（电机与电器专业论文）电动汽车dcdc变换器pxi测试系统的开发.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y , i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e f a c e dt h eu n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g eo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , o o b a lw a r m i n ga n d e n e r g ys h o r t a g e f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) b e c o m e st h en e wf o c u so f a u t o m o b i l ei n d u s t r y b e c a u s eo ft h es p e c i a lo u t p u tc h a r a c t e ro ft h ef u e lc e l l ，t h e o u t p u tt e r m i n a ls h o u l db ec o n n e c t e dt od c d cc o n v e r t e r d c d cc o n v e r t e r , o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ff c e v , d e m a n d ss m a l l v 曲u n e ，l i t t l ew e i g h t , h i 曲e f f i c i e n c ya n dh i 曲s t a b i l i t y s oh o wt ot e s ta n de v a l u a t e t h ec o n v e r t e rb e c o m e sav e r yi m p o r t a n ts u b j e c t t h i st h e s i si sar e s e a r c ho ft h ep x i t e s t i n gs y s t e mf o r t h ec o n v e r t e rt oa c q u i r ea n da n a l y z et h ev a r i o u ss i g n a l so fv o l t a g e ， e m - e n t , t e m p e r a t u r e ，v i b r a t i o na n dp r e s s u r ep r e c i s e l y t h i st h e s i sc o n c e r n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t a l t e s t i n gs y s t e m d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，s e l l s o r sa n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d a n dp r o p e rw i r i n gi sa l s oc o n s i d e r e dt or e d u c en o i s ec o u p l i n g s o f t w a r es t r u c t u r eo f i sa n a l y z e d b a s e do nl a b v i e wa n dn i d a q m ) 【，d e s i g nf r i e n d l yo p e r a t i o n 面耐a c et od i s p l a ya n a l y s i sd i f f e r e n ts i g n a l s e s t a b l i s hp r o p e rd a t a b a s ea n dr e p o r t f o n ns y s t e mt os a v ed a t aa n dp r o v i d ei n q u i r yf u n c t i o n u s er e m o t ec o n t r o lu n d e rb a d t 斌l i t i o no fe x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t e r r o r sa r ei n e v i t a b l ei na l lt h es t a t i o n a r ya n dd y n a m i cm e a s u r i n gp r o c e s sw h i c h p m v o n t su st og e tt h er e a lv a l u eo ft h em e a s u r e dq u a n t i t yd i r e 坷z t l y i td i s c u s s e st h e p r i u c i p l eo f v i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do np x ib u sa n di t sa 撇i tr e s e a r c h e si n t ot h e a 艄o fe a c hv i r t u a li n s t n n n e n tc o m p o n e n t ,a n dg e t st h e黜r a n a l y s i sa n d m a d i f i c a t i o nm e t h o do fs e l l s o r s ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dv i r t u a li n s t r u m e n t s s o f t w a r e t h ed e b u g g i n go ft o s t i n gs y s t e m ，c a l i b r a t i o na n do n - s i t ee x p e r i m e n ta r e i n l m d u c e d t h et e s t i n gp r e c i s i o no f t h es y s t e mi sa n a l y z e d k e l rw o r d s ：d c d cc o n v e r t e r , t e s t i n gs y s t e m , v i m m li n s t r u m e n t , l a b v i e w 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 秫芳 加分年1 月曙日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 蜷务 年月日即咕年月，8 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：冰另 川年月，g 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 电动汽车的发展 电动汽车最早出现在1 8 7 3 年，英国人罗伯持戴维森制造了第一辆有实用价 值的电动汽车，电的来源是蓄电池，这辆电动车比卡尔本茨的汽车还早1 0 多年。 然而，由于当时的技术水平和社会环境所限，电动汽车没有发展起来。 二十世纪六十年代，以石油产品为动力源的车辆所排放的废气成了影响地球 气候和污染城市自然环境的主要因素，同时由于石油储量有限，电动汽车的发展 重新受到人们的重视。 二十世纪末，随着燃料电池技术的发展，电动汽车迎来了一个新的发展阶段。 在技术上日渐成熟的燃料电池，作为一种清洁、高效、环境友好的新型动力源， 已引起世界政要及汽车业界的广泛重视。目前美国、日本、德国等一些汽车发达 国家对燃料电池汽车的研究开发已走出实验室阶段并正在走向市场【。我国为此 业已将燃料电池电动汽车的研究纳入国家8 6 3 重大专项计划。 1 2 虚拟仪器概述 1 2 1 虚拟仪器的概念 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s 简称n i ) 于7 0 年代中期提出虚拟仪 器的概念。 虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件组成。用户可以通过友好的图形界 面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样。因此， 虚拟仪器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， 也可自由构建成专有仪器系统。 与传统仪器一样，虚拟仪器也可划分为数据采集、数据分析处理、显示结果 三大功能块。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才 是整个仪器系统的关键，它将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融为一体，从而 把计算机强大的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。 虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模 式，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法设计自己的仪器系统，满足多种 多样的应用需求。它强调“软件就是仪器 的新概念【2 1 ，同时，它的高度开放性 使得用户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 第l 章引言 构成自动控制系统。正因为这些优点使得虚拟仪器有着极为广泛的应用面，尤其 在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。 1 2 2 基于虚拟仪器构建测试系统的优势 根据以上对于虚拟仪器的介绍，不难看出基于虚拟仪器构建的测试系统具备 以下明显的优势： 1 在传统的测试仪器设备中，测试人员以手工的方式现场记录测试数据。在 测试数据量比较大的情况下，这种数据记录方式不能有效地完成任务，测试过程 也变得复杂、缓慢，很容易引起测试误差：有些常用的测试仪器对被测对象只能 进行定性分析，如果需要精确的数据，就需要有额外的辅助措施。在应用虚拟仪 器技术的测试设备中，充分利用计算机的存储能力，让测试数据经由计算机总线， 传输至计算机内存或硬盘【3 】，数据传输率可以满足测试的实时性要求，也加快了 测试过程，这样就很好解决了数据的传输、保存问题。 2 有时候需要根据工程的实际需要实时、直接地对测试数据进行各种分析与 处理，如f f t 、d f t 运算、功率谱分析、联合时频分析、数学分析和数据库联接、 单位转换等工作，这在传统仪器中很难做到。在虚拟仪器中，开发人员可以使用 现有的分析软件包或通过自行编制相应软件来满足这一要求。 3 利用计算机的图形用户界面使测试过程直观、明了，并以多种方式显示测 试数据、控制过程和分析结果。 1 3 本课题研究的目的与意义 传统的内燃汽车在国外开发的历史已有百年，中国费了很大的力气却仍然只 是抓住了尾巴。相比之下，电动汽车还属于产业化初期，尚未形成新的工业体系， 中国和其他国家一样处在同一条起跑线上，因此，中国在电动汽车领域参与世界 的竞争是公平的。“8 6 3 电动汽车重大专项规划组组长、同济大学新能源汽车工 程中心主任万钢教授说：“在传统汽车领域，我们与发达国家的差距是2 0 年，而 在电动汽车领域的差距只有5 年 。 本学位论文主要开展。电动汽车d c d c 变换器p x i 测试系统的开发 ，此 研究工作是国家科技部8 6 3 计划电动汽车重大专项课题“燃料电池轿车用d c d c 变换器一的重要内容之一。 d c d c 变换器在工作时不仅要消耗功率发出热量，还要受到外界系统和本 系统其他电气设备的电磁干扰，所以变换器输入输出电压、输入输出电流、功率、 效率的静动态特性如何，各部分温度是否过高，水循环系统的压力和振动强弱等 等，对变换器能否可靠工作都是非常重要的。为此需要构建一个多参数测试系统， 2 第1 章引言 在变换器研制的过程中，不断对变换器运行时的各种参数进行监测。 以p x i 机箱为主控单元、l a b v i e w 为软件平台开发测试系统能测试多路物理 量，大大减少了各种控制按钮、旋扭及功能切换开关，具有很高的可靠性和抗干 扰能力，保证了各路参数测试的精度和稳定性。此外，模块化设计使该测试系统 易维护且灵活性强，易于向其它领域的测试任务进行移植。该测试系统还具有强 大的数据分析功能，对测量对象进行数字信号处理，参数设置灵活，不引入额外 的处理过程噪声，可以扩大动态范围和提高测量精度，同时增强了仪器的稳定性、 可靠性和灵活性，能给大功率d c d c 变换器的研发进度与效果提供很大的帮助。 1 4 本论文研究的主要内容 本课题研制的“电动汽车d c d c 变换器p x i 测试系统 以美国国家仪器 公司的l a b v i e w 软件为软件开发平台，配以前端的传感器、信号调理电路和插 有专用数据采集卡的p x i 主机作为硬件平台。其主要目的是对燃料电池电动汽车 d c d c 变换器的多种参数进行实时监测和处理，分析变换器转换效率及性能的 稳定性，从而为主电路拓扑结构确定与改进、主要工作参数的确定等提供分析数 据。 在课题研制中本人主要负责根据测试需求选择合适的测试系统：信号调 理电路的设计与调试：软件的编写，其中研究和应用了数字信号处理算法，对 采样技术、波形显示技术进行了研究，丰富虚拟仪器的功能和提高处理精度： 虚拟仪器系统的误差分析与修正：系统的集成与联调，对整机调试过程中的问 题进行处理，进一步完善系统功能。 本论文的主要内容包括： 第一章，引言； 第二章，测试系统总体设计，包括d c d c 变换器概述及其测试要求，虚拟 仪器自动测试系统的介绍和系统选型等： 第三章，系统硬件设计，包括p x i 测试系统的硬件装置，采集卡和传感器 的选型，调理电路的设计和系统的集成等； 第四章，系统软件设计，包括虚拟仪器系统的软件架构，应用程序l a b v i e w 的特点，主程序和各个子模块的前面板及程序框图设计； 第五章，虚拟仪器系统的误差分析与修正，包括误差的基本概念，虚拟仪器 系统各组成部分的误差分析，虚拟仪器系统的误差描述和修正实例； 第六章，结论与展望，总结本课题所取得的研究成果和所做的工作，以及对 后续工作的展望和建议。 3 第2 章d c i x ：变换器测试平台总体设计 第2 章d c d c 变换器测试平台总体设计 在详细了解测试对象，清楚各种待测参数的特性和意义的基础上搭建一个合 理的自动测试平台，实现高精度的测量。 2 1 燃料电池汽车动力系统 2 1 1 燃料电池的特性 燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。如图2 1 所示， 它的结构与普通电池相同，也有阴极、阳极，通过电解质将两电极隔开，但是不 需要昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行“燃烧 ，当然，产生的现象不是火， 而是通过化学反应变为电能输出f 4 】。现在推出的燃料电池，按所用电解质材料来 分共有五种类型：碱溶液型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型和质子交换 膜型燃料电池。 图2 1 燃料电池构造图 燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作 和积木化的动力装置。同时，燃料电池不存在能源限制和自放电等问题，且操作 温度低，启动时间短，因此作为电动汽车的车载能源，具有不可比拟的优点和发 展前景。 然而，燃料电池作为车载能源有其局限性。一方面，其输出特性偏软，随 着输出功率的增加，输出电压下降，难以满足驱动电机控制器的需求。如图2 2 所示，在燃料电池输出功率的起始阶段，输出电压u 危下降较快。随着输出电流k 的增大，输出电压下降，下降斜率比普通电池大得多，因此燃料电池的输出特性 相对较软 5 1 ，直接用它们去驱动电机会造成电机驱动性能恶化。另一方面，燃料 电池不允许能量回馈，也无法满足f c e v 的要求。 4 第2 章d c i ) c 变换器测试平台总体设计 u 矗 ( u 劬) u o o 图2 2 燃料电池输出电压一电流特性曲线 为了保证电机的正常工作，需要在燃料电池和逆变器之间加入d c d c 变换 器环节，通过d c d c 变换器的电压转换和稳压作用，使燃料电池能够与逆变器 配合工作，以明显提高电动机的驱动性能。 因此，燃料电池d c d c 变换器的研发对燃料电池城市客车的整车技术项目 至关重要。 2 1 2 燃料电池汽车动力系统的电气结构 纯燃料电池汽车只有燃料电池一个功率源，汽车所有的功率负荷都由燃料 电池承担。主要缺点有：( 1 ) 燃料电池的功率大，成本高；( 2 ) 对燃料电池的 动态性能和可靠性提出很高要求；( 3 ) 不能进行能量的回收。 图2 3 燃料电池汽车动力系统框图 图2 3 是燃料电池汽车的一种驱动系统嘲，它可以很好地克服上述缺点，为以 后的发展方向。该系统由燃料电池、逆变器和交流驱动电动机、双向直流变换器 与蓄电池( 超级电容) 和电动压缩机构成。工作原理：在系统运行前，蓄电池通 过双向直流变换器向电动压缩机供电。压缩机工作后，燃料电池才能启动，向驱 动系统供电，并通过双向直流变换器给蓄电池( 超级电容) 充电。刹车制动时， 回馈能量储存在蓄电池( 超级电容) 中。 在新能源汽车中，双向直流变换器是系统得重要组成部分，尤其对于在城市 中行使的汽车，往往需要频繁的启动制动。若有能量回馈，将可以节省大量的汽 5 第2 章d c d c 交换器测试平台总体设计 油或者电能，延长汽车的行驶里程。 双向d c d c 变换器使蓄电池的工作受整车控制器指令控制，从而大大改善 d c a c 逆变器工作条件，并明显地提高整个动力系统的性能尤其是加速性能， 并且具有节能的优点。 2 2 双向d c d c 变换器概述阍 双向d c d c 变换器是指在保持变换器两端的直流电压极性不变的情况下， 能够根据需要调节能量双向传输的直流到直流的变换器。 能量正向流动 - o _ _ - l - _ _ _ o _ _ _ - - l i _ _ o ( 1 1 0 ) 0 1 0 。1 2 o ) _ _ _ _ _ 一 能量反向流动 图2 4 双向d c 仍c 变换器结构图 如图2 4 所示【刀，双向变换器置于电压v l 和v 2 之间，控制能量传输。i l 和 h 分别是v l 和v 2 的平均输入电流。根据实际应用的需要，可以通过双向d c d c 变换器的变换控制，实现能量从v l 传输到v 2 ( 称为正向工作模式) ，或使能量从 v 2 传输到v l ( 称为反向工作模式) 。 按照输入与输出之间是否有隔离，双向d c d c 变换器可以分为两类：非隔 离与隔离式d c d c 变换器。隔离变压器的体积较大，漏磁严重，电磁环境恶劣， 不满足燃料电池汽车所要求的体积小、重量轻的要求，并影响效率的提高，故隔 离式不适用燃料电池车用直流变换器。在本项目中采用了非隔离的b u c k - b o o s t 双向d c 仍c 变换器。 图2 5 所示为双向b u c k - b o o s t 电路，该电路有三种工作方式【6 】，如图2 6 所 示。 d 一、b u c k 工作方式 图2 5b ib u c k - b o o s t 电路图 6 第2 章d c d c 变换器测试平台总体设计 如图2 6 ( a ) 所示。开关管q l 开通，q 2 关断，电感电流i l 方向自左向右， q l 和d 2 工作，能量由v l 至v 2 ，当q i 导通时，i l 增加，到忙t o n 时，q l 截止， d 2 续流，输出电压v 2 = v i d y ，d y 为q l 导通占空比。 二、b o o s t 工作方式 开关管q 2 开通，q l 关断，电感电流方向自右向左，q 2 和d l 工作，能量从 v 2 至v l ，i l 自右至左，为i l ，如图2 6 ( b ) 所示。q 2 在k t 期间导通，i l 增 加；t = - t 时q 2 截止，d i 导通向负载供电，直到下一个周期q 2 再次开通。此时， v l = v 2 ( 1 - d y 2 ) d y 2 为q 导通占空比 三、交替工作方式 此时q l 和q 2 由具有死区的互补信号驱动，此时电感电流波形如图2 6 ( c ) 所示。与上述两种工作方式区别在于一个开关周期内电感电流出现正负交替。在 o t o n ，q l 开通，q 2 开通。可见在一个周期有四个开关模态。 7 、口， 2 7 - f 夕、么 、v ， 爪r 八一一 | f f j b 乏一v 一】 i m p , ( c ) ， 图2 6 电感电流波形 模态1 【l 】：q 关断，i l 通过d i 续流，电流自右向左减小，在t l 时刻减小 为零，d i _ _ ，l ：丘竺此后q l 在其反并联二极管d l 导通时开通，为零电压( z v s ) 口f厶 开通。 模态2 【t l t o n 】：q l 开通工作于b u c k 方式，电感电流i l 由于q l 导通线性增长， 7 第2 章d c d c 变换器测试平台总体设计 华= 毕。在卢t o n 时，电感电流达到最大值，a pi 一妇，q l 关断，q 2 开通， 口rl 由于q i 结电容存在q l 为软关断方式 模态3 【t o i i t 2 】：q 2 虽然开通，但是并不会有电流通过，此时电流通过d 2 续 ：i ， 流，i l 下降，睾= 孚。当t = t 2 时，电感电流降为零，q 有电流导通。由于q 2 口zl 是在d 2 续流期间导通的，也为零电压开通。 j ：1 ， 模态4 【协棚：q 2 导通，工作于b o o s t 升压方式，电流自右向左增加，半= 睾， 口f厶 电感储能。当t = t 时，储能最大为去三艺曲，q 2 截止。此后转入下一个开关周期， 重复上述四个模态。 由图2 6 ( c ) 所示，如果l i 谢蛐l ，则在一个开关周期内，电感电流大于 零的面积和电感电流小于零的面积相等，即i l 平均值为零，意味着在一个开关周 期内从v i 流向v 2 的能量等于从v 2 流向v i 的能量，平均功率为零。同样，若 | i i 【l 血i ，能量由v l 向v 2 传输，反之，l i 嘶i j n i n i ，能量由v 2 向v l 传输。 由于双向b u c k - b o o s t 互补导通，电感电流没有断流状态，为连续的三角波， 故在互补方式下，输入与输出的电压关系是相同的，这表明b u c k - b o o s t 变换器可 以实现能量的双向自由流动，此时能量的传递取决于两侧的电压v l 和v 2 的大小 以及占空比，电感电流平均值的大小表明了能量的传递方向。 该交替工作方式可以实现z v s 方式，二极管没有反向恢复电流的问题，对 于节省能量是很有利的。但是，开关管可以实现z v s 开通是有条件的，不是任 何时候都可以实现z v s 开通；另外交替工作方式有能量在内部流动增加了损耗， 并且会导致电感电流纹波的加大，电感的电流峰峰值会大于平均值的两倍。在大 电流情况下采用这种方式则需要采用其他的措施，降低电感电流纹波。 2 3d c d c 变换器测试系统的总体设计 2 3 1 舢变换器性能指标及测试任务 在面对一个测试任务时，首先应该考虑的是测试系统的总体规划。本课题设 计的非隔离的b u c k - b o o s t 双向d c d c 变换器是大功率的电力电子电路，其功率 器件的开关稳定性、转换效率、纹波特性、变换器的散热性等参数都要进行检测， 从而达到对d c d c 变换器进行评价的目的。 依照同济大学燃料电池电动汽车项目组协议规定，燃料电池电动汽车用 d c 仍c 变换器主要性能指标如下： ( 1 ) d c d c 变换器无故障运行1 0 0 小时： ( 2 ) 额定输出功率5 5 k w ( 单向降压输出) ，转换效率在9 5 以上。 第2 章d c d c 变换器测试平台总体设计 ( 3 ) 输入电压范围为3 0 0 v 4 8 0 v ，输出电压范围2 1 0 v 3 6 0 v ； ( 4 ) 输出电流范围0 2 1 0 a ； ( 5 ) 采用c a n 总线通信，符合燃料电池整车通信协议： ( 6 ) 在2 9 加速度下有足够的机械和抗震强度； ( 7 ) 冷却方式：水冷； ( 8 ) 工作环境温度：- 2 0 + 6 0 。 ( 9 ) 保护措施：i g b t 过流保护，输入欠压保护，输出恒压保护，输出过流 保护，温度保护，给定超出范围错误保护。在保护模式下，d c d c 变换器控制 器通过c a n 总线发送故障状态帧和错误状态代码至v m s 及故障诊断单元。 因此，对于该测试系统来说，它的测试工作大体可以分为两个方面：电参数 测试，主要测试不同工况下d c d c 变换器的输入输出电压、输入输出电流、功 率、效率的静态和动态特性，以及各个开关管在开关过程中的电压电流波形；非 电参数测试，主要测试变换器表面、冷却板、内部电感和周围环境温度，水循环 系统的压力，在抗震测试过程中振动强弱程度的分布，正常工作时对外辐射的电 磁场强度等参数。 根据d c d c 变换器对测试系统的要求，本论文要构建的自动测试系统需要 完成的测试任务如下： 1 1 6 路温度的高速高精度测量。温度测量范围为- 5 0 - + 1 5 0 ，可采用 顺序采集的方式，每通道采集速率应能达到6 0 k s s ，分辨率1 2 - 1 4 b i t ，精度为 0 1 ： 2 4 路大电压和4 路大电流，电压测量范围为0 - - 一6 0 0 v ，电流测量范围为0 3 0 0 a ，为精确计算功率和效率，采集模式应为同步采集； 3 1 路控制电压、1 路控制电流、3 路加速度、l 路场强、2 路压力的测量， 可采用顺序采集； 4 数字表和曲线图相结合的显示方式，跟踪信号的变化； 5 输入输出功率计算和变换效率的计算； 6 高速测量观察输出电压电流的纹波特性，采集速率应能达到3 0 0 k s s ； 7 。信号的频谱分析； 8 建立数据库，对采集到的信号，以及每次的实验情况进行实时记录。 9 整合整个测试系统。 2 3 2 虚拟仪器的构成方式1 8 i 和系统选型 虚拟仪器的构成方式主要有五类，如图2 7 所示，因此对应五类常用的虚拟 仪器自动测试系统，分别为g p i b 总线型、p c d a q 插卡型、v x i 总线型、p x i 总线型和便携型【引。 9 第2 章d c d c 变换器测试平台总体设计 i o 接口设备 j 口r n 凸乏珏：l 一 7 i 儿一u 承轨广 7 l i g 一 统 i 被测信号 v xi 系统l 1 1 计算机 ，i p x - 系统l r l1 1 。l 佰辖捌暮翰：i 7 l 协生尔矾广一 图2 7 虚拟仪器的构成框图 1 p o - o 0 播卡型虚拟仪器自动测试系统 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件，完成测试任务。 它充分利用计算机的总线、系统内存、机箱、电源及软件的便利，具有开放式软、 硬件平台。接口总线简化了系统构成，扩展容易，且充分利用p c 总线的高速传 输性能( p c i 总线最大传输速率可达1 3 2 m b s 、6 4 位并行数据传输) 和同步、即 插即用等性能。其关键在于a d 转换技术，借助于高级定时功能，能完成仪器 级的高精度测量。但这种形式的自动测试系统受到p c 机机箱和总线限制，且存 在电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、机箱内无屏蔽等缺点。这种系统价 格在所有虚拟仪器测试系统中价格最便宜，性价比较高，推广较方便。 2 6 p 1 8 总线型虚拟仪器自动测试系统 g p i b 总线( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) l l pi e e f a 8 8 通用接口总线，是h p 公 司在7 0 年代推出的台式仪器接口总线，因此又叫i - i p i b ( i - i pi n t e r f a c e b u s ) 。它的 出现使电子测量仪器由独立的、手工操作的、单台式的仪器向大规模自动测试系 统方向前进了一大步。一个典型的g p i b 仪器系统由一台p c 机、一块g p i b 接 口板卡和若干g p i b 仪器通过g p i b 总线连接而成。这种系统的特点是：母线型 连线方式，系统组成比较方便、灵活；母线由1 6 条信号线组成，最多可连接1 4 台仪器；最大传输速度为1 m b s ，最大传输距离为2 0 m 。 3 、f ) 【i 总线型虚拟仪器自动测试系统 v x i 总线( v m eb u se x t e n s i o nf o ri m c u m e n t a t i o n ) 是v m e 计算机总线在仪器 领域中的扩展，其中v m e 总线是一种工业微机的总线标准。v x i 总线仪器具有 结构紧凑、数据吞吐能力强( 可达8 0 m b s ) 、定时和同步精确、模块可重复利用、 1 0 第2 章d c d c 变换器测试平台总体设计 通用性好等特点，而且规定了严格的电源、电磁兼容性、包装、冷却方式等标准， 是一种高精度、高速的测试系统，可以满足高端自动化测试应用的需要。但是组 建v x i 总线要求有专用机箱及嵌入式控制器，造价比较高。 4 p x i 总线型虚拟仪器自动测试系统 p ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 是p c i 在仪器领域的扩展。它是在 p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。它通过增加用于多板 同步的触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线以及用于相邻模 块间高速通信的局部总线来满足使用和测试领域的要求。它将c o m p a c t p c i 规范 定义的p c i 总线技术发展成适合于测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件 规范。它能充分利用p c 技术的高速发展，还具有比p c i 系统更好的扩展性，它 有8 个扩展槽，而p c i 系统只有3 - 4 个扩展槽。而且通过使用p c i p c i 桥接器， 可扩展到2 5 6 个扩展槽。但是p x i 系统同样也需要专用机箱、控制器等设备，造 价也比较高。 5 便携型虚拟仪器自动测试系统 这种虚拟仪器系统是新型的测试系统，是为了满足在空间狭小的、移动较多 的测试环境中进行测试的需要而产生的。它可以利用u s b 总线、p c m c i a 总线 以及f i r e w i r e 总线来与笔记本电脑或者是台式机进行连接，可实现便携式、 即插即用的功能，还支持热插拔功能。它的缺点是目前传输速率较低、易受电磁 干扰的影响等。 表2 1 列出了几种仪器平台的性能比较哺】。 表2 1 目前几种仪器平台的比较 l g p i b、x i标准p c p x i c o m p a c t p c i l 传输位宽( 位) 8 8 ，1 6 ，3 28 ，1 6 ( i s a ) ；8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ( p c i ) 吞吐率( m b s )10 1 8 ( h s 4 8 8 ) 4 08 0 ( 肛强4 ) i - 2 ( i s a ) 1 3 2 - 2 6 4 1 3 2 - 2 6 4 ( p c i ) 定时和同步无有定义有 i 有定义 i 可用产品 1 0 ，0 0 0 l 1 0 0 0 1 0 ，0 0 0 1 0 0 0 i 尺寸大中小一中j , - 中 标准软件框架无 v x ip l u g & p l a y 无有定义 有定义 模块化否是否是 酬i 防护 可选 l 有定义视具体板卡而定视具体模块而定 i 系统成本高 l 中一高 l 低低一中 第2 章d c d c 变换器测试平台总体设计 p c - d a q 插卡型的虚拟仪器可利用现有的p c 机资源，再配以调理电路和数 据采集卡和必要的软件就可以构成自动测试系统，具有高性价比、高速、高精度 测量等特点。采用这种测试系统对于控制成本，现场干扰较少、测试精度要求不 是非常苛刻、对同步性能要求不高的场合是理想的选择【8 】。 g p i b 总线型是适用于多台单个仪器之间的通讯，是为了解决已有资源的再 利用和互联而采用的测试系统，且传输速率较慢，不能实现同步和即插即用的功 能，显然本课题不能选择这种形式。 v x i 总线型虚拟仪器系统和p x i 总线型虚拟仪器都是高性能、高精度、可 扩展性强的、适合恶劣工业场合的测试系统。本课题所测试的对象是工作在温度 变化较大、强电磁干扰的环境下，所以要完成高速、高精度、同步的测量，就必 须选择这两种有严格机械、电气和软件标准的测试系统。因此有必要对v x i 仪 器和p x i 仪器做进一步的比较。如表2 2 所示为v x i 与p x i 仪器特性的比较。 表2 21 】【i 与p x i 仪器特性的比较 局部总线 触发器 时钟 星形总线j v x i 1 2 线 1 1 8 个t t l ，2 个e c l ，4 个附i i l om l t z ，e c l ，1 0 0m l i z ( 仅0 仅d - s i z e 加d - s i z e 的e c l 0 d - s i z e * ) p x i 1 3 线8 t t l 1 0m h z ，t t l 0 每槽1 个i 宰d s i z e 的v x i 系统因为其尺寸很大很少使用 v x i 主要用于满足高端自动化测试应用的需要，已成功应用于军用航空测试 和制造业测试的高频道计数。v x i 电磁兼容要求更严格，为了使系统中不同模块 间辐射干扰的相互影响最小，v x i 规范要求所有v x i 模块都封装在金属屏蔽装 置中。但是v x i 基于v m e 总线，这种总线没有被测量与自动化领域之外的主流 行业所采用，因此其软硬件通用性较差，成本太高。 而p x i 平台基于p c i ，所以它继承了p c i 的诸多优点：较低的成本，不断提 高的性能，以及为最终用户提供主流软件模型。p x i 系统能充分利用市场上主流 p c 产品取得的进步，从而提供规模经济的成本优势和达到预期的通用计算机行 业的性能优势。另外，p x i 系统在任何开放式结构平台中它所需的空间是最小的。 因此，p x i 系统比v x i 系统性价比更高、体积更小、通用性更强，是当今 时代的潮流。所以我们首选p x i 系统来完成我们的高速、高精度的测试任务。 1 2 第3 章测试系统硬件设计 第3 章p xi 测试系统硬件设计 3 1p x i 测试系统构成 3 1 1 基于p x i 平台测试系统的基本构成1 9 i 基于p x i 平台的测试系统的基本构成如图3 1 所示，虚拟仪器系统主要由虚 拟仪器的软件、计算机及附件、数据采集卡、传感器+ 信号调理四部分构成。其 中后面三部分都属于虚拟仪器的硬件装置【9 1 。 0 眵汛 佑髂嚣 澎礁l 孥艇器 粤 渊_ 图3 1 虚拟仪器系统构成图 1 虚拟仪器的软件 虚拟仪器的软件包括测试分析仪器的功能软件、采集卡的驱动软件、软面板 和控件软件、信号显示软件等。这一部分是虚拟仪器的核心，是虚拟仪器最主要 的特色。 2 计算机及附件 p x i 设备对工业环境中的振动、冲击、温度、湿度等环境性能测试提供了 1 3 2 m b s 的数据速率和即插即用功能的高性能特性。在虚拟仪器系统中，计算机 技术是虚拟仪器的支撑。 3 数据采集卡 在虚拟仪器中，i o 设备集成在数据采集卡上，直接插到p x i 机箱总线上。 数据采集卡进行数据采集，并且及时地把数据存放到r a m 中，微处理器就可以 立即访问这些数据。数据采集卡技术极大地推动了虚拟仪器的发展，因为它把微 处理器和总线技术的进步直接演变为i o 设备的改进和系统能力的提高。 4 传感器+ 1 言号调理 传感器用以拾取被测对象的测试信号，抗混滤波和前置放大器用以调理测试 信号。它们是测试仪器系统的基础，没有高质量的传感器和调理电路，测试仪器 霹量 ll，筮 懈溶擎 ；：锥；。；出一辔 丰。够，t豢_一，嬲 t糍；_誊霹 一涮 第3 章测试系统硬件设计 系统便失去了基础。 3 1 2p x l 测试系统中的硬件装置1 9 l 虚拟仪器中的硬件装置可分为以计算机为核心的系统装置和以传感器调理 器及数据采集器( a d 转换和数据存贮) 构成的外围装置。 1 系统装置 以计算机为核心的系统装置又分为计算机硬件平台和硬件接口 虚拟仪器的计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携 式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源， 是虚拟仪器的硬件基础，它在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方 面的发展，直接促成虚拟仪器系统的快速发展。 接口硬件负责计算机与外围电路的通信，计算机发出的指令和数据以及外围 电路送来的结果都需要通过它。 2 外围装置 外围装置包括传感器、信号调理电路及数据采集电路。 传感器的发展经历了经典传感器时代和目前的智能传感器时代。智能传感器 在经典传感器的基础上引入信号处理部分，扩大了经典传感器的使用和应用范 围。对于虚拟仪器而言，传感器的概念比较广，只要是能将电量信号或非电量信 号转换为标准电信号的装置，都可纳入传感器的范围。 信号调理电路包含放大器、滤波器和多路开关等。放大器将待采集的信号放 大衰减至采集卡能接受的量程范围内：滤波器滤除干扰信号和不满足采样条件 的信号，提取反映被测物理量的有效信号；多路开关将各路被测信号轮流切换到 采样保持模块，实现多路信号的采集。 数据采集电路包含采样保持、a d 转换和数字i o 等。采样保持器在时钟 信号的作用下，锁存某一瞬时的电压值并保持信号幅值不变直到下一个时钟信 号，主要用于多通道采集时各通道保持同步或相位差比较小；a d 转换器将输入 的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。本课题中，数据采集电路 采用美国国家仪器公司生产的专用数据采集卡，可以满足高性能的测试要求，即 使在高采样速率、高增益的情况下，同样能保证采样精度及可靠性。输入信号经 输入电路、信号调理电路及数据采集电路后送入a d 转换电路转换成数字信号， 然后主机通过仪器接口电路把数据接收进来，进行后续处理。 图3 2 显示了本课题中测试系统硬件装置的总体框图。 1 4 第3 章测试系统硬件设计 卜、 客 数 户 机 据 人 服 采 务 卜网 叫络 集 器 卡 客 卜、 户 机 图3 2 测试平台的系统结构框图 3 2 数据采集卡的选型 所有能够在计算机控制下完成数据采集和控制任务的板卡产品都称为d a q ( 数据采集) 产品【加】，可分为内插式板卡和外挂式板卡。内插式d a q 板卡包括 基于i s a ，p c i ，p x l c o m p a c tp c i ，p c m c i a 等总线的板卡，特点是速度快，但 插拔不方便；外挂式d a q 板卡包括u s b ，i e e e l 3 9 4 ，r s 2 3 2 r s - 4 8 5 和并口板 卡，特点是使用方便，但速度相对较慢。 数据采集卡主要性能指标如下： 1 模拟信号输入模式 输入模式分为单端输入和差模输入。这两种输入模式的电路连接如图3 3 所 示。 信号 输入 、 数据采集卡 g n d 信号 输入b 数据采集卡 i 单端电压输入 差模电压输入 图3 3 模拟信号输入模式 单端输入模式是以一个共同接地点为参考点，如以g n d 为参考点。这种方 式适用于输入信号为高电平，信号源于采集端之间的距离较短，且所有输入信号 有一个公共接地端的情况。如果不能满足单端输入条件，就需要使用差模输入。 差模输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。并且，由于消除了共模噪 1 5 第3 章测试系统硬件设计 声的误差，差模输入的精度较高【l l 】。 2 分辨率和量化误差 分辨率反映数字量在最低位上变化1 时输出模拟量的最小变化量。分辨率越 高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。分辨率表示转 换器在理论上可以达到的精度。实际上，无论是a d 转换器还是d a 转换器， 当其位数确定以后，分辨率也已经确定。 量化误差则是由于a d 转换器分辨率有限引起的误差，它反映了a d 转换 器所能辨认的最小输入量，因而量化误差和分辨率是统一的，提高分辨率即可减 小量化误差。 3 电压范围和增益 电压范围由a d 能进行模数转换的模拟信号的最高和最低电压决定。一般 情况下，采集卡的输入范围是可调的，所以可选择与信号电压相匹配的输入范围， 以充分利用