基于Lab Windows/CVI的汽車(chē)轉鼓實(shí)驗臺測控系統的設

1 引言

汽車(chē)轉鼓實(shí)驗臺（又稱(chēng)底盤(pán)測功機）是一種大型室內汽車(chē)試驗設備，是一種完成汽車(chē)整車(chē)試驗的臺架試驗系統。傳統的轉鼓實(shí)驗臺測控系統由傳感器、多路信號處理器、AD/DA轉換器，工業(yè)控制測試主機和X-Y曲線(xiàn)繪圖儀等設備組成。系統構成比較復雜，測控系統的程序一般由VC或其他高級編程語(yǔ)言構成，程序調試和參數的修改均比較繁瑣?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/Lab">Lab Windows/CVI語(yǔ)言的虛擬儀器測控系統，以傳感器，信號調理電路，數據采集卡構成數據采集系統。系統通過(guò)計算模擬行駛阻力，通過(guò)數據采集卡輸出模擬直流電壓信號，再通過(guò)信號處理和電路轉換產(chǎn)生激磁電流，并通過(guò)同步交流電機對測試車(chē)輛進(jìn)行加載。整個(gè)測控系統結構簡(jiǎn)單，程序的設計和調試工作量小，測試采集量和數據計算結果的顯示通過(guò)工控機顯示器完成，是一個(gè)理想的汽車(chē)轉鼓實(shí)驗臺測控平臺。本文將以轉鼓實(shí)驗臺動(dòng)力性測試的測控系統為研究對象，探討虛擬儀器在該測控系統中的應用。

2 基于Lab Windows/CVI的汽車(chē)轉鼓實(shí)驗臺測控系統

對于車(chē)輛動(dòng)力性測試的測試系統而言, 汽車(chē)轉鼓實(shí)驗臺的測控系統可分為3個(gè)模塊：①數據采集模塊，其功能是實(shí)時(shí)采集滾筒的轉速及扭矩信號；②行駛阻力模擬程序以及轉鼓實(shí)驗臺功能擴展程序，其功能為處理所采集的數據，計算模擬加載阻力值以及顯示測試系統所需的輸出量；③控制模塊, 其功能是根據程序計算得到的模擬阻力值，通過(guò)輸出信號處理和電路轉換生成按標定確定的激磁電流，由交流電機對車(chē)輛進(jìn)行加載。

基于虛擬儀器的轉鼓實(shí)驗臺測控系統由傳感器，數據采集卡，工控機和虛擬測控軟件Lab Windows/CVI的程序構成, 其系統結構總圖如圖1所示。

圖1　基于虛擬儀器的轉鼓實(shí)驗臺測控系統結構圖

3 基于虛擬儀器的數據采集系統硬件

虛擬儀器的硬件平臺由PC計算機、中泰PCI-7333數據采集卡，配以相應的傳感器組成。

3.1 傳感器及調理電路

（1）傳感器。傳感器完成信號的獲得, 它將被測參量轉換成相應的可用輸入信號。

（2）信號調理電路。通常，傳感器信號不能直接轉換為數字數據，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數字數據之前必須進(jìn)行調理。調理就是放大，緩沖或標定模擬信號，使其符合數據采集卡量程范圍。然后，經(jīng)數據采集卡的A/D轉換器對模擬信號進(jìn)行數字化，并把數字信號送到微控制器或其他數字器件，以便用于系統的數據處理。

3.2 數據采集卡及虛擬儀器硬件平臺

本實(shí)驗系統采用中泰PCI-7333數據采集卡。PCI-7333多功能數據采集卡適用于提供PCI總線(xiàn)插槽的PC系列微機，具有16路模擬輸入通道和2路模擬輸出通道和即插即用（PnP)等功能。它提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件Usb7K7kC.dll，所封裝的函數可以被其他應用程序在運行時(shí)直接調用。

扭矩傳感器采集的模擬信號送入PCI-7333的模擬通道，經(jīng)A/D轉換后的數據結果通過(guò)先進(jìn)先出存儲器緩存后由USB總線(xiàn)讀出；轉速信號經(jīng)轉速采樣整形后通過(guò)采集卡16位字長(cháng)的計數/定時(shí)器接口輸出。

4 轉鼓實(shí)驗臺輸出控制——模擬行駛阻力原理

阻力加載是轉鼓實(shí)驗臺模擬道路行駛阻力的主要組成部分。轉鼓實(shí)驗臺的控制模塊, 就是根據程序計算得到的模擬阻力值，通過(guò)輸出信號處理和電路轉換生成激磁電流，由交流電機對車(chē)輛進(jìn)行加載。

4.1 汽車(chē)路試行車(chē)阻力數學(xué)模型

4.2 汽車(chē)臺試行車(chē)阻力數學(xué)模型

4.3 轉鼓實(shí)驗臺加載阻力控制

5 基于Lab Windows/CVI的轉鼓實(shí)驗臺測控系統軟件設計

Lab Windows/CVI是美國NI公司開(kāi)發(fā)的基于標準C語(yǔ)言的可視化、交互式的虛擬軟件開(kāi)發(fā)工具，具有標準Windows風(fēng)格的操作界面，可在多種操作系統下運行，它不但有豐富的函數庫，還集成了各種專(zhuān)業(yè)的測控工具，提供了優(yōu)越的硬件接口功能，基于該環(huán)境可以充分利用各種資源配置系統結構，進(jìn)而達到系統最優(yōu)、成本最低的目的。

在虛擬儀器中，使用相同的硬件系統，通過(guò)不同的軟件編程，就可以實(shí)現功能完全不同的測量?jì)x器。對于轉鼓實(shí)驗臺動(dòng)力性測試的多功能測試要求，用戶(hù)可以根據各測試功能的需要將具有一種或多功能的通用模塊相結合, 并且調用不同功能的軟件模塊, 就能完成不同的測試任務(wù)。轉鼓實(shí)驗臺測控系統Lab Windows/CVI程序的基本任務(wù)有3個(gè)：①通過(guò)軟件編程設計各種測量模塊, 完成各種測量任務(wù)的程序設計；②通過(guò)軟件編程輸出交流電機所需的激磁電流放大信號，控制交流電機的加載；③為各測試功能模塊設計相應的面板, 并按轉鼓實(shí)驗臺的試驗要求設計結果顯示系統。圖2為汽車(chē)轉鼓實(shí)驗臺測控軟件的前面板圖。

圖2 汽車(chē)轉鼓實(shí)驗臺測控軟件前面板

5.1 信號采集模塊

Lab Windows/CVI為大多數數據采集卡、總線(xiàn)等相關(guān)設備提供了驅動(dòng)程序，在使用過(guò)程中只要安裝了驅動(dòng)程序，就可以調用相關(guān)的函數完成對設備的初始化、配置等操作。對于中泰USB7333數據采集卡，由于Lab Windows/CVI提供的儀器驅動(dòng)程序無(wú)法直接驅動(dòng)，故采用直接操作端口地址法，用C語(yǔ)言提供的端口輸入函數inp ( )、inpw( )和端口輸出函數outp ( )、outpw( )對系統板端口直接操作，以實(shí)現底層I/O驅動(dòng)。

5.2 加載阻力計算模塊

加載阻力計算模塊的輸入為滑行實(shí)驗獲得的模型系數、車(chē)速、滾筒半徑、整車(chē)質(zhì)量以及質(zhì)量換算系數。此模塊的功能是把速度信號按等距離離散化生成一系列數列，然后對生成的數列每相鄰兩點(diǎn)進(jìn)行微分，近似求出該段中點(diǎn)處的導數，然后輸出各點(diǎn)導數即為角加速度數列。得到加速度數值后，再按上文的加載阻力計算公式以圖形化程序進(jìn)行計算即可得到模擬的加載阻力作為此模塊的輸出。加載阻力計算原理圖如圖3所示。

圖3 加載阻力計算原理圖

5.3 控制信號輸出模塊

由永磁同步電機在兩相坐標系下的數學(xué)模型可知：在極對數和反電勢系數不變的情況下，交流電機的輸出電磁轉矩和定子電流的軸分量呈線(xiàn)性關(guān)系。即一定的模擬加載阻力矩對應一定大小的模擬勵磁電流。由行駛阻力計算模塊計算出的模擬加載阻力矩為控制量的輸出信號，對這個(gè)輸出量進(jìn)行標定后，由得到相應的模擬勵磁電流。得到的勵磁電流信號將通過(guò)指定的數據采集卡輸出通道輸出給信號處理及電路轉換系統。

6 結論

由虛擬儀器技術(shù)構建的轉鼓實(shí)驗臺測控系統主要由數據采集系統和基于Lab Windows/CVI的加載阻力模擬程序構成。在普通PC機的硬件平臺上，對虛擬儀器的硬件和軟件進(jìn)行一定的配置后，就可以通過(guò)加載設備對模擬車(chē)輛行駛阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，從而較精確地模擬車(chē)輛的行駛狀況。與傳統轉鼓實(shí)驗臺的測控系統相比，基于虛擬儀器技術(shù)的測控系統結構簡(jiǎn)單，硬件驅動(dòng)均有相應的配套軟件給予支持。同時(shí)，基于Lab Windows/CVI的程序編程工作量相對較小，便于調試和修改。通過(guò)虛擬儀器構成的轉鼓實(shí)驗臺演示系統也可以借助普通PC機的顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，數據的存儲和打印，也可以通過(guò)Lab Windows/CVI相應功能模塊方便地完成。

參考文獻

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