基于Lab Windows/CVI的汽車(chē)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

　　汽車(chē)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)（又稱(chēng)底盤(pán)測(cè)功機(jī)）是一種大型室內(nèi)汽車(chē)試驗(yàn)設(shè)備，是一種完成汽車(chē)整車(chē)試驗(yàn)的臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)由傳感器、多路信號(hào)處理器、AD/DA轉(zhuǎn)換器，工業(yè)控制測(cè)試主機(jī)和X-Y曲線繪圖儀等設(shè)備組成。系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，測(cè)控系統(tǒng)的程序一般由VC或其他高級(jí)編程語(yǔ)言構(gòu)成，程序調(diào)試和參數(shù)的修改均比較繁瑣?；贚ab Windows/CVI語(yǔ)言的虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)，以傳感器，信號(hào)調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算模擬行駛阻力，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬直流電壓信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)處理和電路轉(zhuǎn)換產(chǎn)生激磁電流，并通過(guò)同步交流電機(jī)對(duì)測(cè)試車(chē)輛進(jìn)行加載。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作量小，測(cè)試采集量和數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的顯示通過(guò)工控機(jī)顯示器完成，是一個(gè)理想的汽車(chē)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控平臺(tái)。本文將以轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力性測(cè)試的測(cè)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討虛擬儀器在該測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 基于Lab Windows/CVI的汽車(chē)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

　　對(duì)于車(chē)輛動(dòng)力性測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)而言, 汽車(chē)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)可分為3個(gè)模塊：①數(shù)據(jù)采集模塊，其功能是實(shí)時(shí)采集滾筒的轉(zhuǎn)速及扭矩信號(hào)；②行駛阻力模擬程序以及轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能擴(kuò)展程序，其功能為處理所采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算模擬加載阻力值以及顯示測(cè)試系統(tǒng)所需的輸出量；③控制模塊, 其功能是根據(jù)程序計(jì)算得到的模擬阻力值，通過(guò)輸出信號(hào)處理和電路轉(zhuǎn)換生成按標(biāo)定確定的激磁電流，由交流電機(jī)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行加載。
基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)由傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，工控機(jī)和虛擬測(cè)控軟件Lab Windows/CVI的程序構(gòu)成, 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示。

圖1　基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件

　　虛擬儀器的硬件平臺(tái)由PC計(jì)算機(jī)、中泰PCI-7333數(shù)據(jù)采集卡，配以相應(yīng)的傳感器組成。

3.1 傳感器及調(diào)理電路

　?。?）傳感器。傳感器完成信號(hào)的獲得, 它將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸入信號(hào)。

　?。?）信號(hào)調(diào)理電路。通常，傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或標(biāo)定模擬信號(hào)，使其符合數(shù)據(jù)采集卡量程范圍。然后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號(hào)送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)采集卡及虛擬儀器硬件平臺(tái)

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用中泰PCI-7333數(shù)據(jù)采集卡。PCI-7333多功能數(shù)據(jù)采集卡適用于提供PCI總線插槽的PC系列微機(jī)，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(kù)文件Usb7K7kC.dll，所封裝的函數(shù)可以被其他應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)直接調(diào)用。

　　扭矩傳感器采集的模擬信號(hào)送入PCI-7333的模擬通道，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器緩存后由USB總線讀出；轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速采樣整形后通過(guò)采集卡16位字長(zhǎng)的計(jì)數(shù)/定時(shí)器接口輸出。

4 轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)輸出控制——模擬行駛阻力原理

　　阻力加載是轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬道路行駛阻力的主要組成部分。轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制模塊, 就是根據(jù)程序計(jì)算得到的模擬阻力值，通過(guò)輸出信號(hào)處理和電路轉(zhuǎn)換生成激磁電流，由交流電機(jī)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行加載。

4.1 汽車(chē)路試行車(chē)阻力數(shù)學(xué)模型

4.2 汽車(chē)臺(tái)試行車(chē)阻力數(shù)學(xué)模型

4.3 轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)加載阻力控制

5 基于Lab Windows/CVI的轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　Lab Windows/CVI是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的基于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)Windows風(fēng)格的操作界面，可在多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行，它不但有豐富的函數(shù)庫(kù)，還集成了各種專(zhuān)業(yè)的測(cè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)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(tǒng)，通過(guò)不同的軟件編程，就可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的測(cè)量?jī)x器。對(duì)于轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力性測(cè)試的多功能測(cè)試要求，用戶可以根據(jù)各測(cè)試功能的需要將具有一種或多功能的通用模塊相結(jié)合, 并且調(diào)用不同功能的軟件模塊, 就能完成不同的測(cè)試任務(wù)。轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)Lab Windows/CVI程序的基本任務(wù)有3個(gè)：①通過(guò)軟件編程設(shè)計(jì)各種測(cè)量模塊, 完成各種測(cè)量任務(wù)的程序設(shè)計(jì)；②通過(guò)軟件編程輸出交流電機(jī)所需的激磁電流放大信號(hào)，控制交流電機(jī)的加載；③為各測(cè)試功能模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的面板, 并按轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)結(jié)果顯示系統(tǒng)。圖2為汽車(chē)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件的前面板圖。

圖2 汽車(chē)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控軟件前面板

5.1 信號(hào)采集模塊

　　Lab Windows/CVI為大多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡、總線等相關(guān)設(shè)備提供了驅(qū)動(dòng)程序，在使用過(guò)程中只要安裝了驅(qū)動(dòng)程序，就可以調(diào)用相關(guān)的函數(shù)完成對(duì)設(shè)備的初始化、配置等操作。對(duì)于中泰USB7333數(shù)據(jù)采集卡，由于Lab Windows/CVI提供的儀器驅(qū)動(dòng)程序無(wú)法直接驅(qū)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(shù)inp ( )、inpw( )和端口輸出函數(shù)outp ( )、outpw( )對(duì)系統(tǒng)板端口直接操作，以實(shí)現(xiàn)底層I/O驅(qū)動(dòng)5.2 加載阻力計(jì)算模塊

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

圖3 加載阻力計(jì)算原理圖

5.3 控制信號(hào)輸出模塊

　　由永磁同步電機(jī)在兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可知：在極對(duì)數(shù)和反電勢(shì)系數(shù)不變的情況下，交流電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流的軸分量呈線性關(guān)系。即一定的模擬加載阻力矩對(duì)應(yīng)一定大小的模擬勵(lì)磁電流。由行駛阻力計(jì)算模塊計(jì)算出的模擬加載阻力矩為控制量的輸出信號(hào)，對(duì)這個(gè)輸出量進(jìn)行標(biāo)定后，由得到相應(yīng)的模擬勵(lì)磁電流。得到的勵(lì)磁電流信號(hào)將通過(guò)指定的數(shù)據(jù)采集卡輸出通道輸出給信號(hào)處理及電路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

6 結(jié)論

　　由虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于Lab Windows/CVI的加載阻力模擬程序構(gòu)成。在普通PC機(jī)的硬件平臺(tái)上，對(duì)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(shè)備對(duì)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(tǒng)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)相比，基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件驅(qū)動(dòng)均有相應(yīng)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(duì)較小，便于調(diào)試和修改。通過(guò)虛擬儀器構(gòu)成的轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)演示系統(tǒng)也可以借助普通PC機(jī)的顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和打印，也可以通過(guò)Lab Windows/CVI相應(yīng)功能模塊方便地完成。