基于NI PXI和LabVIEW測試平臺的NI數據采集系統

挑戰:

電子穩定系統(Electronic Stability Program, 簡(jiǎn)稱(chēng)ESP，下同)實(shí)車(chē)道路試驗不僅對場(chǎng)地要求十分苛刻，實(shí)驗過(guò)程具有相當的危險性，而且所需測量的信號較多。實(shí)驗數據采集系統不僅要能夠采集各種信號，還要能夠在惡劣的測試環(huán)境中(如沖擊、震動(dòng)、高溫、高濕度等)穩定可靠的工作。

解決方案:

面對ESP系統試驗苛刻的測試環(huán)境、眾多的測試信號，基于NI PXI和LabVIEW的測試平臺，我們在較短的時(shí)間內快速融合了模擬信號、數字信號、CAN、串口等多種信號采集與處理。NI數據采集系統在海南試驗場(chǎng)成功完成了ESP試驗過(guò)程的數據采集，保證了試驗的順利進(jìn)行。

汽車(chē)電子穩定控制系統可以輔助駕駛員對車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行控制，通過(guò)控制車(chē)輪的制動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機的輸出力矩來(lái)控制汽車(chē)的橫擺角速度并將側偏角限制在一定范圍內，從而協(xié)助駕駛員在極限工況下保持汽車(chē)的穩定性，防止車(chē)輛出現失穩危險。

近年來(lái)，隨著(zhù)人們對車(chē)輛主動(dòng)安全性要求的提高和各國相應安全法規的推動(dòng)，ESP系統在汽車(chē)上的標準裝配率迅速提高，博世、大陸等國外汽車(chē)電子產(chǎn)品供應商均具備了ESP系統的批量化供貨能力并占據了市場(chǎng)的主要份額。

國內ESP系統的研究起步較晚，大多停留在理論控制研究與硬件在環(huán)仿真階段，國內整車(chē)及零部件廠(chǎng)商大多直接采用博世、大陸、TRW等的ESP系統與自主開(kāi)發(fā)的整車(chē)相匹配。

相對于國內ESP系統策略的研究，ESP系統性能測試評價(jià)方法的研究基本空白，大多數驗證實(shí)驗均參考國外零部件商或相應機構的試驗方法或直接將測試試驗委托供應商實(shí)施。目前，國內汽車(chē)行業(yè)尚無(wú)形成統一的ESP測試標準，這使得國內整車(chē)廠(chǎng)商很難系統合理的評價(jià)ESP控制性能，更無(wú)法根據試驗的結果在產(chǎn)品設計階段對汽車(chē)電子供應商提出完善的產(chǎn)品設計技術(shù)要求，大大增加了整車(chē)廠(chǎng)商與汽車(chē)電子供應商的底盤(pán)電控系統匹配設計周期和研發(fā)成本。

鑒于上述情況，課題組結合當前的研究基礎，提出一套汽車(chē)底盤(pán)電控系統性能評價(jià)和實(shí)驗測試流程規范并構建了一個(gè)用于ESP系統試驗測試的測控系統平臺。

ESP系統測試平臺

課題組搭建的ESP系統測試平臺主要包括三大部分：

1. ESP試驗測試流程規范;

2. 試驗數據采集系統;

3. 試驗評價(jià)標準。

試驗測試流程規范規定了ESP測試所需的試驗項目、試驗目的、測試變量和儀器、試驗條件、試驗方法，以及實(shí)驗數據處理方法。

試驗評價(jià)標準作為電控系統以及整車(chē)性能評定的指南，從汽車(chē)相關(guān)基本理論出發(fā)，規定了性能好壞評定的方法與相應原理。

試驗數據采集系統包括試驗中測量所需變量(車(chē)輛參數和運動(dòng)狀態(tài))的傳感器及其數據采集卡和相關(guān)軟件。試驗數據采集系統性能好壞在一定程度上決定了整個(gè)測試系統能否準確評價(jià)整車(chē)性能以及ESP系統的優(yōu)劣。

ESP作為最新一代汽車(chē)主動(dòng)安全系統，ESP是基于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)對汽車(chē)臨界失穩狀態(tài)下施加準確控制來(lái)提高汽車(chē)穩定性的系統。因此為了驗證ESP系統的性能，就需要大量實(shí)車(chē)試驗。完成試驗數據采集將面臨兩大難題：一是，測試設備眾多(GPS、陀螺儀、非接觸式光電測速儀、輪速傳感器、壓力傳感器、觸發(fā)器等，如圖2所示)，二是，測試環(huán)境惡劣(沖擊、震動(dòng)、高溫、高濕度等)。通過(guò)調研，我們選擇了LabVIEW 和 PXI的測試平臺。

ESP試驗數據采集系統所依賴(lài)的數據采集設備采用了NI PXI系統以及相應的PXI數據采集卡，上述系統與測試所需的傳感器構成了ESP試驗數據采集系統的硬件部分，，傳感器、觸發(fā)器通過(guò)接線(xiàn)盒及電纜與采集卡或機箱相連。硬件系統搭建的過(guò)程中，我們遇到了一個(gè)問(wèn)題：我們采用的PXI機箱需要220V交流供電，而試驗測試中車(chē)載電源是12V直流蓄電池，對此我們采用了逆變器將12V直流電轉變?yōu)?20V交流電，然后直接供給PXI機箱。為了避免汽車(chē)運行過(guò)程中蓄電池電壓波動(dòng)對傳感器造成損壞以及影響測量準確度，傳感器供電沒(méi)有直接采用蓄電池電源，而是通過(guò)穩壓器將220VAC轉換到12VDC，進(jìn)而供給相應的傳感器，電源系統架構如圖3所示。220V交流逆變器和PXI機箱安裝在測試車(chē)輛后備箱的鋁合金支架上，如圖4所示，支架通過(guò)螺栓與車(chē)身地板相連，從而保證機箱在車(chē)輛行駛過(guò)程中不會(huì )晃動(dòng)。

數據采集系統軟件是在LabVIEW中實(shí)現的，主要應用了LabVIEW中數據采集模塊、及文件IO模塊，針對眾多的測量信號，編程中我們采用了各信號分別采集、同時(shí)存儲的架構，由于試驗中采樣率不高(20Hz)，信號同步要求不高，故采用了局部變量進(jìn)行信號的同步存儲。整體程序框架如圖5所示。程序前面板如圖6所示，前面板主要分為兩個(gè)區域，左側區域為配置區，主要用于試驗過(guò)程中需要進(jìn)行輸入、更改的量，如信號采集端口的配置選擇，如模擬輸入通道(AI)的選擇，RS232端口的選擇，波特率的配置等，以及測量結果文件名稱(chēng)的更改、存儲位置的選擇等。右側區域為試驗中重要檢測量的實(shí)時(shí)顯示，便于試驗過(guò)程中對試驗數據進(jìn)行監測，當試驗數據出現明顯的錯誤時(shí)，及時(shí)進(jìn)行儀器調整或檢修，并重新進(jìn)行測試。圖7、圖8為試驗結果曲線(xiàn)。圖7中紅色點(diǎn)為試驗中的標樁，結果顯示車(chē)輛能順利通過(guò)單移線(xiàn)中的所有標樁。圖8中品紅色的線(xiàn)表示ESP功能是否被激活，以及制動(dòng)主缸和各輪缸的壓力。

結論

ESP是未來(lái)汽車(chē)主動(dòng)安全系統發(fā)展的一大方向，ESP實(shí)車(chē)道路試驗不僅是ESP控制系統優(yōu)劣的最終評判手段，ESP實(shí)車(chē)道路試驗在ESP控制算法開(kāi)發(fā)階段也具有一定的指導意義。

基于PXI系統良好的可擴展性，我們快速搭建了ESP系統性能試驗的測試平臺，夏季在海南汽車(chē)試驗場(chǎng)、冬季在黑河紅河谷試驗場(chǎng)極端苛刻的試驗環(huán)境下，測試系統準確有效的采集了ESP系統試驗的測試信號，大大推動(dòng)了863計劃底盤(pán)控制系統的研究，為我們自主底盤(pán)電控系統進(jìn)一步的完善提供了有力的支撐。