基于Lab Windows/CVI的汽車轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

　　汽車轉(zhuǎn)鼓實驗臺（又稱底盤測功機）是一種大型室內(nèi)汽車試驗設(shè)備，是一種完成汽車整車試驗的臺架試驗系統(tǒng)。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控系統(tǒng)由傳感器、多路信號處理器、AD/DA轉(zhuǎn)換器，工業(yè)控制測試主機和X-Y曲線繪圖儀等設(shè)備組成。系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，測控系統(tǒng)的程序一般由VC或其他高級編程語言構(gòu)成，程序調(diào)試和參數(shù)的修改均比較繁瑣?；贚ab Windows/CVI語言的虛擬儀器測控系統(tǒng)，以傳感器，信號調(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)通過計算模擬行駛阻力，通過數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬直流電壓信號，再通過信號處理和電路轉(zhuǎn)換產(chǎn)生激磁電流，并通過同步交流電機對測試車輛進行加載。整個測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，程序的設(shè)計和調(diào)試工作量小，測試采集量和數(shù)據(jù)計算結(jié)果的顯示通過工控機顯示器完成，是一個理想的汽車轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控平臺。本文將以轉(zhuǎn)鼓實驗臺動力性測試的測控系統(tǒng)為研究對象，探討虛擬儀器在該測控系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 基于Lab Windows/CVI的汽車轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控系統(tǒng)

　　對于車輛動力性測試的測試系統(tǒng)而言, 汽車轉(zhuǎn)鼓實驗臺的測控系統(tǒng)可分為3個模塊：①數(shù)據(jù)采集模塊，其功能是實時采集滾筒的轉(zhuǎn)速及扭矩信號；②行駛阻力模擬程序以及轉(zhuǎn)鼓實驗臺功能擴展程序，其功能為處理所采集的數(shù)據(jù)，計算模擬加載阻力值以及顯示測試系統(tǒng)所需的輸出量；③控制模塊, 其功能是根據(jù)程序計算得到的模擬阻力值，通過輸出信號處理和電路轉(zhuǎn)換生成按標(biāo)定確定的激磁電流，由交流電機對車輛進行加載。
基于虛擬儀器的轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控系統(tǒng)由傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，工控機和虛擬測控軟件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)鼓實驗臺測控系統(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由PC計算機、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

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

　?。?）信號調(diào)理電路。通常，傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，這是因為傳感器輸出是相當(dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字數(shù)據(jù)之前必須進行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或標(biāo)定模擬信號，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)換器對模擬信號進行數(shù)字化，并把數(shù)字信號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

　　本實驗系統(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，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。它提供的動態(tài)鏈接庫文件Usb7K7kC.dll，所封裝的函數(shù)可以被其他應(yīng)用程序在運行時直接調(diào)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(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過先進先出存儲器緩存后由USB總線讀出；轉(zhuǎn)速信號經(jīng)轉(zhuǎn)速采樣整形后通過采集卡16位字長的計數(shù)/定時器接口輸出。

4 轉(zhuǎn)鼓實驗臺輸出控制——模擬行駛阻力原理

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

4.1 汽車路試行車阻力數(shù)學(xué)模型

4.2 汽車臺試行車阻力數(shù)學(xué)模型

4.3 轉(zhuǎn)鼓實驗臺加載阻力控制

5 基于Lab Windows/CVI的轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　Lab Windows/CVI是美國NI公司開發(fā)的基于標(biāo)準C語言的可視化、交互式的虛擬軟件開發(fā)工具，具有標(biāo)準Windows風(fēng)格的操作界面，可在多種操作系統(tǒng)下運行，它不但有豐富的函數(shù)庫，還集成了各種專業(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(tǒng)結(jié)構(gòu)，進而達到系統(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)，通過不同的軟件編程，就可以實現(xiàn)功能完全不同的測量儀器。對于轉(zhuǎn)鼓實驗臺動力性測試的多功能測試要求，用戶可以根據(jù)各測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, 就能完成不同的測試任務(wù)。轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控系統(tǒng)Lab Windows/CVI程序的基本任務(wù)有3個：①通過軟件編程設(shè)計各種測量模塊, 完成各種測量任務(wù)的程序設(shè)計；②通過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(shè)計相應(yīng)的面板, 并按轉(zhuǎn)鼓實驗臺的試驗要求設(shè)計結(jié)果顯示系統(tǒng)。圖2為汽車轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控軟件的前面板圖。

圖2 汽車轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控軟件前面板

5.1 信號采集模塊

　　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)動程序，在使用過程中只要安裝了驅(qū)動程序，就可以調(diào)用相關(guān)的函數(shù)完成對設(shè)備的初始化、配置等操作。對于中泰USB7333數(shù)據(jù)采集卡，由于Lab Windows/CVI提供的儀器驅(qū)動程序無法直接驅(qū)動，故采用直接操作端口地址法，用C語言提供的端口輸入函數(shù)inp ( )、inpw( )和端口輸出函數(shù)outp ( )、outpw( )對系統(tǒng)板端口直接操作，以實現(xiàn)底層I/O驅(qū)動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驗獲得的模型系數(shù)、車速、滾筒半徑、整車質(zhì)量以及質(zhì)量換算系數(shù)。此模塊的功能是把速度信號按等距離離散化生成一系列數(shù)列，然后對生成的數(shù)列每相鄰兩點進行微分，近似求出該段中點處的導(dǎo)數(shù)，然后輸出各點導(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算公式以圖形化程序進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(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可知：在極對數(shù)和反電勢系數(shù)不變的情況下，交流電機的輸出電磁轉(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應(yīng)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，對這個輸出量進行標(biāo)定后，由得到相應(yīng)的模擬勵磁電流。得到的勵磁電流信號將通過指定的數(shù)據(jù)采集卡輸出通道輸出給信號處理及電路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

6 結(jié)論

　　由虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的轉(zhuǎn)鼓實驗臺測控系統(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機的硬件平臺上，對虛擬儀器的硬件和軟件進行一定的配置后，就可以通過加載設(shè)備對模擬車輛行駛阻力進行實時的控制，從而較精確地模擬車輛的行駛狀況。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)鼓實驗臺的測控系統(tǒng)相比，基于虛擬儀器技術(shù)的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，硬件驅(qū)動均有相應(yīng)的配套軟件給予支持。同時，基于Lab Windows/CVI的程序編程工作量相對較小，便于調(diào)試和修改。通過虛擬儀器構(gòu)成的轉(zhuǎn)鼓實驗臺演示系統(tǒng)也可以借助普通PC機的顯示器進行實時顯示，數(shù)據(jù)的存儲和打印，也可以通過Lab Windows/CVI相應(yīng)功能模塊方便地完成。