虛擬儀器技術(shù)在汽車檢測中的應(yīng)用

摘要：虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域相結(jié)合所形成的一種全新的儀器種類。它能夠完成傳統(tǒng)儀器不能完成的任務(wù)，本文以虛擬儀器的特點(diǎn)及核心技術(shù)為基礎(chǔ)，介紹虛擬儀器技術(shù)在汽車儀表領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；汽車；檢測

O 引言
    經(jīng)過改革開放三十多年的發(fā)展，汽車工業(yè)在我國已有了很大的發(fā)展，并有了自己的品牌。然而自新中國成立以來，汽車行業(yè)安全檢測線靠國家強(qiáng)制性檢定項(xiàng)目計(jì)量檢定，以工程車為運(yùn)輸工具，攜帶大量各種汽車專用鑒定儀器，進(jìn)行對汽車制造業(yè)生產(chǎn)線儀器不同參數(shù)的計(jì)量檢定并對其檢測。
    上世紀(jì)八十年代美國成功研制了虛擬儀器(Visual Instruments，簡稱VI)。在中國虛擬儀器技術(shù)還沒有得到大面積的普及，但有相當(dāng)一部分高校已經(jīng)把虛擬儀器技術(shù)，特別是LabVIEW和科研試驗(yàn)結(jié)合起來，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)監(jiān)控、振動(dòng)的分析等綜合測試方面取得了可觀的成績。虛擬化后的測試儀器，只需要傳感器、信號調(diào)理電路、DAQ和PC機(jī)，所有的功能鍵、顯示器、曲線都可以在顯示器上重構(gòu)。其操作簡單，用戶可以方便地增、減模塊，進(jìn)行重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求，既不丟失已有的硬件和軟件資源，又能滿足測試要求。

1 LabVIEW簡介
    虛擬儀器是由美國國家儀器公司(National Instrument，簡稱NI)于1986年首先成功研制出的。它是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用功能。虛擬儀器最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，是一種圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。
    傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。LabVIEW程序被稱為VI(Virtual Instrument)即虛擬儀器，這是因?yàn)樗暮芏嘟缑婵丶c操作都模擬了現(xiàn)實(shí)世界中的儀器。LabVIEW提供了大量的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。LabVIEW支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺(tái)上。
1．1 虛擬儀器的特點(diǎn)
    (1)用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。
    (2)虛擬儀器強(qiáng)調(diào)”軟件就是儀器”的新概念，軟件是虛擬儀器的核心。
    (3)虛擬儀器采用模塊化的結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能模塊結(jié)合在一起構(gòu)成了虛擬儀器系統(tǒng)。
    (4)可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。
    (5)虛擬儀器具有圖形用戶界面，體現(xiàn)”所見即所得”的思想。傳統(tǒng)儀器的控制面板在虛擬儀器中被相應(yīng)設(shè)置選項(xiàng)和結(jié)果輸出控制的軟面板所代替。
1．2 虛擬儀器應(yīng)用在工控業(yè)測量
    LabVIEW為高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)測量、自動(dòng)化和控制應(yīng)用提供了無與倫比的靈活性及易用性。其在工業(yè)測量和控制中的平臺(tái)如圖1所示。

2 汽車檢測技術(shù)
    汽車經(jīng)過一百多年的發(fā)展，已以其卓越的性能和廣泛的用途滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，成為人們生活中不可缺少的一種交通工具。
    伴隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，汽車檢測發(fā)展成為一門重要的學(xué)科，并在汽車制造、汽車使用、汽車維修等部門獲得廣泛的應(yīng)用。汽車檢測技術(shù)是綜合利用各種現(xiàn)代化的檢測技術(shù)和先進(jìn)的檢測設(shè)備，在汽車不解體或不完全解體的前提下，判斷出車輛技術(shù)狀況、查明故障部位和原因的一種技術(shù)手段，主要對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操作穩(wěn)定性、安全性、可靠性等進(jìn)行檢測分析，并提供公正的、科學(xué)的數(shù)據(jù)。
2．1 汽車檢測的目的
    (1)安全環(huán)保檢測。安全環(huán)保檢測是指對汽車實(shí)行定期和不定期的，在安全運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)方面所進(jìn)行的檢測。目的是在汽車不解體情況下建立安全和公害監(jiān)控體系，確保車輛具有符合要求的外觀和良好的安全性能，限制汽車的環(huán)境污染程度，使其在安全、高效和低污染工況下運(yùn)行。
    (2)綜合性能檢測。綜合性能檢測是指對汽車實(shí)行定期和不定期綜合性能方面的檢測。目的是在汽車不解體情況下，對運(yùn)行車輛確定其工作能力和技術(shù)狀況，查明故障或隱患部位及原因，對維修車輛實(shí)行質(zhì)量監(jiān)督，建立質(zhì)量監(jiān)控體系，確保車輛具有良好的安全性、可靠性、操作穩(wěn)定性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排氣凈化性和低噪聲污染性，以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2．2 汽車監(jiān)測系統(tǒng)的組成
    汽車的許多參數(shù)大多數(shù)都是非電量。非電量的檢測多采用電測量法進(jìn)行，也就是先將各種非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，然后?jīng)過信號調(diào)理電路等一系列的處理，將非電量的參數(shù)顯示出來，其測量原理如圖2所示。

    傳感器是檢測系統(tǒng)的輸入端，它能把被測量的非電量變換成電量。信號調(diào)理電路的作用是把傳感器從現(xiàn)場采集過來的非電量經(jīng)過一定的處理，使其變換成具有一定功率的電壓、電流或頻率信號等，以此來推動(dòng)后級的顯示電路、數(shù)據(jù)處理電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)據(jù)處理或信號處理裝置送來的電壓和電流信號經(jīng)過顯示器顯示出來。數(shù)據(jù)處理裝置用來對測試所得的結(jié)果進(jìn)行分析、運(yùn)作、處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指各種伺服電機(jī)、電磁鐵、繼電器等在電路中起控制、通斷、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用的電氣設(shè)備。

3 虛擬儀器在汽車中的應(yīng)用
3．1 虛擬儀器在汽車儀表檢測中的應(yīng)用
    在汽車儀表大批量生產(chǎn)的同時(shí)帶來另一個(gè)問題，那就是生產(chǎn)成品的檢驗(yàn)問題。儀表總成是現(xiàn)代汽車的信息中心，它的生產(chǎn)質(zhì)量，關(guān)系到汽車行駛的安全性和整車的質(zhì)量。由于汽車儀表的更新?lián)Q代，新的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)而舊的儀表又沒有退出使用，如何設(shè)計(jì)出一種能針對各種不同型號儀表的檢測設(shè)備應(yīng)用在汽車儀表檢測中己經(jīng)成為一項(xiàng)重要而且極富現(xiàn)實(shí)意義的課題。
    通過NI公司的軟硬件產(chǎn)品對整個(gè)檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)儀表測試所需的各種模擬、數(shù)字、開關(guān)、K-Line、CAN等各種信號參數(shù)，采用NI的PXI系列板卡、中泰的PCM-536以及自制的可編程網(wǎng)絡(luò)電阻和數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換卡組成系統(tǒng)的硬件電路部分。以此為基礎(chǔ)，再利用NI的LabVIEW軟件對整個(gè)測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終目標(biāo)是研制一個(gè)小巧、靈活、可靠性高的便攜式檢測系統(tǒng)，在汽車儀表檢測中它能夠針對大部分的車型，模擬產(chǎn)生儀表所需的各種采集信號信息，并且通過CAN接口與被測儀表進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)汽車狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)反饋。
    (1)汽車儀表測試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、數(shù)字I／O通道PXI-6528、信號接線盒、數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)換板卡(這里我們采用型號為PCL-841CAN通信板卡)、自制的可編程網(wǎng)絡(luò)電阻、供電電源以及被檢測的汽車各種儀表等主要部分，其組織結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    (2)測試平臺(tái)分為兩個(gè)部分：其中一部分是各種模塊功能測試的切換按鍵：另一部分是模擬汽車儀表板的顯示界面，如車速表、轉(zhuǎn)速表、水溫表、燃油表、里程指示以及各種報(bào)警和開關(guān)信號等信息顯示。儀表檢測系統(tǒng)軟件采用NI公司的LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用LabVI-EW的圖形化程序語言，以一種很直觀的方法建立前面板人機(jī)界面和程序框圖，其組織結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

    通過NI公司的LabVIEW軟件平臺(tái)對整個(gè)測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)踐證明它不僅降低了生產(chǎn)成本，提高了檢測效率，確保了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且一個(gè)完整的汽車智能數(shù)字儀表的檢測系統(tǒng)，也適用于通用的汽車儀表檢測系統(tǒng)。
3．2 虛擬儀器在汽車車內(nèi)測試系統(tǒng)(IVDAS)中的應(yīng)用
    汽車車內(nèi)測試系統(tǒng)(IVDAS)作為最常見的汽車電子測試應(yīng)用之一，優(yōu)于傳統(tǒng)的車內(nèi)測試系統(tǒng)，傳統(tǒng)的車內(nèi)測試系統(tǒng)使用獨(dú)立的數(shù)據(jù)記錄儀僅記錄一般的數(shù)據(jù)和報(bào)警，而IVDAS在進(jìn)行記錄和分析汽車內(nèi)的各種傳感器信號的同時(shí)，還對測試系統(tǒng)的可靠性、便攜性和開發(fā)性等有較高的要求。
    美國B&B公司在NI公司的LabVIEW和PXI／SCXI基礎(chǔ)上開發(fā)出了IVDAS，系統(tǒng)顯示了虛擬儀器在測試領(lǐng)域應(yīng)用的靈活性。SCXI機(jī)箱內(nèi)嵌入了各種信號調(diào)理模塊，模塊的模式由信號的種類決定，各種信號采集和處理的整合由LabVIEW程序來完成。IVDAS的優(yōu)越性能源于使用PIX和SCXI所帶來的靈活性和可升級性。其可能的升級包括：增強(qiáng)觸摸屏功能、語音合成、語言辨識、運(yùn)動(dòng)控制、GPS接受和中控單元。
    美國B&B公司的測試系統(tǒng)顯示了虛擬儀器在汽車測試領(lǐng)域應(yīng)用的靈活性，基于上述靈活性，使得IVDAS可以完全替代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄儀。

4 小結(jié)
    隨著檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)將會(huì)更多地在檢測專業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文主要基于NI公司的LabVIEW和PXI系列板卡等軟硬件，由于LabVIEW圖形化的編程平臺(tái)，使用戶能夠根據(jù)自己的需求，在較短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建一套適合自己的汽車測試系統(tǒng)。它不僅減少了系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試周期，以及可執(zhí)行程序的快速生成，還大大節(jié)約了檢測系統(tǒng)的成本。