浅谈虚拟仪器技术在汽车检测中的应用

    经过改革开放三十多年的发展，汽车工业在我国已有了很大的发展，并有了自己的品牌。然而自新中国成立以来，汽车行业安全检测线靠国家强制性检定项目计量检定，以工程车为运输工具，携带大量各种汽车专用鉴定仪器，进行对汽车制造业生产线仪器不同参数的计量检定并对其检测。

　　上世纪八十年代美国成功研制了虚拟仪器（Visual Instruments，简称VI）。在中国虚拟仪器技术还没有得到大面积的普及，但有相当一部分高校已经把虚拟仪器技术，特别是LabVIEW和科研试验结合起来，在汽车发动机试验监控、振动的分析等综合测试方面取得了可观的成绩。其操作简单，用户可以方便地增、减模块，进行重新配置现有系统以满足新的测试要求，既不丢失已有的硬件和软件资源，又能满足测试要求。

　　LabVIEW简介

　　LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。虚拟仪器有代表性的图形化编程软件是美国NI公司推出的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），是一种图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。

　　传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。LabVIEW程序被称为VI（Virtual Instrument）即虚拟仪器，这是因为它的很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器。LabVIEW提供了大量的工具箱和函数库，并集成了很多仪器硬件库。LabVIEW支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序可直接移植到其它平台上。

　　虚拟仪器的特点及介绍

　　虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

　　用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

　　虚拟仪器强调”软件就是仪器”的新概念，软件是虚拟仪器的。

　　虚拟仪器采用模块化的结构，各个功能模块结合在一起构成了虚拟仪器系统。

　　充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

　　虚拟仪器具有图形用户界面，体现”所见即所得”的思想。传统仪器的控制面板在虚拟仪器中被相应设置选项和结果输出控制的软面板所代替。

　　虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PX工和DAQ四种标准体系结构：

　　GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准枣工EEE 488.1和工EEE488.2。它是早的仪器总线。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。

　　VXI（VMEbus extension for Instrumentation）即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年山主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI体系结构综合了GPIB和VEM总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。

　　PXI（PCI extension for Instrumentation）PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其是Compact PCI 结构Microsoft Windows软件。PXI 是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。

　　DAQ（Dara AcQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-BasedInstruments），实现“一机多型”和“一机多用”。在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。

　　虚拟仪器中各种标准仪器的互连及与计算机的连接目前多使用IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。

　　虚拟仪器应用在工控业测量

　　LabVIEW为高标准的工业测量、自动化和控制应用提供了无与伦比的灵活性及易用性。其在工业测量和控制中的平台如图1所示。

　　汽车检测技术

　　汽车检测是指为确定汽车技术状况或工作能力所进行的检查和测量。

　　汽车经过一百多年的发展，已以其卓越的性能和广泛的用途渗透到人类活动的各个领域，成为人们生活中不可缺少的一种交通工具。

　　伴随着汽车工业的迅猛发展，特别是现代电子技术和计算机技术的进步，汽车检测发展成为一门重要的学科，并在汽车制造、汽车使用、汽车维修等部门获得广泛的应用。汽车检测技术是综合利用各种现代化的检测技术和先进的检测设备，在汽车不解体或不完全解体的前提下，判断出车辆技术状况、查明故障部位和原因的一种技术手段，主要对汽车的动力性、经济性、操作稳定性、安全性、可靠性等进行检测分析，并提供公正的、科学的数据。

　　按汽车检测的目的可分为安全环保检测和综合性能检测两大类

　　（1）安全环保检测。安全环保检测是指对汽车实行定期和不定期的，在安全运行和环境保护方面所进行的检测。目的是在汽车不解体情况下建立安全和公害监控体系，确保车辆具有符合要求的外观和良好的安全性能，限制汽车的环境污染程度，使其在安全、高效和低污染工况下运行。

　　（2）综合性能检测。综合性能检测是指对汽车实行定期和不定期综合性能方面的检测。目的是在汽车不解体情况下，对维修车辆实行质量监督，建立质量监控体系，确保车辆具有良好的安全性、可靠性、操作稳定性、动力性、经济性、排气净化性和低噪声污染性，以创造更大的经济效益和社会效益。

　　汽车监测系统的组成

　　汽车的许多参数大多数都是非电量。非电量的检测多采用电测量法进行，也就是先将各种非电量转变为电量，然后经过信号调理电路等一系列的处理，将非电量的参数显示出来，其测量原理如图2所示。

　　传感器是检测系统的输入端，它能把被测量的非电量变换成电量。数据处理或信号处理装置送来的电压和电流信号经过显示器显示出来。数据处理装置用来对测试所得的结果进行分析、运作、处理。执行机构是指各种伺服电机、电磁铁、继电器等在电路中起控制、通断、调节、保护等作用的电气设备。

　　虚拟仪器在汽车中的应用

　　虚拟仪器在汽车仪表检测中的应用

　　在汽车仪表大批量生产的同时带来另一个问题，那就是生产成品的检验问题。仪表总成是现代汽车的信息中心，它的生产质量，关系到汽车行驶的安全性和整车的质量。由于汽车仪表的更新换代，新的产品不断出现而旧的仪表又没有退出使用，如何设计出一种能针对各种不同型号仪表的检测设备应用在汽车仪表检测中己经成为一项重要而且极富现实意义的课题。

　　通过NI公司的软硬件产品对整个检测系统进行设计，根据仪表测试所需的各种模拟、数字、开关、K-Line、CAN等各种信号参数，在汽车仪表检测中它能够针对大部分的车型，模拟产生仪表所需的各种采集信号信息，并且通过CAN接口与被测仪表进行通信，从而实现汽车状态信息的实时反馈。

　　汽车仪表测试系统的硬件系统主要包括工控机、数字I／O通道PXI-6528、信号接线盒、数据通信转换板卡（这里我们采用型号为PCL-841CAN通信板卡）、自制的可编程网络电阻、供电电源以及被检测的汽车各种仪表等主要部分，其组织结构图如图3所示。

　　测试平台分为两个部分：其中一部分是各种模块功能测试的切换按键：另一部分是模拟汽车仪表板的显示界面，如车速表、转速表、水温表、燃油表、里程指示以及各种报警和开关信号等信息显示。仪表检测系统软件采用NI公司的LabVIEW平台进行设计，本系统采用LabVI-EW的图形化程序语言，以一种很直观的方法建立前面板人机界面和程序框图，其组织结构图如图4所示。

　　通过NI公司的LabVIEW软件平台对整个测试系统进行设计，经过实践证明它不仅降低了生产成本，提高了检测效率，确保了产品的质量，而且一个完整的汽车智能数字仪表的检测系统，也适用于通用的汽车仪表检测系统。

　　虚拟仪器在汽车车内测试系统（IVDAS）中的应用

　　汽车车内测试系统（IVDAS）作为常见的汽车电子测试应用之一，优于传统的车内测试系统，传统的车内测试系统使用独立的数据记录仪仅记录一般的数据和报警，而IVDAS在进行记录和分析汽车内的各种传感器信号的同时，还对测试系统的可靠性、便携性和开发性等有较高的要求。

　　美国B&B公司在NI公司的LabVIEW和PXI／SCXI基础上开发出了IVDAS，系统显示了虚拟仪器在测试领域应用的灵活性。SCXI机箱内嵌入了各种信号调理模块，模块的模式由信号的种类决定，各种信号采集和处理的整合由LabVIEW程序来完成。其可能的升级包括：增强触摸屏功能、语音合成、语言辨识、运动控制、GPS接受和中控单元。

　　美国B&B公司的测试系统显示了虚拟仪器在汽车测试领域应用的灵活性，基于上述灵活性，使得IVDAS可以完全替代传统的数据记录仪。

　　小结

　　随着检测技术和计算机技术的进一步发展，虚拟仪器技术将会更多地在检测领域得到应用。本文主要基于NI公司的LabVIEW和PXI系列板卡等软硬件，由于LabVIEW图形化的编程平台，使用户能够根据自己的需求，在较短的时间内构建一套适合自己的汽车测试系统。它不仅减少了系统的开发调试周期，以及可执行程序的快速生成，还大大节约了检测系统的成本。