基于虛擬儀器技術(shù)的道路試驗測試系統

摘要：基于虛擬儀器技術(shù)設計了用在車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)中的道路試驗測試系統，介紹了通過(guò)外部特征量和單片機內部運行信息的同步采集進(jìn)行車(chē)輛控制器道路試驗的方法、測試系統的硬件構成以及基于多線(xiàn)程技術(shù)的測試軟件設計方法。該測試系統可以完成模擬信號、數字信號、串口數據的同步采集和分析，并在A(yíng)BS控制器的道路試驗中得到了驗證。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器 數據采集 控制器開(kāi)發(fā) 道路試驗 ABS 隨著(zhù)人們對車(chē)輛性能要求的提高和電子技術(shù)的快速發(fā)展，車(chē)輛電子控制器的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為汽車(chē)制造業(yè)的熱點(diǎn)。汽車(chē)整車(chē)道路試驗是車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)的最終階段，是全面測試和鑒定車(chē)輛性能的一種重要手段。 由于控制器開(kāi)發(fā)中數據采集要求及性能評價(jià)測試項目的多樣化，功能單一、靈活性差、使用復雜、更新和維護成本高的傳統儀器已經(jīng)不能很好地滿(mǎn)足車(chē)輛道路試驗需要。而虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展為車(chē)輛道路試驗測試系統的設計和開(kāi)發(fā)提供了新的思路。利用該技術(shù)，可以更好地發(fā)揮計算機強大的信息處理功能和圖形界面功能，大大簡(jiǎn)化了測試設備，適合測試現場(chǎng)使用。 本文設計的基于虛擬儀器技術(shù)的車(chē)載道路試驗測試系統，為實(shí)車(chē)試驗性能測試和控制器開(kāi)發(fā)提供了靈活、高效的測試平臺。1 測試系統總體介紹 1．1 車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)中的道路試驗測試方法 實(shí)車(chē)道路試驗是車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)中的最重要環(huán)節，根據信息來(lái)源和分析方法的不同，實(shí)車(chē)道路試驗測試可以分為控制器外部特征量采集分析和單片機內部運行信息采集分析兩類(lèi)。例如，防抱死制動(dòng)ABS系統的控制器實(shí)車(chē)道路試驗數據采集框圖如圖1所示。 外部特征最采集是傳統的實(shí)車(chē)測試的一種手段。將控制器視為一個(gè)黑盒子，對能夠表征控制器控制效果的車(chē)輛信息進(jìn)行采集處理，既可以得到控制器的控制效果的客觀(guān)評價(jià)，又可以根據特征量的分析追溯到控制軟件源程序的相關(guān)功能代碼，對控制軟件實(shí)現匹配。但是通過(guò)外部特征量只能間接推測控制內部運行情況，有時(shí)不能準確找到問(wèn)題的實(shí)質(zhì)所在。 而單片機內部運行信息的采集直接跟蹤控制器控制程序運行信息，對控制程序的流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，是進(jìn)行控制器程序調試和邏輯驗證的有效手段。控制器外部特征量和單片機內部運行信息對于控制器的開(kāi)發(fā)匹配來(lái)說(shuō)各有優(yōu)勢，均對控制器的道路試驗測試有著(zhù)重要意義。 1．2 測試系統總體結構 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展為測試系統的開(kāi)發(fā)提供了良好平臺。虛擬儀器利用計算機顯示器的顯示功能模擬傳統儀器的控制面板，利用計算機強大的軟件功能實(shí)現信號數據的運算、分析和處理，利用I/O接口設備完成信號的采集、測試和調理。 本文結合實(shí)際的車(chē)輛測試和車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，基于虛擬儀器技術(shù)了道路試驗數據測試系統。該系統由計算機、儀器硬件和應用軟件等組成，總體方案如圖2所示。 系統主要功能為：（1）多通道模擬信號和數字信號的采集；（2）控制器內部運行信息的采集；（3）控制器外部特征量和單片機內部運行信息的同步采集；（4）在線(xiàn)數據監控顯示、離線(xiàn)數據處理；（5）多種數據格式的保存和轉換；（6）車(chē)輛測試性能的自動(dòng)微型計算和評價(jià)。2 測試系統硬件構成 系統硬件由帶有串口的計算機和數據采集卡組成。計算機選用便攜式微型計算機，便于車(chē)載測試使用。數據采集卡選用帶有PCMCIA接口的采集卡，可以直接插在便攜式計算機上。例如，可以選用NI公司的DAQ_700數據采集卡，它具有8路雙端/16路單端模擬輸入通道，采樣速率為100kbps的12位A/D轉換器，16路TTL可編程數字I/O口，三個(gè)獨立的16位可編程定時(shí)/計數器。 用PCMCIA采集卡和信號調理儀為硬件而組成的PC-DAQ測試系統可以對控制器的外部特征量進(jìn)行采集。 對于單片機內部運行信息的采集，采用單片機和上位機的串口通訊方式，將ECU單片機中的串口信息引出，經(jīng)過(guò)電平轉換芯片實(shí)現硬件通訊。在控制器控制軟件中附加了程序變量監控模塊，通過(guò)串口向上位機發(fā)送監控的變量值，實(shí)現控制器運行信息的監控。 本測試系統通過(guò)PC-DAQ測試系統和串口系統實(shí)現了控制器的道路試驗數據采集功能，具有硬件簡(jiǎn)單、成本低、攜帶容易等優(yōu)點(diǎn)，適于道路試驗測試使用。圖43 測試系統軟件設計 軟件設計是測試系統設計的核心問(wèn)題，本系統的軟件開(kāi)發(fā)采用虛擬儀器技術(shù)的LabWindows/CVI6.0軟件平臺。LabWindows/CVI以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺與數據采集和分析等測控專(zhuān)用工具有機地結合起來(lái)，具有很強的數據處理及分析功能。 測試系統的軟件總體結構見(jiàn)圖3。它主要分為數據采集、數據處理和離線(xiàn)分析三個(gè)模塊。 3．1 數據采集模塊 數據采集的測試軟件的底層部分，數據采集的軟件基礎是硬件的驅動(dòng)程序，LabWindows/CVI提供了功能強大的硬件驅動(dòng)庫函數?；谟布寗?dòng)程序，本模塊分為數據采集卡采集和串口數據采集兩部分。 3．1．1 基于PCMCIA卡的數據采集 本部分實(shí)現模擬信號、數據信號、脈沖信號的采集。根據采集參數的設置（如通道選擇、采樣頻率、采樣方式選擇、數據增益等）對數據卡進(jìn)行初始化，根據需要啟動(dòng)停止采集。 控制器外部特征量均通過(guò)本方法采集得到。外部特征量一般可分為模擬信號和脈沖信號兩類(lèi)，例如制動(dòng)管路壓力傳感器信號為模擬信號，輪速傳感器信號為脈沖信號。模擬信號通過(guò)模擬通道進(jìn)行采集，脈沖信號通過(guò)計數器口進(jìn)行采集。另外，本測試系統開(kāi)發(fā)了脈沖信號測試算法，即將脈沖信號通過(guò)模擬口采集，在后臺進(jìn)行整型、計算后，得到頻率信息，解決了道路試驗的輪速車(chē)速等頻率信號的測試問(wèn)題。圖53．1．2 串口數據采集 用串口數據采集監控ECU運行情況。其軟件實(shí)現包括兩個(gè)方面：一是ECU監控串口數據發(fā)送的實(shí)現，即控制程序中添加獨立的程序變量監控模塊。變量監控進(jìn)行與主進(jìn)程同步，每個(gè)控制周期向外發(fā)送一組監控變量數據的串口數據的接收實(shí)現，使用LabWindows/CVI的串口操作庫函數來(lái)設置波特率等串口屬性，實(shí)現串口數據接收的開(kāi)始和結束。 3．1．3 數據采集卡與串口的同步數據采集的實(shí)現 為了實(shí)現數據采集卡與串口的同步數據采集，以及數據采集模塊與數據處理模塊的數據傳遞問(wèn)題，本測試系統軟件采用了多線(xiàn)程技術(shù)。多線(xiàn)程技術(shù)為用戶(hù)編寫(xiě)并行執行的多任務(wù)程序提供了許多方便，極大地提高了CPU利用率以及程序的運行效率。 本測試軟件以用戶(hù)界面接口與主線(xiàn)程，負責生成界面、實(shí)時(shí)顯示數據、生成后臺次線(xiàn)程、控制測試過(guò)程等；主線(xiàn)程可以根據設定生成兩個(gè)次線(xiàn)程，一個(gè)負責數據采集卡，一個(gè)負責串口，實(shí)現了同步采集和數據傳遞。 3．2 數據處理模塊 數據處理模塊包括數據實(shí)時(shí)顯示和數據存儲兩部分。對于從數據采集模塊得到的實(shí)時(shí)數據，首先需要進(jìn)行參數處理。對于數據采集卡數據，應根據采集卡參數和用戶(hù)設置的增益對數據進(jìn)行加工，對于串口數據，需要根據單片機發(fā)送的數據構成規則對數據進(jìn)行整合。轉化后的數據既可以送到"Strip Chart Graph"控件中實(shí)現曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，也可以保存至文件。數據文件的格式可以自行設定，包括二進(jìn)制格式和文本格式等。 3．3 離線(xiàn)分析模塊 本模塊的功能是將數據文件進(jìn)行離線(xiàn)分析和處理首先將數據文件導入，可以導入二進(jìn)制和文本兩種格式的文件。其次，對導入數據進(jìn)行分析。利用LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)了以下工具：曲線(xiàn)組設置工具，可以實(shí)現曲線(xiàn)按組顯示；曲線(xiàn)編輯工具，實(shí)現選擇曲線(xiàn)的偏移量、顯示、比例、顏色等屬性的設置；另外，還有曲線(xiàn)瀏覽工具、曲線(xiàn)顯隱工具、數據對比窗等。第三，根據車(chē)輛測試的需要，開(kāi)發(fā)性能評價(jià)工具。另外，本功能模塊還具有數據濾波設置、曲線(xiàn)打錢(qián)等功能。圖64 測試系統在A(yíng)BS系統道路試驗中的應用 在自主開(kāi)發(fā)防抱死制動(dòng)ABS控制器過(guò)程中，使用本測試系統，道路試驗測試方案如圖1所示。將外部特征量信號與PCMCIA卡相應端口連接，將ECU與測試系統串口連接。在道路試驗測試過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集數據，測試ABS控制器的控制效果。 某次對接路面（由低附著(zhù)路面制動(dòng)到高附著(zhù)路面）制動(dòng)后得到一組數據，對數據進(jìn)行分析，下面進(jìn)行具體說(shuō)明。 （1）左前輪的輪速數據如圖4所示。輪速信號有兩種表現形式，一是輪速傳感器信號直接由數據采集卡采集，二是輪速信號經(jīng)過(guò)ECU計算，通過(guò)串口送到測試系統中。測試系統實(shí)現采集卡和串口數據的同步采集，在離線(xiàn)分析串口中進(jìn)行顯示，發(fā)現二者重合較好，可以證明ABS控制器的輪速算法正確。 （2）后輪制動(dòng)壓力數據如圖5所示。圖5中有兩條曲線(xiàn)，上面一條表示后輪通道制動(dòng)壓力，通過(guò)壓力傳感器由PCMCIA卡采集得到；下面一條表示后輪電磁閥動(dòng)作，通過(guò)串口信息得到。二者同步采集，可以分析ABS控制器的控制邏輯是否正確。圖中數據表明電磁閾動(dòng)作合理，后輪通道制動(dòng)壓力與電磁閾動(dòng)作一一對應。 （3）制動(dòng)性能指標計算如圖6所示。通過(guò)選擇制動(dòng)性能評價(jià)工作，可自動(dòng)計算得到制動(dòng)距離為23.66米、制動(dòng)平均減速度為-3.27m/s2，便于進(jìn)行制動(dòng)效果記錄和對比。 實(shí)驗證明，使用本測試系統，大大提高了ABS控制器匹配測試的效率，縮短了ABS系統開(kāi)發(fā)周期。 本文從車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)和車(chē)輛道路試驗的實(shí)際經(jīng)驗出發(fā)，基于虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)了用于車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)的道路試驗測試系統。本系統硬件構成簡(jiǎn)單，由便攜式電腦和PCMCIA采集卡組成，設置成本低、輕便、適合車(chē)載測試環(huán)境?；贚abWindows/CVI軟件平臺開(kāi)發(fā)了測試系統軟件，利用多線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現了數據采集卡和串口的同步數據采集，同時(shí)開(kāi)發(fā)了硬件驅動(dòng)、數據采集、數據處理、離線(xiàn)分析等軟件測試模塊。本測試系統不僅適用于車(chē)輛控制器開(kāi)發(fā)的道路試驗測試，也適用于各種汽車(chē)性能測試的試驗任務(wù)，同時(shí)本系統也可以靈活方便地根據技術(shù)發(fā)展的需要進(jìn)行功能擴展。實(shí)驗證明，本車(chē)載測試系統具有廣闊的應用前景。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）