（光学工程专业论文）基于虚拟仪器的汽车空调性能自动测试控制系统的研究.pdf

摘要 本论文首先对汽车空调性能检测特点进行了讨论，指出基于虚拟仪器的 汽车空调性能测控系统出现的必然性。然后介绍虚拟仪器的概念、软硬件体 系结构、性能特点和应用。分析比较目前最主要的三种虚拟仪器构建方案的 特点，提出一套基于多功能数据采集卡( d a q ) 和图形化编程语言l a b v i e w 的 虚拟仪器构建方案。对汽车空调的制冷原理和特点进行了分析，并对现有的汽 车空调性能检测热工原理和方法进行了比较分析，对采用的焓差法进行了重 点介绍。本测试系统工作原理为：通过多功能数据采集卡采集来自各种传感 器所采集的物理世界的模拟、数字信号，对信号进行适当的处理后，通过p c i 系统总线传递给计算机，由系统的软件部分对采集来的信号进行数据处理， 然而进行报表的打印和显示输入，在后续章节中，对该检测系统进行了详细 的介绍，包括硬件体系结构的设计，主要讨论硬件部分的组成，以及对外界 物理信号的采集的实现等，控制系统部分主要通过p l c 和变频器分别对气缸 系统和转速进行控制。然后介绍了软件部分即图形化编程语言l a b v i e w 。最 后，从硬件构成和软件功能上对虚拟汽车空调性能测控系统的功能进行详细 介绍。 信号采集与控制系统是本测控系统的重点。本文着重讨论了在工艺上和 理论上如何更准确、更灵敏、更快速、更及时和更经济地获取所需采集的信 号，以及被控变量的可测和可控性。文中阐明了传感器及仪表的选用方法， 上位机与各分布控制系统的通信联系。本试验台的控制系统分为上位机控制 和下层分布控制单元控制，下层单元主要包括p l c 、电磁阀控制系统、变频 器。受限于控制实时性、可靠性及通信带宽，本论文提出了采用分布式控制 系统的方案，上位机只负责给下层控制系统发出控制预期给定值，由下层控 制系统按控制模块中的控制规律进行执行元件的控制，极大地降低了上位机 与执行元件及传感器间的通信带宽要求，增强了控制的实时性。 基于虚拟仪器的试验设备为设计及检测提供了高水平的试验手段，可提 高汽车空调开发质量、缩短开发周期，增强维修的准确性，提高维修质量。 关键词：虚拟仪器，数据采集，l a b v i e w ，d a q ，计算机，软面板，输入， 输出，接口软件，汽车空调，性能测量 t h er e s e a r c ho f t e s t i n g c o n t r o l l i n gs y s t e m f o rp e r f o r m a n c e t e s t i n g o fa u t o m o b i l ea i r - - c o n d i t i o n e rb a s e d o i lv i r t u a li n s t r u m e n t t h i st h e s i se x a m i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s e n ta u t o m o b i l e a i r c o n d i t i o n e rt e s t i n g c o n t r o l l i n gs y s t e m ，p o i n t so u tt h ei n e v i t a b l e a p p e a r a n c eo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，a n de x p l a i n st h ec o n c e p to fv i i t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e ，i t sc h a r a c t e r sa n d a p p l i c a t i o n s i ta l s o c o m p a r e st h ed i f f e r e n tf e a t u r e so ft h et h r e em o s tp o p u l a rp r o j e c t s ，a n d d e v e l o p sas y s t e mb a s e do nt h em u l t i - f u n c t i o nd a t aa d a p tc a r da n dt h e g r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e w t h e ni ta n a l y s e s r e f r i g e r a t i o nt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co f t h ea u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o n e r , a n d i n v e s t i g a t e sa n dc o m p a r e st h et h e r m o d y n a m i c st h e o r ya n dm e t h o d so f t e s t i n g o f t h ea u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o n e r sp e r f o r m a n c e i ti n t r o d u c e st h em e t h o do f t h e d i f f e r e n c eo f e n t h a l p y e s p e c i a l l y t h ep r i n c i p l eo f t h i ss y s t e mi s ：u s ed a q c a r d t oa c q u i r e p h y s i c a la n a l o g a n d d i g i t a ld a t ac o m i n gf r o mc o u p l e so f s e n s o r s ， a p p r o p r i a t e l yp r o c e s st h ed a t a , t h e n t r a n s m i ti tt oc o m p u t e r b y p c i b u s ，a f t e rt h e d a t ai sd e a l tw i t h b y t h es o f a v a r e o f s y s t e m ，t h er e p o r tw i l lb ed i s p l a y e da n d p r i n t e d i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ，t h et e s t i n g - c o n t r o l l i n gs y s t e mi si l l u s t r a t e da t l e n g t h ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f h a r d w a r es t r l l c r l r e , m a i n l yt h em a k e u po f h a r d w a r e p a r ta n d t h er e a l i z a t i o no f a d a p t i n go u t e r p h y s i c a ls i g n a l a n dt h es y s t e mc o n t r o l s t h ec y l i n d e rs y s t e ma n de l e c t r o m o t o r b y t h ep l ca n dt r a n s d u c e r n e x t ，t h eg r a p h i c p r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e w i si n t r o d u c e d i na d d i t i o n , t h ef u n c t i o n so f v i r l u a ia u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o n e rt e s t i n g - c o n t r o l l i n g s y s t e m a r el i s t e di nd e t a i l t h em a i n p o i n t o ft h es y s t e mi ss i g n a lc o l l e c t sa n dc o n t r o ld e p a r t m e n t t h i s t h e s i se m p h a s i z e st od i s c u s sh o wt ob em o r e a c c u r a c y m o r es e n s i t i v e n e s s ，m o r e o nt i m ea n dm o r ee c o n o m i e s a c q u i s i t i o ns i g n a lt h a tn e e d t ob ec o l l e c t e d i nt h e t e x ts t a t e dh o w t oc h o o s et r a n s d u c e ra n dm e t e r , c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n d d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m c o n t r o ls y s t e mo f t h es y s t e mi sd i v i d e di n t o2 p a r t s ， i i p cc o n t r o la n db o t t o m l a y e rd i s t r i b u t ec o n t r o l ，b o t t o ml a y e ru n i tm a i n l yi n c l u d e p l c ，e l e c t r o m a g n e t i s m v a l v ec o n t r o l s y s t e m ，t r a n s d u c e r s u b j e c tt oc o n t r o lr e a l t i m e ，r e l i a b i l i t y , d e p e n d a b i l i t ya n dc o m m u n i c a t i o n b e l tw i d t h ，t h et h e s i sb r i n g f o r w a r dt h es c h e m eo f d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m t h e nb o t t o ml a y e rc o n t r o l o p e r a t ec o m p o n e n t w i t l lt h er u l ei nc o n t r o lm o d u l e g r e a t l yd e c r e a s e dt h en e e d o f c o m m u n i c a t i o nb e l tw i d t hb e t w e e np ca n d s e n s o r , i n t e n s i f yr e a lt i m e c o n t r 0 1 t h e t e s t i n g c o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n tc a r li m p r o v e a u t o m o b i l ea i r - c o n d i t i o n e rd e s i g nq u a l i t y , s h o r t e ni t sd e v e l o p m e n t p e r i o d ， i n t e n s i f ya c c u r a c yo fm a i n t e n a n c e ，i m p r o v er e p a i rq u a l i t y k e yw o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t aa c q u i r i n g ，l a b v i e w , d a q ， c o m p u t e r , s o f tp a n e l ，i n p u t o u t p u t ，i n t e r f a c e s o f t w a r e ，a u t o m o b i l e a i r - c o n d i t i o n e r , p e r f o f i n a n c et e s t i n g 【i l 第1 章引言 人类在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获 得客观事物的量值，这个任务我们称之为“测量”；另一方面也要采 用各种方法支配或约束某一客观事物的进程结果，这个任务我们称之 为“控制”。“测量”和“控制”是人类认识世界和改造世界的两项工 作任务，而测控仪器和系统则是人类实现这两项任务的工具和手段。 科学的发展和突破往往是以检测仪器和技术方法上的突破为先 导的。对客观世界的认识和改造活动，往往以测试工作为基础。工程 测试技术，就是利用现代测试手段对工程中的各种信号，特别是随时 间变化的动态物理信号进行检测、试验、分析，并从中提取有用信息 的一门新兴技术。其测量和分析的结果客观地描述了研究对象的状 态、变化和特征，并为进一步改造和控制研究对象提供了可靠的依据。 随着各相关学科尤其是计算机技术的不断发展，测试理论也不断地研 制和更新。测试技术达到的水平越高，就越能客观地、准确地描述所 研究的对象，对科学技术发展的推动作用也就越大。 1 1 虚拟仪器的概念 测试仪器作为科学技术发展中必不可少的组成部分，对科技水平 的提高和发展起到了很大的推动作用。人们正是通过测试获得了客观 事物的概念，掌握了其运动规律。随着科技的发展，特别是电子技术 水平的提高，极大地推动了测试技术的进步。随着信息科学的不断发 展，对信号采集、数据处理、控制操作等的技术要求越来越高，传统 的测试仪器已越来越不能满足时代的要求，特别是在较为复杂、测试 参数较多的场所，其多方面的局限性也就更为突出。电子技术的迅速 发展从客观上要求测试仪器向自动化、智能化和柔性化方向发展，同 时也为测试仪器的发展提供了技术支持。 虚拟仪器就是在通用计算机上配备必要的硬件和软件而组成，操 作人员通过操作与现实仪器面板相似的虚拟按键、旋钮等实现信号的 第l 页 武汉理工大学硕士学位论文 采集、处理，控制整个测试过程。 虚拟技术的出现，改变了过去测试仪器必须由厂家制造、用户必 须按规定程序操作而不能改变其功能的模式，用户可以充分发挥自己 的才能、想象力。按自己的意愿随心所欲地设计自己的仪器系统，满 足用户各种不同的应用需求。 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 彳。是整个仪器系统的关键。当用户的测试要求发生变化或需增加减少 测试项目时，用户只需适当地更改软件程序，即可生成满足测试要求 全新的测试仪器系统。 1 2 汽车空调性能检测特点 汽车空调试验是研究、开发、改进和鉴定空调装置性能及系统匹 配性能的重要环节。设计开发的汽车空调部件及装置总成的性能是否 满足设计要求或实际需要，系统之间的匹配性能如何，每个部件的设 计或选取是否合理，是否发挥出其最大或最佳效果，最终都需要通过 试验来确定。因此。汽车空调的性能试验非常重要。 汽车空调的运行工况恶劣，汽车空调与普通空调的试验、检测、 和考核的要求也有所区别。汽车空调系统一般需进行下列项目的试 验： 1 ) 汽车空调用压缩机试验，包括性能、可靠性及其它试验。 2 ) 汽车空调部件及系统的性能试验，以及部件的各种可靠性试验。 3 ) 汽车空调整车试验，包括道路试验和环境模拟试验。 4 ) 汽车空调的其它特别要求的试验。 本文主要论述汽车空调系统性能的测试，汽车空调系统的性能是 通过有关测试仪器，在规定的试验条件( 测试工况) 下，测定出一些相 关的参数( 如温度、压力、风速、转速、功率、电流、电压等) ，然后 通过计算确定出汽车空调的性能参数，如蒸发器风量、制冷量以及能 效比等。 第2 页 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研制汽车空调性能自动测试控制系统的必要性 近几年来，汽车工业特别是轿车行业有了突飞猛进的发展，例如2 0 0 3 年，全国汽车产量已达4 4 4 万辆，其中轿车产量为2 0 1 万量同比增长8 4 。斗。 随着国民经济的持续发展和人们对生活质量要求的日益提高，我国汽车空调 事业也有了较大的发展。全球高新技术的日新月异以及人们对保护环境与节 约能源的更加关注。汽车空调又面临许多新的发展课题。在汽车空调产品的 开发及生产过程中，需要对其许多性能如压缩机功率、蒸发器或冷凝器空气流 量、制冷量等进行测试分析，尤其是制冷量是汽车空调的一项非常重要的评 价指标。现代技术在提高汽车空调性能的同时也对其性能检测提出了更高的要 求。在进行空调性能试验时，需测取的参数有流量、风压、功率、转速及环境 参数如气温、气压等，若以人工读取表计的方法做试验，不仅耗时费力，而且 在人工读数及记录过程中易产生各种误差，试验的精度难以得到保证。近年国 内许多汽车空调生产厂家或相关的研究机构开始逐渐使用一些计算机自动检 测的汽车空调性能实验设备，其中大多数是从日本引进。设备价格昂贵。具 有内部多喷嘴结构大型风室的汽车空调性能自动测控系统的建造，在国内尚 属起步阶段，开发汽车空调性能自动测控系统替代进口对提井我国汽车空调 企业的产品试验手段意义重大。 1 4 本文的主要内容及其重点 对汽车空调性能测试系统进行设计就必须对被试件有充分的了 解：只有了解被试件的结构、工作原理、特性及其与其他部件的匹配 关系，才能对测试系统进行合理的设计，并分析得出测试系统所需的 测试数据以及该如何对这些数据进行采集、处理和分析。 在整个课题中，本人的研究内容主要是通过对汽车空调的结构原 理进行深入细致的理解分析，总结得出汽车空调性能测试系统的试验 方法( 包括试验所需采集数据、试验流程等) ，然后据此进行设计测量 控制系统，编制相应软件。本课题来源于柳州亚美汽车空调有限公司的空 调测控系统设计，亚美汽车空调有限公司原有的空调测试系统基本能满足生 产研究需要，但该测试系统较为陈旧，随着近年来计算机技术突飞猛进的发展， 第3 页 武汉理工大学硕士学位论文 其硬件配霞和测试精度、用户界面等方面已显的较为落后。本测试系统设计采 用虚拟仪器的主流软件l a b v i e w 进行编写，硬件的数据采集卡采用d a q 卡，对所 有试验数据实现了自动采集和处理，使试验流程标准化、自动化。文中综 叙了亚美汽车空调性能测试系统所做的系统设计的工作，论述了信号采集处理 空调性能工况测试控制等内容。 第4 页 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章虚拟仪器技术及其应用 2 1 虚拟仪器简介 虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用而形成的富有生命力的仪 器种类，目前，国际上存在几种比较流行的虚拟仪器的定义。一种是美国n i 公司利用虚拟现实给出的：虚拟仪器是在通用计算机上加上一组软件和或硬 件，使得使用者在操作这台计算机时，就像在操作一台自己的专用传统电子仪 器。而按照当前自动测试行业流行的说法，另一种定义虚拟仪器为：所有那些 具有仪器功能特征的基本组成单元。也包括由它们组合而成的典型仪器，以及 一些发挥计算机功能并实现更高要求的( 自动测试要求) 自动测试专用软件模 块。在这些定义中软件和计算机处于核心的地位。有人甚至将虚拟仪器简单定 义为一种具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，虚拟仪器界则更有“软件即仪 器( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t r 之说。 虚拟仪器利用p c 机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板， 完成对仪器的控制、数据分析和显示，改变了传统仪器的使用方式，极大的提 高了仪器的功能和使用效率，大幅度的降低了仪器的价格，使用户可以根据自 己的需要自定义仪器的功能。可以说，虚拟仪器的出现将“仪器”的概念推向了 一个新的纪元。虚拟仪器广泛的应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、故障 诊断及教学科研等诸多领域。 随着社会生产力的极大发展，现代化的生产要求电子仪器品种多、功能强、 精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界 面。虚拟仪器正好可以满足这些要求。 2 2 虚拟仪器的产生和发展 2 2 1 虚拟仪器的产生 始自2 0 世纪4 0 年代末的计算机革命给当代社会的发展注入了活力，计算 机的迅速发展和普及带动了各个行业的进步，有力地促进了多年来发展相对缓 慢的仪器技术的飞跃，给仪器仪表领域带来了深刻的变化：2 0 世纪7 0 年代初 期将微处理器引入仪器设计中，出现了智能仪器；2 0 世纪8 0 年代初在个人机 第5 页 武汉理工犬学硕士学位论文 上发展了个人仪器：而2 0 世纪8 0 年代后期将虚拟现实技术引入到仪器设计中， 最终发展成为虚拟仪器。 2 2 2 虚拟仪器的发展 仪器技术在其发展过程中大致经历了以下两条发展主线： 模拟仪器一数字仪器一智能仪器； 单台仪器一叠架式仪器系统一虚拟仪器系统。 第一条发展主线描述了仪器性能的发展过程。第一代仪器是模拟仪器，也 称为经典仪器。第二代仪器是数字式仪器，它是以数字电路为基础进行信息的 数字化处理和数字显示等。这种仪器的测量精度比模拟仪器高，响应速度快。 第三代仪器是智能仪器。在这种仪器中，它们的结构与计算机相同且能完成仪 器的有关功能。软件的灵活性使得智能仪器可以用各种软件算法来处理和存 储，从而大大简化了智能仪器的控制结构。对于智能仪器而言，其硬件基础是 数据处理技术，而软件对仪器的输入电路进行控制，执行采样、滤波、处理等 任务，把输入信息加工之后产生所需的输出信号送到输出电路去显示和传送。 第二条主线则揭示了自动测试系统的三个阶段，即： 单台仪器g p i b 系统一v 系统。 2 - 3 虚拟仪器的功能和特点 归纳虚拟仪器的一般特征是，虚拟仪器是以个人计算机为核心的、通过测 量软件支持的( 若干独立仪器功能由软件实现) 、具有虚拟仪器面板功能的、足 够的仪器硬件以及通信功能的测量信息处理机械。 虚拟仪器是以计算机系统为基础而发展起来的，因而它可以利用计算机内 的微处理器、存储器和显示器的基本资源。计算机的处理能力的增强是近年来 虚拟仪器飞速发展的原因之一。 虚拟仪器和传统仪器相比具有以下的特点： f 1 ) 虚拟仪器的关键环节是软件。虚拟仪器系统中除p c 机外的硬件主要用 于数据的采集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输出的 形式等都是由软件决定的。虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的 高低。 第6 页 武汉理工大学碗士学位论文 ( 2 ) 丌发与维护的费用低，系统组建时间短。当需要增加新的测量功能，只 需要增加软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利予系 统的扩展。应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，大大节 省了维护的费用，延长设备的使用寿命。 ( 3 ) 测量更准确。传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件 在不闷的p c 机上具有相同的运行效果在软件运行这方面不存在个体的差异。 ( 4 1 测量更方便。因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数 的测量需要多台仪器，使测量受连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器 只需对信号进行一次采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实 现多个参数的同时测量。 ( 5 1 具有强大的数据处理功能。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理 理论的丰富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。 从以上可见，传统仪器与虚拟仪器最重要的区别在于组成仪的核 心：虚拟仪器的组成核心是软件而传统仪器的组成核心是硬件，符合 n i 首创的“软件即仪器”思路。 2 4 虚拟仪器系统的技术方案 虚拟仪器系统的技术方案基本构成如图2 一l 所示： 图2 一l虚拟仪器系统的技术方案构成示意图 第7 页 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 各种功能软件 虚拟仪器的开发工具比较广泛，日前比较流行的软件开发技术是面向对象 的编程技术和图形编程技术，两者在虚拟仪器开发中都有应用。可视化编程 语言坏境v i s u a lc + 十、v i s u a lb a s i c 均可以用来开发虚拟仪器的配套软件，但相 比较图形编程语言来说编程难度较大，开发周期较长且不易进行更改、升级 和维护等。而图形编程语言在这方面具有无可比拟的优势，它具有简单易学， 开发周期短，开发出的应用程序界面美观，功能强大。这方面国外的例子有 h p 公司的v e e 和n i 公司的l a b v i e w 等软件。此外还有l o o k o u t 、b r i d g e v l e w 和l a b w i n d o w s c v i 等，其中最为常用的就是l a b v i e w 软件，目前版本已 经发展到7 0 版。 各种功能软件如n i 的l a b v i e w ， t p 的h p v e e 等，在整个v i 系统中 就像人的大脑一样处于主宰地位。 2 4 2 计算机及附件 包括各种高性能的计算机，具有强大的c p u 处理器及高性能高分 辨率的显示器，硬盘、光驱等，需具有3 2 m 以上内存及打印机等附件。 它们是v i 系统的心脏和动力。 2 4 3a d 采集卡和d a 采集卡 高性能模数转换器和数摸转换器，它是v i 的左右手，它们必须有 高级的定时功能如本设计采用的n i 公司的p c i - - 6 0 2 4 e 。采样频率 能达到o n1 0 0 k h z 、2 0 0 k h z 、3 3 0 k h z 、1 0 0 0 k h z 、2 0 0 0 0 k h z ( 2 0 m h z ) 甚 至更高。多路采集时必须能同步进行，实现无时差、无相移。测试通 道最少可为2 路、4 路、1 6 路、3 2 路，最多可达1 0 2 4 路。 2 4 4 传感器+ 前置抗混滤波调理放大器 它们是测试系统的基础，没有高质量的传感器和调理放大器，测 试系统就没有了基础。信号调理s c ( s i g n a lc o n d i t i o i l i n g ) 指的是传 感器采集到信号在输入d a q 卡之前，进行包括：放大、滤波、隔离、 多路复用( 电荷放大、电压放大、热电偶、积微分、应变桥路平衡、 激励电源和线性化) 等预处理。 各种高精度、可靠的传感器，像人的眼睛和耳朵一样的重要， 第8 页 武汉理工大学硕士学位论文 在v i 的发展和测试中，也起着重要的决定性的作用。要获得高质量 的测试数据还有一个重要的因素是测试技术，测试技术尽管不是 v i 的范畴，但是它在整个测试过程中起着重要的作用。 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件 组成的。从构成方式讲，则有以d a q 板和信号调理部分为硬件来组成 的p c - d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、串行总线系统、现场总线系统 等。虚拟仪器系统构成如图2 - 2 所示。无论哪种虚拟仪器系统，都是 将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式计算机或工作站等各种计算机平 台上，再加上应用软件而构成的。 现 场 总 线 殁 备 测控对象 v i x 仪 器 审 行 口 仪 器 p l c g p 【b 接口 仪器 信号 调理 习l 纛 接口膏fl 。嵩 图 象 采 集 旨 d s p 1 ：业自动化软件 b r i d g ev i e w l o c k o m c o n m p o n e n t w o r k 测量与分析软件 l a b v i e w ( v e e ) l a bw i n d o w s c v i c o m p o n e n tw o r k sh i q v i r m a lb e n c hi v i p c 机工作站 传统编程语言 v i s u a l c + + v j s u a lb a s i c c + + 1 3 u i i d e r d e l p h i 等等 图2 2虚拟仪器体系结构 虚拟仪器是具有虚拟面扳( v i r t u a lp a n e l s ) 的个人计算机仪器， 由硬件设备与接口，个人计算机、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。 其中，硬件设备与接口可以是各种以p c 为基础的内置功能插卡( 如 d a q ) 、通用接口总线( g p i b ) 接口卡、串行口、v x l 总线仪器接口等设 第9 虹 武汉理工大学硕士学位论文 备，或者其它可程控的外设测试设备；设备驱动软件是直接控制各种 可控制硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过低层设备驱动软件与真实 的仪器系统进行赢接通信，并通过虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕 匕显示真实仪器操作元素相对应的各种控件；虚拟仪器面板应用程序 负责对采集来的数据进行数据分析、图形显示、数据存储以及数据打 印等操作，面板上的按钮对应各种功能，并伴有动态的丰富的帮助， 这样不仅充分实现单键操作( s i n 9 1 eb u t t o no p e r a t i or ) 和o s d ( o n s c r e e nd is p l a y ) ，而且用户对虚拟仪器面板的操作比对真实仪器的 操作更为方便。 虚拟仪器必不可少的部件是仪器硬件，即模数转换器、数模转换器、 数字量输入输出、定时、信号处理和信号源等。而两个快速发展的硬件是插入 式数据采集卡( d a q ) 永i 计算机仪器总线v x i d a q 已有兆赫级的采样速度， 精度可达2 4 位。高精度仪表放大器( i n s t r u m e n t a t i o na m p l i f e r ) 、增量调制模 数转换器、高性能抗混淆滤波器( a n t i a l i a s i n gf i l t e r ) 和多通道全程控信号波形处 理器是这些硬件的精华。v x i 将g p i b 技术和计算机总线相结合提供一个高速 的工业标准。 选定计算机和必需的仪器硬件后，构造和使用虚拟仪器的关键是应用软 件。目前应用软件有三个主要功能：提供一个集成的开发环境，一个与仪器硬 件的高级接口以及一个虚拟仪器用户接口。应用软件给出一个彼此相容的集成 框图，把虚拟仪器的硬件和软件结合在一起，进行数据的采集和控制、分析和 显示，以及与用户接口的功能。其中重要的一种是图形研制环境，例如， l a b v i e w 图形软件的开发，个人计算机和工作站计算性能的进步和图形接口 的标准化已使更流行的平台适合于图形研制环境。应用软件对仪器的硬件提供 一个高水平的可视编程软件模块。用户不必对g p i b 、v x i 和d a q 有专门的 了解，就可以有效地使用硬件选件来控制专门仪器的软件模块。控制专门仪器 的软件模块称为仪器驱动器。使用仪器驱动器用户可以容易地将一些仪器与数 据分析、数据显示和用户接口代码结合起来创建虚拟仪器。虚拟仪器软件不仅 包括一般用户特点，如菜单、对话框、按键和图示，还应有旋钮、条纹表格， 可编程光标和数字显示等，这些都是仪器应用所必须的。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 虚拟仪器的软件开发环境 2 5 1 概述 应用软件丌发环境是设计虚拟仪器所必须的软件工具。在确定的 硬件基础条件下，构造和使用虚拟仪器的关键就是应用不同的软件实 现不同的功能。虚拟仪器的应用软件主要包括：集成的开发环境、与 仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。 目前，较流行的虚拟仪器软件开发环境大致有两类：一类是图形 化的编程语言，代表性的有h p v e e ，l a b v i e w 等：另一类是文本式的 编程语言，如c ，l a b w i n d o w s c v i ，v is u a lc + + 等。 文本式编程语言和图形化编程语言相比，语言灵活性较好，用户 可以灵活的添加功能：而图形化编程语言具有编程简单、直观、开发 效率高的特点。 近年来，基于p c 机和工作站基础上的图形接口标准和计算机计 算能力的提高，促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及。 图形开发方式为每一个虚拟仪器提供了可重用的代码模块，并允许用 户从其它代码模块中分级调用。这些重用部分是一些封装良好的、原 子性的程序代码：理想情况下，重用部分应与硬件i c 一样，可以不 经过任何修改而被直接“插接”到其它程序中去。典型的重用部分包 括函数库、过程程序包、宏、类、库等，它们通过各自的接口被组装 在一起，每一部分完成特定的功能。 在虚拟仪器图形软件开发平台研究方面，n i 公司的l a b v i e w 软件 开发平台最具代表性。 2 5 2l a b v i e w 开发环境 美国国家仪器公司的l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t e n g in 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) 作为一种图形 程序设计语言，其最大特点就是：采用全图形化编程，在计算机屏幕 上利用其内含的功能库和开发工具库产生一个前面板，用来为测试系 统提供输入值并接受其输出值 该面板在外观和操作上模仿有形器 件，在功能上则同于一般惯用的语言程序。l a b v i e w 内部集成了大量 武汉理丁大学硕t 学位论文 的生成图形界面的模板，如各种开关、旋钮、指示灯等，包含了组成 一一个仪器所需的主要部件，而且用户也可方便地设计库中没有的仪 器。 它还以块图方式继承了语言编程中结构化、模块化的编程特点， 并可通过d l l 、共享库、o l e 等与外部代码 o ) 校验 3 为m 表4 3p c 写命令帧 掣 字仃字1 y字1 y字1 i# 1 ，亍i j字1 y 2345 - 67 - 89 8 + m9 + m 0 - 3 120 一f f0 一f f f fi f f 前0 为i 数据 b c c 导p l c 2 一写 l 为q偏移 个数数据 校验码地址2 为v地址 ( m o ) 2 5 h3 为m 表4 4p l c 读响应帧 字节字节字节宇节字节字j 字节 1 34 - 5右一78 7 + n8 + n 0 - 3 1o - f f0 一f f f fl - f 6 煎0 为i 数据 导p l ci 为q偏移 个数数据 b c c 码地自h2 为v地址 ( m o ) 校验 2 5 h3 为辅 第3 2 瓤 武汉理t 大学倾 j 学位论文 表4 5 其它响应帧 字1 y 字节字节字节 1234 1l 2 l h ) 0 3 l0 一f f 前 导 p l c错误b b c 地址码码 码 错误代码定义：写命令成功帕o 、帧格式错误o i 、帧校验错误0 2 、超时错误0 3 4 9 3 2p l c 中实现自由口协议的程序流程 主张序 土 通讯初始化 ， 开中断 图4 - 9p l c 中实现自由口协议的程序流程 武汉理工人学硕= l 学位论立 4 9 4 变频器与主机的通讯 4 9 4 1 参数设置 为了使变频器与计算机之间能够进行正确的通信，必须在变频器内设置与通 信有关的参数如站号、通讯速率、停止位长字节长、奇偶校验等。当两台或 以上变频器接到一台计算机上时，就需要设置变频器站号，设定范围为o 一3 1 。 通讯速率可选择4 8 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s 、1 9 2 4 1 0 b p s ；字节长可选择7 8 位；停止 位可选择l 2 位：奇偶校验可选择有无等等。变频器内的1 1 7 一1 2 4 号参数 用于设置通信参数。 4 9 4 2r f e 5 0 0 安川变频器的通讯协议 三菱i l f e 5 0 0 串行通信采用a s c i i 码传输模式。数据格式类型如f ： 4 9 4 2 1 从计算机到变频器的通讯请求数据 l22l n21 字符数 注：n 可视具体情况取2 、4 、6 4 9 4 2 2 输入数据时从变频器到计算机的应答数据 没发现数据错误： i 3a c ki 变频器站号l + 4i l2i字符数 发现数据错误： i + 3a c kl 变频器站号l 错误代码1 + 4l 121 1 字符数 4 9 4 2 3 读出数据时从变频器到计算机的数据发送 注：n 可视具体情况取2 、4 、6 。 字符数 武汉理工太学硕十学位论文 发现数据错误： f + 3n a kf 变频器站号f 错误代码 + 4f l2 11 字符数 变频器站号可用十六进制在h 0 0 和h 1 f ( 站号o 一3 1 ) 之间设定。+ 3 表示 控制代码。4 表示c r 或l f 。c r 或l f 的有无必须根据计算机来确定。5 舰定变频器收到计算机来的数据和传输应答数据之间的等待时间。指令代码由 变频器手册给出，对于不同的运行指令有不同的数据。总和校验码是由被校验 的a s c i i 数据的总和( = 进制) 的最低一个字节( 8 位) 表示的2 个a s c i i 数字f 十 六进制) 。和校验范围从“站号”开始到“数据”结束。+ 3 表示的控制代码定 义如表4 5 所示。 表4 5 变频器指令代码 信号a s c | i 码说明信号a s c t i 码说明 s t xh 0 2 正文开始( 数据开始) l fh o a 换行 e t xh 0 3正文结求( 数据结束)c rh o d 回车 e n q h 0 5商询( 通讯请求)n a kh 1 5 不承认( 发现数据错谡) a c kh 0 6承认( 没有发现数据错误) 第3 5 虹 一些竖些三查兰曼主兰丝垒兰 第5 章汽车空调性能测控系统的测试软件设计 5 1 测控系统概述 本测控系统的软件用l a b v i e w 编制。界面友好、操作直观。根据虚拟仪 器功能的需要， 该测控系统按流程和主要功能可以划分为三个模块：测试前 的准备，测试过程的控制和测试结果的处理。测试前的准备主要是给出一些测 试过程中需要的信息，如空调器型号、风机出口面积、大气压力、测试工况设 定、用户对系统的测试精度和稳定性的要求等，以及控制系统达到测试的稳定 状态。在这一阶段，实验人员可以让系统实现全自动的测试，也可以根据情况 与控制软件交互，如手动调节喷嘴的状态、跳过系统稳定性判别阶段、修改设 定的误差等，在此通过基本信息选项卡来实现。当进入测试控制阶段，软件的 功能主要是采集现场的数据，并实现对测试过程的控制。测试完成后，由软件 自动控制测试的结束工作，如切断风机电源、复位喷嘴的状态等。测试的数据 自动保存在数据库中，为绘制各种风机性能曲线和日后实验数据的查询整理提 供数据来源。当点取绘制曲线按钮对，系统弹出并启动绘图软件。要求实验人 员装入对应的数据文件，装载数据文件后，可以选取相应的数据绘制曲线并输 出到打印机。在本次软件测试系统中，应用程序共分为五大模块，其中包括空 气流量试验、制冷量试验、压缩机功率三个专用检测子系统，一个数据显示 子系统，一个仪器控制子系统。整个系统结构如图5 一l 所示， 武汉蛙t 大学顾 学位论文 图5 一l汽车空调测试系统前面扳 l a b v i e w 是一种带有图形控制流结构的数据流模式，这种方式确保程序 中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是说，在这种数据流程序 的概念中，程序的执行是数据驱动的，一个目标只有当它的所有输入有效时刊。 能执行：而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样，l a b v i e w 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不象文本程序受到 行顺序执行的约束。从而，可以通过相互连接功麓方框图快速简洁地开发应用 程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。用l a b v i e w 编制出的图形化v i 是分层次和模块化的。可以将之用于顶层( t o pl e v e l ) 程序也可用作其它程序 或子程序的子程序。一个v i 用在其它v i 中称之为s u b v i ，s u b v i 在调用它 的程序中同样是以一个图标的形式出现的。l a b v i e w 依附并发展了模块化程 序设计的概念，用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务 还可以迸一步分解成许多更低级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许 多子任务的组合。首先设计s u b v l 完成每个子任务，然后将之逐步组台成能够 解决最终问题的v i 。 在l a b v i e w 平台上开发台信号分析仪器。其主要功能应包括：数掘采 第3 7 页 武汉理工人学硪l = 学位论艾 集、信号分析和处理、数据文件存储、文件读取。由于i ，a b v 【e w 是基于模块 化程序设计思想，阂此在丌发过程中基本上需遵循着这一基本思想，在总体方 案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块最后再集成和调试。 在虚拟仪器前面板中，采用的t a b 结构，由多张选项卡构成了多个独立的 检测仪的界面，而相关的d a q 号( d e v i c e # ) 和通道号( c h a n n e l # ) 以及有关待 检空凋信息等相关没置均在第一张选项卡上完成。 每个测试模块可以独立使用，在信号采集完成后，还可进行数据保存、图 蕞打印以及网页发布等操作，方便用户对数据的进一步处理。 5 2 测试部分软件结构框架 按软件流程结构框架划分，各单独检测仪具有相似的结构，进一步可：降各 个检测子系统进行划分，根据虚拟