虚拟仪器在汽车行业的开发应用

新世纪驾校 · 发表于 2007-7-3 20:02:07

<table cellspacing="0" cellpadding="0" width="95%" align="center" border="0"><tbody><tr><td><div align="center">　</div></td></tr><tr><td><a name="tpc" style="text-decoration:none">虚拟仪器在汽车行业的开发应用 DMI`e\y%H "]Q.=zf0 摘要: 使用成熟的虚拟仪器技术制作汽车专用仪器，取代部分同类进口仪器，高效、低成本地开发应用，及时用上最新潮的仪器。例举美国国家仪器公司虚拟仪器的特点，结合工作实际说明研制思路的开拓方法，以及常见计量检定问题处理形式。使读者能了解节省时间，灵活巧干，价廉地计量各种不同类型应用系统的有效途径。 STh`?Zr( y$5c-mfq 关键词虚拟仪器计量检定探讨 5,EkinZ$ |E<s2%K~ 虚拟仪器是目前流行的新型仪器，往往以一台（笔记本）电脑为主体，插入相应的DAQ数据采集卡，与形式多样的各种传感器组成几台甚至于十几种虚拟仪器，将其融为一体，它进入广泛应用，带来一系列的方便。 v`ufZh e `dOi~[ 一概述 ypuz

X, W1v,D 现举一例，说明虚拟仪器在汽车行业的应用。长期以来，汽车行业安全检测线国家强制性检定项目计量检定，以工程车为运输工具，携带大量各种汽车专用检定仪器，满足对国内汽车制造业生产第一线仪器不同参数的计量检定。目前各种新型测量仪器层出不穷，所以必须携带更多种类计量检定仪器，这是摆在计量单位面前的头痛问题，国内尚未为此设计过。另一方面，研制该系统的精度等要求必须要比上述常规测量仪器高一个数量级，设计过程中必须考虑各个方面的综合平衡，因而该项工作具有一定先进水平，又有切实可行的实用价值。 O7lJC,-QW t{Ykx 新近研制的汽车专用仪器设备虚拟仪器检定、测试系统，以一台笔记本电脑为主体，插入相应的DAQ数据采集卡，与形式多样的各种传感器组成十几种虚拟仪器，将其融为一体，本课题经调研权衡利弊后，采用NI（美国国家仪器）公司的LabVIEW图片控制工具包，HiQ、IMAQ数据分析与可视化软件。它具有页面简捷，易于操作等特点，硬件亦采用该公司配套的多功能数据采集卡，具有集成度高、性能超群、稳定性好等优点。传感器选用各国名牌公司产品，从而系统精良，数据处理可信度在同类产品中更胜一筹。 8hmY;= C^3)=m 二简易、快捷、高效的应用 R^l#hfWK K: 5C ;pP 本文所举例子中采用NI（美国国家仪器）公司的LabVIEW图片控制工具包，HiQ数据分析软件。它具有页面简捷，易于操作等特点，硬件亦采用该公司配套的多功能数据采集卡，具有集成度高、性能超群、稳定性好等优点。传感器选用各国名牌公司产品，从而系统精良，数据处理可信度在同类产品中更胜一筹。虚拟计量检定仪器的研制是站在有名望的巨人肩膀上进行二次开发，HP公司的联结、FLUK公司的联结、TK公司的联结等等尽在眼底，National Instruments公司LabVIEW中的“Search Example”(搜索范例) 、“Solution Wizard”(解答向导)栏目为用户提供了一条周密详尽的编程思路，同时又是一种方便快捷的使用途径，许多范例举一反三，在此基础上略加改变，就可轻松地成为用户所需的素材，所以可得到事半功倍的效果。例如，在“Frequency Measurement”（频率测量）自定义数据采集解答向导中，加入 "Input Wheel Diameter"（车轮直径输入）功能及频率/车速换算公式，并在数据采集卡的CLKB1端口接入德国DATRON公司光电传感器产品，在被测车轮钢圈侧面粘贴反光纸，用来测量车轮的转动速率，即可制作成一台测量汽车瞬时车速的仪器。再作一些适当变换就能改编成一台高度精良的车速检定测试系统。在上述基础上，再从“Count Measurement”（计数测量）自定义数据采集解答向导中，加入 “Pulse Coefficient Input”（脉冲当量输入）功能及计数/脉冲当量换算公式，并在数据采集卡的CLKB2端口接入日本OMRON公司光电编码器，即可制作成一台测量汽车瞬时车速/路程的仪器。作一些适当变换就能改编成一台高度精良的各种方式下的距离检定测试系统。如此说来，尤其适用于特殊要求的计量检定。 ?wG[;f2`] ys 32^N 新近NI公司推出DASYLab软件也是一种很好的软件，它的编程思路与LabVIEW巡然不同，有许多新的特色，使用及其方便，在很多场合都可得到得心应手的应用。一般计量检定人员，无需掌握很深的专业化计算机知识，通过简单扼要的培训，便可应用自如。 2Zi 6Yx` QWD-^~O` 三智能化设计 mH8 / '=A &Rl!b1H(Gc 传统仪器智能化数据处理几乎是不可能的，而虚拟仪器通过內置的功能强大的信号处理软件，分析所采集到的数据，直观性极强。该软件包汉化简便，可与Office中的Word字处理、Excel电子数据表方便地连结，随意自如地按照设计者的思路，进行科学计算及文字处理，储存打印输出规范化的测试、检定报告。根据需要可及时改进版面格式。 7@LLX"V Fz]n{ TV 虚拟仪器从实用性向趣味性渗透的效果也是显而易见的，图片和声音功能的应用使得该虚拟仪器检定系统，既能达到常规的测量性能指标设计要求，又能满足进行测量检定时，人性化亲切友好的平台界面。为此，它可与图形文件相连结，从而可以图文并茂地输出各种图表文件。还可将图片制作成动画片，再根据使用场景配音，发挥男、女、老、幼各自语音的魅力，制作丰富多彩，生动活泼的画面来衬托常规的告示，故障报警等，从而使其更具有亲切友好的人性味，使用户感觉到它不仅是一台测试仪器，而且是一位趣味横生的"伙伴"。当测试、检定过程中遇到问题时，根据场景专门增设了热情洋溢的提示，使您恍然大悟，倍受鼓舞；页面报警显示一目了然，使你思量无暇感叹万分；当测试完成后，天真活泼的卡通图片与娓娓动听的语言，使您进入心旷神怡情真意切的境地。然而即便如此，使用时间长久后，用户也会感到厌倦发腻。好在计算机硬盘的容量迅猛增长，故不必为硬盘的容量不足而担忧，为此制作丰富多彩的新潮图片、动画片和语音文件，供不同层次的用户选择，并用随机排序方式输出，从而避免了单调乏味的感觉。 (e6'<v^ m njP\wK X / 文件输入输出功能的巧妙应用，为用户学习使用该虚拟仪器提供方便，可以从帮助栏内查阅相关的性能指标、简明扼要的使用方法以及技术服务等内容。 ~B+}=#S>] #}; x^ 总而言之，尽力避免闲置NI产品各种不同类型的功能，充分发挥潜能巧妙地做出尽善尽美的仪器。 e5.J5UE !1l/a_Z|Ol 四灵活善变的输入输出设计 JM.m15>/q {V;Xh`G?E 虚拟仪器使用范围极其广泛，传感器的种类数不胜数，联结件形状千姿百态，而且大多数是原装的标准件，可连接到相关系列产品的其它常规仪器上，“残忍地”对它宰一刀，统一换成一种形状的连接器件亦不合情理。如果为了兼容把形式多样的插座制作在一块接口板上，恐怕要设计一块比虚拟仪器尺寸大若干倍的" 海量 "接口板，才能勉强应付。 u2C)R'jCN m%zfA%v 为此，我们采用两种方案来弥补上述缺陷： '!>N?K,>_R L2]YA[O58 １．虚拟仪器上配置最常用的典型插座，设计在多块印刷电路板上，从而免去传统工艺中与仪器机箱间乱如蛛网的连接线，并且直接插到输入、输出卡槽内，而且可根据用户不同需要自由组合。 s},z] *jfp? ２．若传感器无法直接与虚拟仪器的任何一块接口板相连，则在仪器与传感器之间用专用连接插头线过渡。 +` G\ N>/ CiRWVI= 因此，较好地解决了传感器与虚拟仪器间连接问题。虚拟仪器得心应手地构建了用户自己定义的测量方案，真正地把心想事成变为现实。 49 #+=f80 -tC2U n 五虚拟仪器与传统仪器、单片机开发仪器的比较 3I|omJWv qVkKCOe4Le 虚拟仪器与传统仪器、单片机开发仪器相比，硬件工作量明显减轻，可节省大量选购电子元件过程，印刷电路板设计难度被简化，安装调试过程中使用的仪器大大地减少了，整个开发周期缩短许多倍。另外，仪器的可塑性很大，随时随地可按照实际情况增减功能,改进设计方案，其优越性是无比的；单片机开发的仪器使用若干年后，因为用户提出新的要求，原来设计功能不能适应变化的环境而被淘汰；虚拟仪器应用若干年后，日积月累，随时随地可以不断改进更新功能，因而越用越完善、越贴近用户；尤其是当单片机开发单台专用仪器时，开发专项新产品的设计者积累的感性认识被限制在当时的一定范畴内，从设计到变成仪器，受到时间跨度和经费支出的一定程度限制，其可靠性、稳定性常造成先天性不足，事后亦难以弥补解决。虚拟仪器的硬件、软件其成熟性，可靠性，稳定性是不容置疑的。而且，软件中如有不满足之处，事后弥补轻而易举徒手之劳。它直观性强，即使是非计算机专业对口人才，通过启蒙培训也能容易地进行修改。本应用方案在减少开发时间和降低成本方面的优势看来，应用虚拟仪器优越性是确切的。 (w"(wxkl pa dF> } 虚拟仪器与单片机开发仪器相比，在数据分析处理上占有绝对优势，如概率分布、线性化校正、快速富里叶变换（FFT）等等。各种类型功能软件模块，进入商品化市场后，能在短时期内，按用户意见组合成各种各样的仪器。 +XB~-Rz;! e!ZQvJYm 通过一段时间的使用，用户必然会提出许多不同程度上的新要求，更多场合完全可应用软件升级的方法予以解决，这样一来可大大降低用户仪器设备更新换代的成本（花费）。计量仪器价格昂贵，利用率偏低，淘汰周期极短，虚拟计量仪器的研制，可一定程度地缓解上述矛盾。 5.|aO] GraU3$M 传统仪器智能化数据处理难度很大，而虚拟仪器通过內置的功能强大的信号处理软件，分析所采集到的数据，直观性极强。该软件包汉化简便，可与Office中的Word字处理、Excel电子数据表方便地连结，随意自如地按照设计者的思路，进行科学计算及文字处理，储存打印输出规范化的测试、检定报告及校准证书。根据需要可及时改进版面格式。 5~HWTK _5D`u8K 各公司的软件在不断改进完善之中，版本升级更新换代很快。硬件性能具有一定程度的优势，尤其是笔记本电脑DAQ（信号采集）卡，但是比同类价格贵许多，这就在一定程度上限制了该产品普及推广应用。因而可以换一种思维方法来扬长避短、改变当前现状，比如说在同一平台上制作一定数量各种不同类型的虚拟仪器来提高性价比。虚拟仪器的可靠性、稳定性比一般常规计量仪器高许多，要充分利用这些优点，为我们的计量工作服务。 :iR2;=9fb W$Nf=kB 除此之外，对于经费支出拮据的用户，ADVANTECH (研华) 、 CONTIC （康泰克）、AXIOM （艾讯）等等的工业控制系统元件供货商也提供优质服务，在价格体系上占绝对优势。在技术上通过一定程度艰苦的努力，National Instruments公司的软件亦能方便地支持他们的硬件。 k/G/ls E c\%nz7i.o 六计量检定思路 UO'n/8 m488IJAk 为举一反三说明问题，例如对于同一个力传感器而言，在不同的虚拟仪器中，用它可制作电子秤（单位：g、kg）；可制作测力仪（单位：N、KN）；亦可制作扭矩测试仪（单位：N·m）。电子秤与测力仪之间的量值关系为kg → N，仅乘以系数9.8即可；扭矩与压力之间的关系仅需多考虑一个机械力臂长度，乘以这个长度值即可。由此引伸出，一个传感器用于若干台虚拟仪器中，只要对力传感器进行一次检定即可，否则将形成重复检定，增大计量检定费用开支。 (n8 i:Fu f)yl$gu,.Z 再举一例：用计数器可统计输入脉冲个数，从而实现统计某一被检对象的数量，若与时间相关联，如每秒钟（每分钟）输入的脉冲个数，便可分析被检对象的变化速率（或：频率）。在汽车行业，根据每个脉冲的当量（XXmm/pulse 、XXml/pulse 、XX°/pulse）便可获取距离、油耗、角度；车速、耗油率、角速度等常用参数。因而在计量时，仅计量计数器的漏脉冲程度以及频率精度，便可间接得到车速、耗油率、角速度等最基本物理量常用参数。 o1G[3x(7ns LJ2?&# 从以上分析引伸出，对于虚拟仪器必须进行如下几种类型的计量检定：各种传感器中直接影响测量精度的参数；虚拟仪器的电压、电流、时间、频率示值检定，即可包罗万象，考虑到各部分的匹配造成的累计误差，再乘以系数1/1.2；此后再用传统观念对各台虚拟仪器进行检定，通过比对其精度均可控制在允许范围内。 Mz*|soh60 `K <e'K5 七存在的问题及对策 Q.+h:+n ,8gK2+0{R 虚拟仪器的计算机程序是一种软体，由于某种原因致使定标数据丢失或破坏，使读数偏离真实数值；另一方面，可人为地修改，它可以根据使用操作人员的心理需要和可能变更数据的比例关系，从而造成弄虚作假，从而使可信度降低。抑制的方法：在技术上用法制观念硬性规定，凡是新开发的虚拟仪器必须形成专一计量检定文件，修改过参数的文件自动产生隐含文件档案并无法修改，给相关部门留下痕迹，做到有据可查；在管理方法上，新开发的虚拟仪器软件对定标数据有监督管理制度才能通过鉴定；在制度上规定，对于被检定过的仪器在有效期内不得修改有关计量方面的文件参数。若能够实现,可以起到一定抑制作用。 </a></td></tr></tbody></table>

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