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南京理工大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的汽率试验信息采集与处理系统研究 摘要 本文在对汽车基本性能试验与虚拟仪器技术进行分析的基础上，结合南京汽车集团技 术中心的具体需求，开发完成了基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统。 全文归纳、总结了汽车基本性能试验所涉及的直接获取参数与间接获取参数，确定了 系统开发所使用的综合测试仪、数据采集卡与传感器等硬件设备，发挥图形化语言与计算 机高级语言的优势，完成了基于d a s y l 曲的信息采集子系统与基于v b 的信息处理子系 统的详细设计，实现了汽车基本性能的分值评价，构建了支持系统运行的数据库，设计了 应用程序与数据库以及应用程序模块之间的数据接口，最后给出了完整的运行实例。本系 统在设计过程中充分体现硬件与软件、采集与处理的多角度抗干扰思想，采用巴特沃思数 字滤波、奇异点剔除、滑动平均二次数字滤波以及曲线拟合等诸多算法以提高汽车试验信 息采集与处理的可靠性。本项研究成果经南京汽车集团技术中心试运行，完全达到并超过 原设计指标要求，成效明显。 关键词：汽车试验虚拟仪器信息采集信息处理 ，f f ll【t p 南京理工大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的汽车试验信皂采集与处理系统研究 a b s t r a c t a f t e rm a k i n gat h o r o u g hi n v e s t i g a t i o no fa u t o m o b i l ee x p e r i m e n t sa n dv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y , a n df u l l yc o n s i d e r i n gt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fn a n i i n g v e h i c l eg r o u p t e c h n o l o g yc e n t e r , i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n & p r o c e s s i n gs y s t e mf o ra u t o m o b i l e t e s t sb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , i sd e s i g n e d f i r s t l y , i nt h ep a p e r , d i r e c ta c x l u i r e dp a r a m e t e r sa n di n d i r e c ta c q u i r e dp a r a m e t e r so f a u t o m o b i l et e s t sa r ec o n c l u d e d s e c o n d l y , t e s t i n gi n s t r u m e n t d a t aa c q u i s i t i o nc a r d sa n ds e n s o r s ， w h i c ht h es y s t e mn e e d s ，a r ee o n f m n e d t h i r d l y , t h r o u g hg i , ，i n gf u l lp l a yt ot h ea d v a n t a g e so f g r a p h i cl a n g u a g ea n dh i g h - l e v e ll a n g u a g e ，i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns u b s y s t e mb a s e do n d a s y l a ba n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs u b s y s t e mb a s e do nv ba r ec o m p l e t e d f o u r t h l y , t h e e v a l u a t i o no f t h ec a p a b i l i t yo f a u t o m o b i l eu s i n gm e t h o do f p o i n tr a t i n gi si m p l e m e n t e d f i f t h l y , t h ed a t a b a s ei sc o n s t r u c t e d , a n dt h ed a t ai n t e r f a c eb e t w e e nt h ep r o g r a ma n dt h ed a t a b a s ei s d e s i g n e d f i n a l l y , aw h o l er u np r o c e d u r eo ft h es y s t e mi sd e m o n s t r a t e d i nt h ep r o c e s s i n go f d e s i g n i n g ，a n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d sf r o mv a r i o u sa n g l e sa l ea d o p t e d ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n d s o r w a r e ，a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h er e l i a b i l i t y o fs y s t e mi si m p r o v e dt h r o u g hs e v e r a l k i n d so fa r i t h m e t i c s u c ha sb u t t e r w o r t hd i g i t a lf i l t e r , s i n g u l a rp o i n t se l i m i n a t i o n , s l i d i n g a v e r a g es e c o n dd i g i t a lf i l t e ra n dc u r v ef i t t i n g t h es y s t e mh a sb e e nr u n n i n gi nn a n j i i n gv e h i c l e g r o u pt e c h n o l o g yc e n t e r , a n di sb e y o n dt h er e q u i r e m e n to f o r i g i n a ld e s i g nt a r g e t s k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ，t e s t v t r t u a li n s t r u m e n t , i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：痊垫生磁莎月嚣日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：鏖釜扬蟛年月谚日 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器的汽车试验信息采寞与处理系统研究 1 绪论 i 1 论文选题背景 在我国现代化、工业化进程中，汽车产业已成为国民经济增长的一个亮点。汽车基本 性能试验是整车定型投产的必经过程，是车型改良更新的重要依据，是汽车性能检验的基 本手段。将各种新技术应用于汽车基本性能试验信息采集与处理过程，必将对汽车产品的 开发与改型进程产生深远的影响。 随着“十一五”规划的出台，国家开始调整汽车产业布局，对汽车行业进行全盘整 顿，大力扶持几家大型汽车制造企业，为振兴民族汽车工业创造条件。南京汽车集团技术 中心充分认识到当前的大好形势，为了提高企业产品质量，增强市场竞争力，提出利用虚 拟仪器技术更新现有的汽车试验手段，研制功能更强、集成度更高的综合测试系统，从而 提高试验工作效率与自动化程度，降低试验成本，使企业的科研水平跃升到新的层次并为 企业后续竞争力的增强创造条件。 1 2 汽车基本性能试验概述 汽车基本性能试验主要包括动力性、燃油经济性、制动性、操纵稳定性、平顺性以及 通过性等试验。国家标准规定汽车出厂前必须进行以下六类十八项基本性能试验【1 l ： ( 1 ) 动力性试验：最高车速试验；爬陡坡试验；加速性能试验。 ( 2 ) 经济性试验：直接档全油门加速燃料消耗量试验；等速燃料消耗量试验； 多工况燃料消耗量试验：限定条件下的平均使用燃料消耗量试验。 ( 3 ) 制动性试验：制动系统性能试验。 ( 4 ) 操纵稳定性试验：蛇行试验；转向盘转角阶跃输入试验；转向盘转角脉冲输入试验； 转向回正性能试验；转向轻便性试验；稳态回转试验。 ( 5 ) 平顺性试验：平顺性脉冲输入试验；平顺性随机输入试验。 ( 6 ) 通过性试验：最小转夸直径测定试验；地形通过性试验。 通过进行以上汽车基本性能试验，可以客观，科学、完整地了解与评价汽车的基本性 能。对汽车基本性能进行充分掌握，无论在汽车设计研发阶段，还是定型投产阶段均非常 必要。 由于通过性试验不涉及信息采集与处理技术，故本课题未将其列入讨论范畴。 南京理工大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统研究 1 3 虚拟仪器的基本概念 1 3 1 虚拟仪器概念的提出 测试技术的发展以测量仪器的创新为基础，期间经历了以模拟仪器、电子仪器、数字 仪器、智能仪器为基础的若干发展阶段【2 】，现今已进入以虚拟仪器为技术前沿的全新时期。 一切技术革新均源于对原有技术的改进乃至摒弃，基于虚拟仪器的测试系统概念的产 生亦遵循此道。 1 3 1 1 传统测试系统的缺点 传统的测试系统一般采用各种专用仪器对信号进行采集、处理与分析。传统的信息采 集与处理方式存在诸多缺点： ( 1 ) 独立的传统仪器性能强大，但被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作， 进行复杂试验时，所需设备种类繁多，操作复杂，对操作人员的技术水平要求较高。 ( 2 ) 用户通常无法对传统仪器或已定型的自行开发仪器的功能加以自定义、更新或扩展【3 】。 仪器的功能由内置电路或机械结构决定，控制方式无法随不同用户的要求与习惯改变。 ( 3 ) 开发专用仪器需要采用多种不同技术与高成本元器件，从而造成成本颇高且极难更新 【4 l 。并且由于专用仪器数量的累积，使得传统的信息采集与处理系统所需设备的总体 价格昂贵。 ( 4 ) 设备体积较大，不适宜在试验现场完成全部实时数据采集、处理与分析过程，每次试 验只能测出一些基本量，试验后还需花费大量时间人为对数据进行一系列转换、计算， 最后才能得到所需结果，无法适应信息化社会对高效率的要求。 1 3 1 ，2 虚拟仪器的思想 为了克服基于传统仪器的测试系统的种种缺陷，虚拟仪器的概念应运而生，使测试技 术出现突破性进展。 虚拟仪器的概念最早由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 于1 9 8 6 年提 出。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v 1 ) 是用户在通用计算机平台上根据需求定义和设 计仪器的测试功能，通过增加相关硬件和软件，构建而成的具有可视化界面的可重用的测 试仪器系鲥5 1 。 虚拟仪器是测试技术与计算机技术综合集成的产物。虚拟仪器概念的出现，打破了传 统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自身需求设计自己的仪 器系统，在测试系统中尽量用软件替代硬件，充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器 的功能。“软件就是仪器”【日是对虚拟仪器概念最简单、最本质的表述。 2 南京理工大学硕士学位论文 基f 虚拟仪器的汽车试验信息采集弓处理系统研究 1 3 2 虚拟仪器技术的特点 虚拟仪器相对于传统仪器优势显著，其特点可概括为以下五个方面： ( 1 ) 仪器功能由用户自行定义 虚拟仪器通过为用户提供组建仪器的可重用源代码库，使得用户能够极其方便地组合 各种功能，修改仪器的面板，设计仪器的定时和触发，实现与外设、网络的即时通信网。 虚拟仪器作为一种软件化的测量装置，其灵活性和复用性给予用户充分发挥自身能力的空 间。 ( 2 ) 丰富并增强了传统仪器的功能 信号处理理论的不断完善以及计算机运算速度的显著提高，为虚拟仪器快速、准确处 理数据提供了良好基础。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、输出以及其它管理功能集中 交由计算机处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输与发布能力，使得组建系统变 得更为灵活、简单。高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等己成为虚拟仪器的标 准配置。另外，虚拟仪器采用基于计算机的开放式标准体系结构，既可作为测试仪器独立 使用，又可与周边设备互联或通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程 测试、监控与故障诊断【8 】。 ( 3 ) 测量稳定性与重复性好 虚拟仪器采用软件代替传统仪器的某些硬件，从而减少了可能随时问漂移、需要定期 校准的分立式模拟硬件的数量，弱化了电缆长度、阻抗、修正因子差异造成的影响，加上 标准化总线的使用，使仪器的测量精度与测试的可重复性均大为提高f 9 j 。 ( 4 ) 经济性好 采用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，可大大节约仪 器购买与维护的费用。仪器的性能改进与功能扩展只需更新相关软件设计，而无需购买新 的仪器设备，从而节省了研究经费。 ( 5 ) 系统构建周期短，易于进行功能扩展 虚拟仪器的结构与组成具有模块化、规范化的特点。模块化的仪器卡支持相同的公用 硬件平台。当希望测试系统增加一个新的测量功能时，只需增加一个通用模块来扩展系统 的测量范围即可，因此，系统的组建与实施周期大为缩短。 1 4 虚拟仪器技术在汽车性能试验中的应用 1 4 1 国外应用情况 塑塞堡三盔羔堡主堂垡堡塞 薹王童型! 墨墨塑姿兰蔓墼笪星墨塞兰丝堡墨堕堡塞 欧美、日本等发达国家在利用虚拟仪器改进测试技术方面进行了大量研究工作，根据 实际需求开发出大量类型、功能、规模不一的测试系统，并将其应用于工业生产、科学研 究乃至日常生活等诸多领域，从而使产品的质量、科技含量以及企业的生产效率均有大幅 度提高。基于虚拟仪器的测试系统在汽车试验领域已得到广泛应用。美国b & b 公司以 n i 公司的l a b v i e w 和p x i s c x i 为平台，开发了车内测试系统( r v d a s ) ，该系统的s c x i 机箱内嵌入各种信号调理模块，模块的模式由信号种类决定，各种信号采集与处理的整合 由l a b v i e w 程序来完成。i v d a s 的优越性来源于使用p x i 和s c x i 所带来的灵活性和可 升级性，可完全代替传统的数据记录仪【1 0 1 。另外，在w d a s 基础上还派生出多种满足不 同需要的汽车测试系统，如发热监测系统、声学刹车测试系统等【1 1 1 。德国大众汽车公司 的风洞试验完全由l a b v l e w 软件编制的程序进行控制，用于“六元素平衡”( 阻力、侧力、 升力、转动、偏仰力矩以及偏航力矩具有同步的决定性) 的汽车控制、数据采集与数据评 估t z 2 。日本丰田汽车公司的质量评估部门采用w a v e b o o k 5 1 6 测试仪与 w b k l 4 w b k l 5 w b k l 6 数据采集卡，开发了基于d a s y l a b 平台的测试系统，在实验室 与室外试验中对加速度、位移、压力、应变等各种信q - 进行测量，用于车辆品质评估1 3 1 。 1 4 2 国内应用情况 长期以来，国内汽车企业在进行国家强制性试验时，仍然需要携带大量汽车专用试验 仪器，以满足不同试验对信息采集与处理的需要，并且大量后处理工作无法完全在试验现 场进行。近年来，随着虚拟仪器技术的发展，国内一些企业、工程单位、研究机构以及院 校均相继进行了一些针对汽车领域的数据采集与处理系统的开发研制工作。但这些系统的 应用范围大多较为狭窄，主要针对一两项专门的试验。例如，2 0 0 3 年清华大学汽车安全 与节能国家重点实验室研制的汽车碰撞试验电测量系统【1 4 1 ，重庆大学设计的汽车平顺性 测试系统j 1 5 】等均以虚拟仪器技术为核心，通过开发不同的功能模块，得到满足需求的测 试系统。 到目前为止，国内针对多项汽车基本性能试验的综合性信息采集与处理系统比较罕 见。东风汽车集团曾研制过汽车多功能测试仪以及与之配套的数据处理系统( c s y ) 并予以 出售。但此系统的数据采集部分所应用的测试技术较为落后，并且数据处理软件中欠缺多 项重要试验以及后续数据分析功能，其操作亦多有不便之处，南汽集团引进该套系统后应 用效果欠佳。 1 5 课题的理论意义及应用价值 自里塞堡工丈学硕士学位论文基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统研究 虽然虚拟仪器技术已成为国外企业广泛使用的测试方法，世界五百强工业企业中有 9 0 采用该技术进行生产，但在我国仍处于推广阶段。如何利用国外先进的虚拟仪器软、 硬件技术平台，搭建符合我国汽车制造企业生产需要的测试系统，减少我国汽车行业以合 资谋求发展过程中完全实行“拿来主义”的尴尬，是本课题的真正意义之所在。因此，本 课题所要进行的工作是针对南汽集团汽车试验的具体情况，探讨如何将除传感器之外的信 息采集、处理、分析与管理等一切功能融于尽可能少的设备中。这样一方面可以将试验人 员从繁杂的仪器设备中解放出来，发挥虚拟仪器的强大功能，提高企业的工作效率，节约 试验过程中对人力、物力、财力的投入；另一方面，试验设备的减少将相应缩短信号传递 过程，排除大量干扰环节，提高试验精度，使试验结果与理想情况的贴合更为紧密。 1 6 课题的研究内容 本课题的研究内容包括以下七个方面： ( 1 ) 汽车基本性能试验参数的类别分析， 汽车基本性能试验待测参数种类复杂、数量繁多，因此课题在遵循国家相关标准的基 础上，依照南汽集团具体试验情况，对其进行归纳与总结，并根据测试参数的具体特点， 将其划分为不同类别，从而选择适宜的参数获取方式。 ( 2 ) 基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统总体设计 根据企业需求，将系统划分为信息采集子系统与信息处理子系统分别进行研究。确定 系统所需的硬件设备、软件开发平台、数据库系统、数据接口模式等内容。 ( 3 ) 基于d e w e t r o n 与d a s y l a b 的信息采集子系统设计 采用d e w e t r o n 综合测试仪与d a s y l a b 虚拟仪器软件开发平台，设计试验信息采 集子系统，在此基础上完成从通道清零、数据滤波、信号标定、频谱分析、信息显示到数 据记录等一系列测试过程。 ( 4 ) 基于v b 与数据库技术的信息处理子系统设计 为了兼容南汽技术中心现有的大量试验电子文档，根据企业要求采用v b 与数据库技 术实现试验信息的处理工作，具体包括： 汽车试验信息数据库技术研究； 根据直接获取参数，依照理论模型，计算出间接获取参数； 根据试验标准，进行包括均值、极值、方差等数值计算在内的数据统计与信息汇总工 作； 研究绘图技术的程序实现方式，形成散点图，实现对曲线的自由截取； 5 南京理工大学硕十学位论文基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统研究 选取适宜的软件抗干扰算法，实现奇异点剔除、数字滤波等功能； 根据试验具体要求，实现曲线拟合功能； 输出试验图表： 以试验数据为基础，对汽车单项基本性能与综合性能进行科学的分值评价。 ( 5 ) 系统可靠性分析 在进行汽车基本性能试验过程中，测试设备、仪表、被测对象以及试验者本身均会不 同程度地受到各种因素的影响，论文对影响系统可靠性的因素进行了分析，并提出了具有 针对性的解决方案。 6 南京理工大学硕士学位论文摹于虚拟仪嚣的汽车试验信息采集与处理系统研究 2 基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统总体设计 2 1 系统需求分析 系统需求分析是确定待开发系统的功能、性能、数据、界面等具体要求的过程，是系 统设计周期中的一个重要阶段。由于南汽工作人员具有非常丰富的汽车试验方面的经验， 而笔者在虚拟仪器测试技术以及计算机技术方面较企业人员更具优势，通过与南京汽车技 术中心的技术主管以及试验人员进行广泛交流与深入探讨，最终形成了完整、清晰、一致 的系统需求： ( 1 ) 系统划分为基于d a s y l a b 平台的信息采集子系统与基于v b 平台的信息处理子系统 两部分。其中信息采集子系统可正确运行于d e w e t r o n 综合测试仪，信息处理予 系统可分别正确运行于d e w e t r o n 综合测试仪与企业内部计算机。 ( 2 ) 系统能够支持汽车基本性能试验所涉及的全部传感器。 ( 3 ) 保证采集过程中数据无丢失。 ( 4 ) 系统能够实现滤波、信号标定、频谱分析、实时显示等功能。 ( 5 ) 所采集的试验信息可顺利导入数据库并保存为文本格式，从而实现信息采集子系统与 信息处理子系统间的数据无缝连接。 ( 6 ) 能够对异常数据点进行自动剔除，实现x y 散点图的曲线绘制与自由截取等功能。 ( 7 ) 根据直接获取参数，依照理论模型计算出间接获取参数。 ( 8 ) 系统能够进行包括均值、极值、方差等数值计算在内的数据统计与信息汇总工作； ( 9 ) 系统能够对各类性能曲线进行拟合。 ( 1 0 ) 具有对各类信息、数据进行查询的功能。 ( 1 1 ) 具有较高的可靠性、安全性。 ( 1 2 ) 系统维护简单。 ( 1 3 ) 系统界面直观，操作模式清晰。 2 2 试验参数分类汇总、 汽车基本性能试验的待测参数种类复杂、数量繁多。在遵循国家相关标准( 详见参考 文献【1 6 】) 的基础上，依照南汽集团具体试验情况，对其进行归纳与总结，并根据测试参 数的具体特点，将其划分为直接获取参数与间接获取参数两大类。其中直接获取参数通过 传感器采集，经信息采集子系统预处理，存入数据库。信息处理予系统调用数据库中的直 塑塞垄三盔兰塑主堂垡堡塞墨至蹩塑堡墨堕塑兰蔓墼堕塞墨塞皇丝矍墨堑至塞 接获取参数，进行二次处理与计算，得到间接获取参数，作为反映汽车基本性能优劣的评 价指标。 汽车基本性能试验的直接获取参数见图2 i ，间接获取参数见图2 2 。 鞒媳釜蝼船繇毯拦牲埒剥廿_【n匝 塑室型三盔兰堕主兰堡堡塞 墨至壁塑堡堡笪塑主蔓墼堕星墨墨蔓墼堡墨竺堕塞 翻 强 糕 型 幡 婚 抖 椒馨罩 世霸拇馨阜 型 堞 盘 翅 鬈 萎薏 莲心碡圣卜g 饕蕃罂耀 蚺“嚣譬聋罄球栅 搬缎睾善餐葚罂耀删 埘颦霉瑶未瘿撼埘 牛鳍舟捌 皤堆小嘲 2 3 系统硬件的选取 * 球罨星世 叫嚣星型 吾芒球蓬g 承但景髑魁 水柱遽暴暮鹰援靳g 球暂* g 蔓 馨辣坦蠲型蛹授钕霸筚 鼙馨啦舞剖碣钕船 霉蔷爱驾嚼赫 群薏将i 程蜓正黜型互嚣静彝g 颦鼹援瑚世血霉醑 餐缸鼙胖难翻趔鬻萼栅露霉 鬃瓤颦琏援鬻型露培 嚣馊苔互霹g 馨厦相串= 霄鸯肇r 日理 馨雹姐 霹世矩r 最霹磐 簿星谁鲁- 霹蟹鞋长 忑趸丽i 面百可配 鬈星帮毫暖雷 馨厦翱曩$ 旺r 霸萼 馨雹帮蛋 宰暖式蠡露坦 数据采集是虚拟仪器获取信息的主要方法。汽车试验信息采集子系统的硬件由综合测 试仪、数据采集模块和传感器三部分组成，其结构原理见图2 3 。 9 妊舔鍪蜒匠替墨盟掣辱蝴*nn匾 嚣缮 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统研究 图2 3 汽车试验信息采集子系统硬件结构原理图 2 3 1 综合测试仪 依照系统研制的目标，汽车试验信息采集与处理系统需要具有较高的系统集成度，应 尽可能减少采集设备的数量，充分体现采集与处理一体化的思想。因此，本课题选用德国 d e w e l r o n 公司生产的综合测试仪作为系统虚拟仪器的主要硬件平台。 近年来，各种先进的虚拟仪器数据采集工具层出不穷，其中以美国m 公司与德国 d e w e t r o n 公司所研制的仪器最具代表性。基于n i 公司产品的数据采集与处理系统需包 含p c 机、p x i v x i g p i b 仪器、传感器三大组成部分。相比较而言，d e w e t r o n 具有更高 的系统集成度与性价比。d e w e t r o n 综合测试仪属于p c d a q 虚拟仪器。与普通d a q 测 试系统不同之处在于，d e w e t r o n 本身既担当了主控计算机的角色，又具备信号调理功 能，集整流、滤波、稳压、隔离等功能于一身，使系统设计者省略t n 控电路的研制工作， 从而大大缩短设计周期，降低设计难度，更为有效地保证测试精度。 d e w e t r o n 综合测试仪属即插即用型仪器，可配置近百种数据采集卡，满足不同用 户的各种数据采集需求，因此，在进行汽车基本性能试验时，试验员只需携带一台 d e w e t r o n ，根据测试项目选用不同的传感器，并配备与之相对应的数据采集卡，即可 完成从数据采集、数据分析、数据处理到数据管理等一系列过程。d e w e t r o n 可安装各 种用户所需的虚拟仪器软件，如l a b v l e w 、d a s y l a b 、d i a d e m 、h p - v e e 、t e s t p o i n t 等， 进行进一步的数据处理与分析。d e w e t r o n 本身已与w i n d o w s 操作系统相集成，具有微机 的全部功能，可安装各种应用软件。 d e w e 2 0 1 0 综合测试仪是d e w e t r o n 系列便携式数据采集产品之一，自身具有1 6 个 彼此隔离的数据采集通道，可同时协同最多1 6 个d a q 数据采集模块联合实施数据采集，另 外通过连接外部扩展机构可将通道数扩展至2 5 6 个【m 。d e w e - 2 0 1 0 可承受的温度范围为 - 2 0 7 0 ，湿度范围为1 0 8 0 ，抗振性能符合m i l - s t d8 1 0 c 标准，完全满足进行汽车 基本性能试验的工作环境要求。 d e w e 2 0 1 0 与数据采集模块之间通过r s 2 3 2 4 8 5 接口进行通讯，数据采集模块采用 r s - 4 8 5 接口与d e w e 2 0 1 0 主机箱相连。d e w e - 2 0 1 0 主板上集成有r s 2 3 2 4 8 5 转换器，该转 换器将采集的数据信息从r s - 4 8 5 接口读入，对其进行转换，在d e w e - 2 0 1 0 1 为部通过r s - 2 3 2 处理系统酽究 向见图2 4 。 2 3 2 1 数据采集模块的选择依据 计算机所能识别的信号仅限于数字信号，而大多数传感器输出为连续的模拟电信号， 因此必须经过模数转换才能够被计算机所识别，数据采集模块是实现这一任务的转换单 元，在整个基于虚拟仪器的测试系统中起着承前启后的作用。 模拟信号转换为数字信号需要经过三个步骤：一是时域采样，即将随时间连续变化的 信号转换成在时间上离散的信号；二是幅值量化，即在幅值上转换成量化信号；三是编码 过程，即由几个脉冲组成一组代码来表示某量化信号值。多组代码表达多个量化信号后 成为数字信号。 选取数据采集模块时主要考虑以下指标18 1 ： ( 1 ) a d 转换器位数 a d 转换器的位数关系到系统的分辨率和模数转换后数据的精度，大部分试验参数 的测量精度要求为o i o 5 ，故a d 转换器的精度取0 0 5 0 1 即可，相应的二进 制码为1 0 1 1 位，加上符号位因此可取1 1 1 2 位的中分辨率a d 转换器。 ( 2 ) 转换时间与转换速率 a d 转换器从启动到转换结束，输出稳定的数字量需要一定的转换时间。转换时间的 倒数为转换频率。转换时间大于3 0 0 “s 为低速转换器，2 0 3 0 0l as 为中速转换器j 小于 2 0ps 为高速转换器【1 9 1 。香农采样定律规定，为保证采样信号不失真，采样频率必须大于 原模拟信号频谱中最高频率的两倍1 2 0 l 。因此，应针对不同采样信号，选择具有适宜转换 时间与转换频率的数据采集模块。 ( 3 ) 量程 根据传感器输出信号的幅值范围选择可满足采集需要的数据采集模块。 2 3 2 2 数据采集模块的选定 可供d e w e t r o n2 0 1 0 综合测试仪使用的数据采集模块分为d a q 模块与p a d 模块 两大类，共3 6 种。其中d a q 模块适合采集中高速信号，p a d 模块适合采集低速信号。 根据被测参数的类别与特性，综合考虑上述三项指标，选用以下六类数据采集模块， 1 1 与处理系统研究 传感器连接的信号输入插口采用香蕉式插头，b n c 表示采用b n c 插头。 各个模块的主要性能参数【1 7 l 见表2 1 。 表2 1 数据采集模块主要性能参数表 p 太辇块 d a q n -d a q p v - p a d t h 8 v - bb n c d a q n b r i d g ed a q n - c h a r g ed a q p - f r e q p 通道数量 lill l8 0 0 l：e 0 0 l 士1 5 + 5 0 i - 0 1：t o 】1 0 0 h z士1 0 0 0 1 , 0 2i ，1 0 ，1 0 0 量程 士1 土5士l 土5 1 , 5 ，1 0 ，1 0 0 士1 5 0 m v l o士1 0 0 5 ，i ，2 ，5 m v 1 0 0 0 r e v p c 2 0 0 l ( h z- 1 5 0 m v a ：5 0 v* 5 0 v 1 5 v 分辨率1 2 位1 2 位1 2 位1 2 位 1 2 位2 4 位 1 0 h zl k h z l o h zl o h z1 0 0 i - l z 1 0 0 h z5 k h z 滤波器 l o o h zl o o h zl ，5 ，1 0 ， 1 k h z1 0 k h z l k h z1 k h z1 0 0 ，2 0 0 k h z 1 0 k h z 2 0 z 转换时间 1 0 k h z5 0 k h z5 k h zo 3 h z 3 0 k h z由晕辟决定3 h z 输出电压 士5 vi 5 v5 v士5 v4 - 5 v士5 v 2 3 3 传感器 2 3 3 1 传感器选型的主要依据 传感器在原理与结构上千差万别，根据实际使用的目的、指标、环境条件与成本选用 适宜的传感器，是进行汽车试验信息采集首先要解决的问题。传感器选型必须要考虑试验 的条件、目的、测量参数、测量范围、过载的发生频度、输入信号的频带、测量精度以及 测量时间等因素伫，还需考虑传感器本身的性能，包括传感器的精度、稳定性、响应速 度、输出信号类型( 模拟或数字) 、静态特性、动态特性、环境特性、工作寿命、标定周 期以及信噪比等 2 2 1 ，当然对传感器的使用条件也必须要考察，如测量对象对传感器的影 响、被测对象的质量( 负荷) 效应、安装现场条件及环境条件( 温度、湿度、振动等) 、 要塞墨三盔竺堡堂壁垒塞薹王室垫堡墨箜塑主蔓墼堡星墨塞篁竺墨墨堑堑塞 信号的传输距离、输出端的连接方式等等1 2 3 1 2 3 3 2 传感器的选定 综合考虑以上因素，根据南汽与我校现有设备，选定符合要求的传感器用于汽车基本 性能试验。受篇幅所限，仅介绍以下几种配合本试验系统的主要传感器【2 4 】【2 5 】幽【2 7 l 【2 8 1 ： ( 1 ) v g 4 0 0 c d 1 0 0 陀螺仪 v g 4 0 0 c d 1 0 0 陀螺仪( 见图2 5 ) 是美国c r o s s b o w 公司专为汽车操纵稳定性试验设 计的动态测量单元( d m u ) ，能够测量沿x y z 三坐标轴的线性加速度、绕三坐标轴的角 速度、俯仰角与侧倾角，它由三个基于微机电系统( m e m s ) 技术的加速度计，三个光纤陀 螺以及温度传感器组成例。在数据采集时，陀螺仪首先测得模拟信号，之后通过1 4 位 a d 转换器得到数字信号，将其提供给嵌入式系统中的数字信号处理器( d s p ) ，通过滤波 使之适应不断变化的测量姿态，实现连续、实时的陀螺仪偏差校准，从而得到需要测量的 汽车状态量并保证测量的静态与动态精度，最后通过r s 2 3 2 串口输出数字量或通过1 2 位d a 转换器输出模拟信号给下位机。 图2 5v g 4 0 0 c d - 1 0 0 陀螺仪 v g 4 0 0 c d 1 0 0 陀螺仪内部的工作过程可用图2 6 表示。 图2 6v g 4 0 0 c d - 1 0 0 陀螺仪工作过程 v g 4 0 0 c d 1 0 0 d e 螺仪的主要性能参到3 0 1 见表2 2 。 表2 2v g 4 0 0 c d 1 0 0 陀螺仪主要性能参数 x y z 轴线加逮度 绕x y z 轴角速度 俯仰角，侧倾角 i i r 刈璧堡璺 x y z 轴线加速度绕x y z 轴角速度侧倾角俯仰角 l量程 - + 4 9 士1 0 0 。，s士1 9 0 。舟：9 0 。 静态精度 o 7 5 。 动态精度 - t ：1 2 m g妊o 0 5 。s 2 r m $ 分辨率 o 5 m g 2 5 h z 非线性度 1 f s o 3 f s ( 2 ) s f a - 1 0 5 b 测力方向盘 s f a - 1 0 5 b 测力方向盘( 见图2 7 ) 由日本k y o w a 公司生产，采用应变片电桥电路 测量转向力( 力矩) ，采用电位计测量转向角。 图2 7s f a - 1 0 5 b 测力方向盘 s f a 1 0 5 b 测力方向盘的主要性能参数p 1 1 见表2 3 。 表2 3s f a - 1 0 5 b 测力方向盘主要性能参数 磊巡 转向力转向角 蛩程 士5 0 2 0 0 n l 6 圈 灵敏度1 o 2 0 m v ，v1 o 2 0 m v ，v 非线性度 士0 5 f s- 2 0 5 f s ( 3 ) o e s h 非接触式速度传感器 国产o e s i i 非接触式速度传感器( 见图2 8 ) 用于测量车速与行车距离。汽车行驶时， 地面砂石分布图案由光学系统成像，经硅光电探测器进行光电转换与空日j 滤波，产生一组 窄带正弦波信号，该信号的频率与车速成正比。信号经t r f 带通跟踪滤波器进行滤波与整 形，转换为r r l 脉冲输出，脉冲经过信息采集子系统计数与处理即可测得汽车的行驶速度 与距离 3 2 1 。 圈2 8o e s - 1 i 非接触式速度传感器 o e s i i 非接触式速度传感器的主要性能参数见表2 4 。 1 4 南京理工大学硕上学位论文基于虚拟仪器的汽车试验信息采集与处理系统研究 表2 4o e s - i i 非接触式速度传感器主要性能参数 i参数数值 l测速范围0 4 2 5 0k m h 精度0 2 2 4 系统软件开发平台的选取 汽车试验信息采集子系统与处理子系统分别基于不同的软件开发平台。 2 4 1 信息采集子系统软件开发平台的选取 d a s y l a b ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ml a b o r a t o r y ) 是一套w i n d o w s 环境下的集高速数据采 集、分析与过程控制于一体的功能强大的虚拟仪器图形化软件口3 1 。基于以下特点，汽车试 验信息采集子系统选取其作为虚拟仪器的软件开发平台。 ( 1 ) d a s y l a b 采用图形化编程环境 d a s y l a b 将具有不同功能的各种子程序封装，用相应的提示性图标表示，使用者只需 根据具体情况调用功能模块，同时在模块的属性框中修改相关参数，即可实现图形化程序 的初步编辑。之后按相应的功能顺序连接图标。表示数据的输入与输出路径，实现程序间 的连接与调用，完成软件开发【3 4 1 。d a s 加以“易于使用”为核心设计理念，与l a b v i e w 相比更易于掌握，软件开发周期更短。 ( 2 ) d a s y l a b 功能强大 d a s y l a b5 6 共包含11 3 个功能模块，可完成试验信号a d 或d a 转换、采集、触发、 控制、数据分析、运算、统计、存储、图形显示等测试系统所需的各种功能。它还采用了 d d e ( 动态数据交换) 、o l e ( 对象连接与嵌入) 、o d b c ( 开放数据库连接) 等技术， 实现与其他主流数据库的数据无缝连接。 ( 3 ) d a s y l a b 支持多种硬件设备 d a s y l a b 能够支持大多数的数据采集硬件，支持2 5 0 多种数据采集板卡。 ( 4 ) d a s y l a b 可实现海量数据采集与批处理 d a s y l a b 可实现5 1 2 通道同时采集，以最高达8 0 0 k h z 的速率对信号进行实时记录，曲 线显示速率n - 7 达2 5 0 k h z t 蜘，并保证数据连续采集不丢点，多路并行无时差。 ( 5 ) d a s y l a b 支持远程通讯 对于分布式数据采集系统，d a s y l a b n e t 技术能在现有网络上使用t c p i p 协议，实现 速率高达1 0 0 0 0 0 采样点秒的远端通信与控制3 6 1 。 ( 6 ) d a s y l a b 性价比高 查室堡三盔兰堡主兰垡堡塞薹王塞墼堡壁箜壅主堡墼堡星墨叁兰墼堡墨竺婴壅 d a s y l a b 专业版具有很高的性价比，所具有的功能完全可满足本课题的要求， d e w e t r o n 综合测试仪中已预装该软件，因此在本课题研究中无需另外购买该软件。 2 4 2 信息处理子系统软件开发平台的选取 虽然d a s y l a b 完全可实现信息处理功能，但为了兼容南汽技术中心现有的大量试验 电子文档，企业要求单独开发与信息采集子系统分离的信息处理子系统，从而实现对以往 试验信息的处理工作。 在开发信息处理子系统的应用程序时，可选用的开发工具有v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等，不同的开发工具各有其优缺点，在此不一一赘述。本系统拟采用m i c r o s o f t v i s u a l b a s i c 6 0 作为系统应用程序的开发工具，其理由如下f ”1 1 3 8 1 ： ( 1 ) v b 6 0 能够提供面向对象的可视化编程环境，方便灵活，易于扩充； ( 2 ) v b 6 0 提供了强大的数据库访问技术； ( 3 ) v b 6 0 代码开发效率高，周期短，易于维护和升级。 2 5 系统数据库的选取 数据库的创建环境种类繁多，如a c c e s s 、s q ls e r v e r 、o r a c l e 等，应根据系统规模和 使用条件，选择恰当的数据库。结合企业的实际情况，本系统选择在m i c r o s o f t a c c e s s 中 创建汽车试验信息存储数据库，其理由如下： ( 1 ) a c c e s s 属于桌面数据库，所占用的系统资源较少 汽车试验信息采集部分需运行于d e w e t r o n 综合测试仪。综合澳4 试仪虽然等同于 普通计算机，可选用各种高性能硬件配置，但其成本高昂。因此，在数据库容量完全可满 足试验信息采集的条件下，无需选用具备较为复杂的数据管理功能的数据库，s q ls e r v e r 、 o r a c l e 等适用于服务器的大型数据库系统并无用武之地。 ( 2 ) a c c e s s 与d a s y l a b 易于实现数据通讯 d a s y l a b 软件中具有o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，开放数据库互连) 输出模 块。在w i n d o w s 操作系统的o d b c 数据源管理中，可建立a c c e s s 数据源，详见2 6 1 节。 因此，以o d b c 为桥梁，d a s y l a b 采集的信息可轻松存入a c c e s s 数据库中指定数据表 的数据字段，详见3 2 9 节。 ( 3 1a c c e s s 与v b 使用相同的数据库引擎 a c c e s s 与v b 均属于微软公司的产品，两者使用相同的数据库引擎m i c r o s o f tj e t ，因 此可以建立既包括a c c e s s 组件又包括v i s u a lb a s i c 组件的应用程序，从而提高程序的稳定 1 6 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器的汽车试验信息采筻与处理系统研究 性，充分发挥两者各自的优点。 ( 4 ) a c c e s s 功能丰富 a c c e s s 提供了表生成器、查询生成器、报表设计器等许多便捷的可视化操作工具以 及数据库向导、表向导、查询向导、窗体向导、报表向导等众多向导，利用这些工具和向 导，可以构造一个功能完善的数据库管理系统口9 1 。 a c c e s s 支持多媒体的应用与