外对汽车制动性能的研究开始比较早，二十世纪5 0 年代初在一些工业发达 基于虚拟仪器的汽车制动性能测试方法研究 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 年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并大量应用电子、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。7 0 年代起，开始用现代设计方法 代替传统的设计方法，如计算机仿真、优化设计、c a d c a m c a e 等。美国密西 根大学的学者们在7 0 年代初，就将计算机模拟技术应用在汽车动态制动过程中。 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。8 0 年代中期，随着人工智能技 术的发展，开始探讨用于汽车诊断的专家系统，如美国雷迪安公司设计了一个实 验性汽修专家系统。从9 0 年代起，国外开发了很多汽车故障诊断专家系统，其中 也涉及到了制动性能故障诊断专家系统k 删。 近几年国外在制动性能试验和控制方面做了大量的仿真研究，文献【1 0 】通过 建立制动系模型来预测各种条件下的制动距离，该制动模型考虑了轮胎、制动器、 悬架、环境和驾驶员等因素，通过实车试验验证仿真结果。文献【l l 】中认为车辆 的制动性能取决于驾驶员反应、制动系统、轮胎质量和路面表面特性等。从制动 系统出发，在建立盘式制动系统动力学模型的前提下，在沥青路面上对装有a b s 液压制动系统的车辆进行研究，并在给定附着系数和初始速度时，来确定制动距 离。文献【1 2 】在干燥的沥青路面，对使用三种不同等级轮胎的制动减速度进行了 调查，提出制动减速度、制动时间和制动距离随制动初速度变化的关系模型。文 献 1 3 】中用a d a m s 对汽车防抱死制动系统性能进行建模并仿真，采用单车轮模 型，检验制动力和车轮滑移率的关系。文献【1 4 】用硬件回路对混合电动汽车的制 动系统进行仿真，并用h e v 模拟装置对制动系的动力学特性进行仿真。文献【1 5 】 对环境进行了量化，不同环境赋予不同的数值，使用硬件回路仿真技术对制动系 统进行了研究。文献 1 6 1 对基于p c 技术的防抱死制动系统进行了建模和仿真研 究。国外较出名的制动试验台系列有如r o b o t e r m 公司的s t o r o 系列，s u n 公 司的s b a 6 0 0 0 ，s b a 2 0 0 0 系列反力式制动台，m a h a 公司的i w 4 l o n 系列、i w 2 w b 系列等，多由于价格昂贵没能得到很好的普及。 1 2 2 国内研究现状 我国汽车工业起步较晚，研发能力比较落后，从6 0 年代开始研究汽车检测技 术，主要进行了发动机气缸漏气量检测仪等检测仪器的研究和开发。7 0 年代，汽 车性能检测技术在我国得到了大力发展，交通部主持研制了反力式制动试验台、 惯性式制动试验台、发动机综合检测仪和汽车性能综合试验台等。8 0 年代以后， 随着计算机和测试水平的不断提高，汽车检测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【6 】。1 9 8 0 年交通部在大连建立了第一个汽车检测站。同时，制动性能检 测技术也由最初的引进技术、引进检测设备，发展到自主研究开发、推广应用阶 2 硕士学位论文 段，车辆制动性能检测设备生产企业也由8 0 年代的几十家增加到目前的近千家， 但与国外先进水平相比还存在一定的差距。 近几年来我国一些科研院所在这方面也做了大量的研究工作。文献【1 7 】中运 用功能概念，对汽车防抱死制动系统的作用及a b s 汽车的紧急制动过程进行了分 析。提出了汽车在平路、上坡、下坡3 种不同道路上制动距离的计算方法和公式。 文献b s 通过v i s u a lb a s i c 6 0 和m a t l a b 5 3 对所建立的数学模型进行了仿真，并对 常规制动与防抱制动进行了比较。文献1 1 9 中利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了8 自由度非线性车辆系统模型，并对装有防抱装置的车辆转向制动过程做了模拟。 上汽汽车工程研究院的孙益民在基于m a t l a b 的汽车制动系统设计与分析软件 开发中以上汽赛宝车为例，利用现有m a t l a b 软件平台，建立一套面向设计工 程师，易于调试的制动开发系统【2 们。文献【2 1 】中利用a d a m s v i e w 建立了半挂汽 车列车整车2 6 自由度动力学模型，对汽车列车进行了转弯制动仿真分析。 国内汽车制动性能测试设备分两大类：台式试验台和车载便携式试验装置。 台式试验台主要可以分为平板式和滚筒式两种，如今台试检测设备类型多样，虽 然它能检测出车辆的多种性能参数，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，但需要有固定的厂房安装检测设备，造价较高。另一方面机动 车流动性大，而这些检测设备大多笨重，安装复杂，携带不方便，而且获得的数 据不够完整和准确，另外该类试验台的测试车速较低，无法检测防抱死制动系统 的性能。这方面的代表有合肥华西科技开发有限公司的k d z d 系列，肇庆华尔车 辆检测设备有限公司的f z 系列等【2 2 1 。路试法检测制动性能可以较真实地反映汽 车运动状态，能综合反映汽车其它系统的结构性能对汽车制动性能的影响，且不 需要大型设备与厂房、使用方便，价格便宜，应用面广。这方面的代表作有东南 大学研制的j s u z a i 非接触便携式制动检测仪，能检测行车制动时的车速和踏板 力信号，并自动绘制车速、踏板力随时间变化的曲线，精度可达1 ；北京海晨 科技有限公司研制的a m 2 6 0 0 汽车道路试验仪，可进行汽车加速特性、滑行、制 动、油耗等性能试验1 2 3 1 。当前国内已有的车载式制动性能测试系统虽然具有价 格、地域和后期维护的优势但是存在以下几点不足： ( 1 ) 目前的测试仪器多属单片机加数码显示方式，功能单一、不易扩充； ( 2 ) 数据采集的速度与国外相差较大，主要集中在低速和中速； ( 3 ) 硬件的抗干扰能力较弱； ( 4 ) 数据处理能力较差、相关性分析软件少。 1 3 虚拟仪器介绍 1 - 3 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的概念最早是由n i 公司( n a t i o n a li n s t r u 基于虚拟仪器的汽军制动性能测试万法研冤 m e n t ，美国国家仪器公司) 在1 9 8 6 年提出的，彻底打破了传统仪器的概念，引发 了仪器和自动化工业的一场革命。虚拟仪器的提出和发展，充分体现了计算机技 术、通信技术和测量技术的紧密结合，代表了未来仪器产业的发展方向。 所谓“虚拟仪器劳，就是以计算机为基础，根据需求定义和设计仪器的测试 功能，由i o 接口设备完成信号的采集、测量和调理，并利用p c 强大的软件功能， 实现信号数据的运算、分析和处理，利用p c 机的显示器，模拟传统仪器的控制 面板，以多种表现形式输出检测结果，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器 系统。虚拟仪器克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能更改的缺陷，摆 脱了由传统硬件构成一件仪器再连成系统的模式。用户可以根据自己的需求，通 过编制不同的测试软件来组合构成各种虚拟仪u 2 4 。虚拟仪器从构成要素上讲， 一般由计算机、应用软件和仪器硬件等构成，如图1 1 所示，仪器硬件主要是指 各种l j o 接口设备。根据i o 接口设备的不同，v i 有p c - d a q 测试系统、g p i b 系统、 v x i 系统、串口系统等不同的类型。软件系统主要由v i 应用程序和各种接口设备 的驱动程序组成。 园 1 一 图1 1 虚拟仪器构成框图 虚拟仪器与传统仪器相比主要存在以下优点【2 5 】： ( 1 ) 软件为核心。一旦虚拟仪器的硬件确定，它的测量功能主要由内部软 件来决定，系统规模可通过软件的修改而增减。 ( 2 ) 灵活方便，用户可以自己定义。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，用户可根据自己的需要，方便灵活地重组测试系统。 ( 3 ) 开放性强。虚拟仪器具有与其他多种外设互联的能力，例如通过与网 络或其他高档外设的连接，可以较容易地实现对现场的监测与管理。 ( 4 ) 扩展性强。虚拟仪器的软、硬件工具使得工程师和科学家们不再局限 于当前的技术中，得益于虚拟仪器软件的灵活性，只需计算机和相关测量硬件， 在虚拟仪器平台上就可以轻松构建用户需要的测试系统。 ( 5 ) 网络带宽。虚拟仪器技术的另一突出优势就是不断提高的网络带宽。 将因特网和n i 的软硬件产品相结合，用户就能够轻松地与地球另一端的同事共 4 硕士学位论文 享测量结果，分享“天涯若比邻挣的便捷。 1 3 2 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器技术随着计算机技术的发展而不断发展，迄今为止，v i 已经历了 g p i b 总线、基于p c 机的数据采集卡、v x i 总线三种典型标准体系结构。1 9 9 7 年， n i 公司发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范p x i ，目前已成为一种主 流的虚拟仪器测试平台。同时出现了一系列用于v i 产品开放图形化编程环境， 如l a b v l e w 、l a b w i n d o w s c v i 、h p v b e 等。1 9 9 8 年，n i 公司发布了可互换虚拟 仪器( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ，i v i ) 和虚拟硬件( v i r t u a lh a r d w a r e ，v h ) 的概念，按照v h 概念设计的产品己经面市。 虚拟仪器技术已广泛应用于科研生产的许多领域：声学测试、汽车测试、生 物医学测试、振动测试、工业自动化、机械监控、过程控制等。例如，美国的 g e o m a t i c s 公司和g o d s m i t h 公司等利用虚拟仪器开发工具，开发出了农业自动化 灌溉系统和秧苗分析系统。比利时i n t e r s o f l 电子工程公司利用虚拟仪器思想开发 出了r a s s p d p 和r a ss s 软件。美国斯坦福大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟 仪器教学、实验、仿真系统。挪威c a r d i a c 公司采用l a b v i e w 平台构建了测试 北海油田石油、大气、水流的m p f m 系统。在国内，清华大学应用虚拟仪器技术 构建汽车发动机性能检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检测。石油科学研 究院将虚拟仪器技术应用于小型石油精炼试验系统中。电子部三所应用虚拟仪器 技术建立了仪器自动化计量控制系统【2 6 】【2 7 j 。 目前，一些高校开始利用虚拟仪器进行汽车测试装置的研究。文献【2 8 】中介 绍了虚拟仪器技术在拖拉机性能测试中的应用，构建出在农用车辆性能测试中可 替代某些现有测试仪器的虚拟仪器。文献【2 9 】中提出了通过多传感器采集和数据 融合，配以p c 机平台和虚拟仪器软件，构成汽车虚拟集成测试系统。除了上述 高校，一些计量器械生产厂家也开始利用虚拟仪器开发新的测试系统，但目前都 处于构思和尝试阶段，没有成熟产品面世。杨清梅曾在虚拟仪器技术及其在工 程测试中的应用中大胆地预测：虚拟仪器技术是目前自动测试技术及测量系统 的重要发展方向。虚拟仪器技术可以改善我国仪器行业的整体水平，缩短仪器开 发的周期和节省仪器开发的成本1 3 们。我们相信，随着软件和测试技术的发展， 虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。 1 3 3l a b v i e w 软件特点 l a b v i e w 全称是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 kb e n c h ，是美 国n i 公司推出的图形化软件开发环境，用图形语言、图标和连线代替了复杂、 繁琐、费时的编程语言，是世界上最优秀的虚拟仪器软件开发平台之一。其开发 的虚拟仪器的外型与操作方式可以模拟实际的仪器，用于测试与测量、数据采集 5 基于虚拟仪器的汽车制动性能测试方法研冤 与控制以及过程监控等方面，可通过交互式的图形化前面板来控制系统并显示所 得的结果。l a b v i e w 的功能还可以通过增加附加模块或附加工具套件进行进一 步的扩充【3 1 1 。利用l a b v m 可产生独立运行的可执行文件，广泛地被工厂和大学 实验室所使用，尤其适用于需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，以及 对信号进行分析研究、传输等场合 l a b v i e w 不仅提供了常规的函数功能，还集成了大量的生成图形界面的模 板，丰富实用的数值分析、数字信号处理功能。l a b v i e w 与c 和c + + 的计算机语 言类似，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、g p i b 、串行仪器 控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能 l a b v i e w 具有完善的仿真、调试工具，如设置断点、单步执行、加亮执行等 通过搿指示灯按钮? ，可动态显示v i 执行时数据流动的动画从中可看到哪一步 运行出现错误，从而减少了调试的麻烦。总之，l a b v i e w 作为图形化编程语言 环境，为虚拟仪器开发提供了一种快捷、方便和功能强大的软件工具。 1 3 4l a b v i e w 开发环境的组成 所有的l a b v i e w 应用程序，即虚拟仪器均包括程序前面板、流程图以及图 表连接器三部分。 ( 1 ) 前面板：前面板是图形用户界面，用于设置输入数值和显示输出量， 模拟真实仪表的前面板。这一界面上有输入控件和显示控件两类对象。 ( 2 ) 流程图：每一个程序前面板都对应一个程序框图。程序框图提供v i 的 图形化源程序，其作用相当于传统程序的源代码。在流程图中对v i 编程，可以 控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图由节点、图框、端口和连 线构成。 ( 3 ) 图标连接器：是子v i 被其他v i 调用的接口。图标是子v i 在其他流程图 中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入输出口，就像函数 的参数。在设计复杂的检测系统时，可以将系统分为多个子系统，每个子系统对 应一个子v i ，完成一定的功能，最后只需设计一个顶层v 1 分别调用这些子v i 即 可完成复杂的测试功能1 3 2 1 。 1 3 5 基于l a b v i e w 的制动性能测试系统的特点 ( 1 ) 采用了硬件测量和软测量( 计算测量) 相结合的方法，在保证仪器结 构简单、安装拆卸方便的同时，软件操作容易，并节约了成本。 ( 2 ) 既能利用计算机的数据处理能力，又能利用l a b v i e w 的信号处理模块。 还可以在短时间内，根据不同用户的需求修改软件的功能1 2 5 1 。 ( 3 ) 利用采集卡的多通道同步采集技术，可以同时对车速信号、轮速信号 和减速度信号进行同步分析j 保证了关联信号同步性的同时也保证了功能的齐 6 硕十学位论文 全。利用l a b v i e w 内置时钟和时间v i 能够准确的测算出制动时间。 ( 4 ) u s b 数据采集系统的采样频率相对于其余嵌入式采集卡稍有不足，而 且软件处理数据的复杂特性在检测数据实时传输显示时仍会有延时的情况出现， 这对于测量实时性会产生一定的影响。 ( 5 ) 由于许多公司的采集卡没有l a b v i e w 驱动的支持，故必须购买n i 公司 的数据采集卡，由于n i 的采集卡价格比较昂贵，没有得到很好的普及。 1 4 研究意义 随着行驶里程的增加和使用时间的延续，汽车技术状况在不断恶化，这不仅 会影响汽车的运输效率和使用性能，严重时将导致交通事故发生。这就要求在汽 车运行过程中，及时地对其运行状况进行监测，对其技术状况作出正确的评价和 判断，及早发现故障并采取相应的措施，从而保证其良好的使用性能和可靠性， 提高运输效率，延长汽车的使用寿命。 对汽车进行制动性能检测，一方面是确定运行车辆的工作能力和技术状况， 查明故障和隐患的部位及原因；另一方面对维修车辆实行质量监督，建立质量监 控体系，确保车辆维修质量【3 3 1 。便携式测试系统可以在不解体情况下判断汽车 的运行状况，为汽车继续运行和进厂维修提供了可靠的依据。同时，由于目前对 该类测试仪器的需求量较大、应用面较广，因此该项目的开发和应用将具有广阔 的市场前景和良好的经济效益与社会效益。 1 5 主要研究内容及安排 通过以上的论述，可以看出研制便携式制动性能检测设备是很必要的。本论 文以虚拟仪器技术、信号处理技术为理论基础从硬件和软件两个方面分析了虚拟 仪器测试系统的组建，利用图形化编程语言l a b v i e w 进行仿真，并对多项参数 进行相关性分析，最后在前面板显示性能曲线，依据国家标准对制动性能进行评 价，能够满足路试法检测制动性能的实际需要。具体内容安排如下： ( 1 ) 第一章对本研究课题的选题依据及其科学意义进行了阐述。通过对国 内外研究与发展现状的分析及虚拟仪器的介绍，提出本文的研究内容。 ( 2 ) 第二章介绍了汽车制动系的工作状况及常见故障分析，根据国家标准 规定的技术要求，对制动性能评价指标进行了阐述为评价制动性能的优劣提供科 学的依据。分析了台试法和路试法检测汽车制动性能的方法及优缺点，针对目前 检测设备存在的问题提出了进行本课题研究的必要性。 ( 3 ) 第三章根据信号特征提取方法，为提高信噪比，对巴特沃斯低通滤波 器的设计方法进行了较详细的介绍，为信号的滤波消噪处理奠定了理论基础。在 本章节中对一些关键问题提出了解决的办法。 7 基于虚拟仪器的汽乍制动性能测试方法研究 ( 4 ) 第四章从硬件和软件两个方面对汽车制动检测系统的开发进行了详细 的分析介绍。硬件部分主要包括传感器、数据采集卡和p c 机的选型和信号调理 系统的设计。软件部分以l a b v i e w 为软件开发平台，采用模块化的设计思想将 整个系统分为若干个模块，对主要模块进行