基于Lab Windows/CVI的汽车转鼓实验台测控系统的设计 系统, Windows, 数据采集, 处理器

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1 引言
汽车转鼓实验台（又称底盘测功机）是一种大型室内汽车试验设备，是一种完成汽车整车试验的台架试验系统。传统的转鼓实验台测控系统由传感器、多路信号处理器、AD/DA转换器，工业控制测试主机和X-Y曲线绘图仪等设备组成。系统构成比较复杂，测控系统的程序一般由VC或其他高级编程语言构成，程序调试和参数的修改均比较繁琐。基于Lab Windows/CVI语言的虚拟仪器测控系统，以传感器，信号调理电路，数据采集卡构成数据采集系统。系统通过计算模拟行驶阻力，通过数据采集卡输出模拟直流电压信号，再通过信号处理和电路转换产生激磁电流，并通过同步交流电机对测试车辆进行加载。整个测控系统结构简单，程序的设计和调试工作量小，测试采集量和数据计算结果的显示通过工控机显示器完成，是一个理想的汽车转鼓实验台测控平台。本文将以转鼓实验台动力性测试的测控系统为研究对象，探讨虚拟仪器在该测控系统中的应用。
2 基于Lab Windows/CVI的汽车转鼓实验台测控系统
对于车辆动力性测试的测试系统而言, 汽车转鼓实验台的测控系统可分为3个模块：①数据采集模块，其功能是实时采集滚筒的转速及扭矩信号；②行驶阻力模拟程序以及转鼓实验台功能扩展程序，其功能为处理所采集的数据，计算模拟加载阻力值以及显示测试系统所需的输出量；③控制模块, 其功能是根据程序计算得到的模拟阻力值，通过输出信号处理和电路转换生成按标定确定的激磁电流，由交流电机对车辆进行加载。
基于虚拟仪器的转鼓实验台测控系统由传感器，数据采集卡，工控机和虚拟测控软件Lab Windows/CVI的程序构成, 其系统结构总图如图1所示。

图1　基于虚拟仪器的转鼓实验台测控系统结构图

3 基于虚拟仪器的数据采集系统硬件
虚拟仪器的硬件平台由PC计算机、中泰PCI-7333数据采集卡，配以相应的传感器组成。
3.1 传感器及调理电路
（1）传感器。传感器完成信号的获得, 它将被测参量转换成相应的可用输入信号。
（2）信号调理电路。通常，传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或标定模拟信号，使其符合数据采集卡量程范围。然后，经数据采集卡的A/D转换器对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
3.2 数据采集卡及虚拟仪器硬件平台
本实验系统采用中泰PCI-7333数据采集卡。PCI-7333多功能数据采集卡适用于提供PCI总线插槽的PC系列微机，具有16路模拟输入通道和2路模拟输出通道和即插即用（PnP)等功能。它提供的动态链接库文件Usb7K7kC.dll，所封装的函数可以被其他应用程序在运行时直接调用。
扭矩传感器采集的模拟信号送入PCI-7333的模拟通道，经A/D转换后的数据结果通过先进先出存储器缓存后由USB总线读出；转速信号经转速采样整形后通过采集卡16位字长的计数/定时器接口输出。
4 转鼓实验台输出控制——模拟行驶阻力原理
阻力加载是转鼓实验台模拟道路行驶阻力的主要组成部分。转鼓实验台的控制模块, 就是根据程序计算得到的模拟阻力值，通过输出信号处理和电路转换生成激磁电流，由交流电机对车辆进行加载。
4.1 汽车路试行车阻力数学模型

4.2 汽车台试行车阻力数学模型

4.3 转鼓实验台加载阻力控制

5 基于Lab Windows/CVI的转鼓实验台测控系统软件设计
Lab Windows/CVI是美国NI公司开发的基于标准C语言的可视化、交互式的虚拟软件开发工具，具有标准Windows风格的操作界面，可在多种操作系统下运行，它不但有丰富的函数库，还集成了各种专业的测控工具，提供了优越的硬件接口功能，基于该环境可以充分利用各种资源配置系统结构，进而达到系统最优、成本最低的目的。
在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。对于转鼓实验台动力性测试的多功能测试要求，用户可以根据各测试功能的需要将具有一种或多功能的通用模块相结合, 并且调用不同功能的软件模块, 就能完成不同的测试任务。转鼓实验台测控系统Lab Windows/CVI程序的基本任务有3个：①通过软件编程设计各种测量模块, 完成各种测量任务的程序设计；②通过软件编程输出交流电机所需的激磁电流放大信号，控制交流电机的加载；③为各测试功能模块设计相应的面板, 并按转鼓实验台的试验要求设计结果显示系统。图2为汽车转鼓实验台测控软件的前面板图。

图2 汽车转鼓实验台测控软件前面板

5.1 信号采集模块
Lab Windows/CVI为大多数数据采集卡、总线等相关设备提供了驱动程序，在使用过程中只要安装了驱动程序，就可以调用相关的函数完成对设备的初始化、配置等操作。对于中泰USB7333数据采集卡，由于Lab Windows/CVI提供的仪器驱动程序无法直接驱动，故采用直接操作端口地址法，用C语言提供的端口输入函数inp ( )、inpw( )和端口输出函数outp ( )、outpw( )对系统板端口直接操作，以实现底层I/O驱动。
5.2 加载阻力计算模块
加载阻力计算模块的输入为滑行实验获得的模型系数、车速、滚筒半径、整车质量以及质量换算系数。此模块的功能是把速度信号按等距离离散化生成一系列数列，然后对生成的数列每相邻两点进行微分，近似求出该段中点处的导数，然后输出各点导数即为角加速度数列。得到加速度数值后，再按上文的加载阻力计算公式以图形化程序进行计算即可得到模拟的加载阻力作为此模块的输出。加载阻力计算原理图如图3所示。

图3 加载阻力计算原理图

5.3 控制信号输出模块
由永磁同步电机在两相坐标系下的数学模型可知：在极对数和反电势系数不变的情况下，交流电机的输出电磁转矩和定子电流的轴分量呈线性关系。即一定的模拟加载阻力矩对应一定大小的模拟励磁电流。由行驶阻力计算模块计算出的模拟加载阻力矩为控制量的输出信号，对这个输出量进行标定后，由得到相应的模拟励磁电流。得到的励磁电流信号将通过指定的数据采集卡输出通道输出给信号处理及电路转换系统。
6 结论
由虚拟仪器技术构建的转鼓实验台测控系统主要由数据采集系统和基于Lab Windows/CVI的加载阻力模拟程序构成。在普通PC机的硬件平台上，对虚拟仪器的硬件和软件进行一定的配置后，就可以通过加载设备对模拟车辆行驶阻力进行实时的控制，从而较精确地模拟车辆的行驶状况。与传统转鼓实验台的测控系统相比，基于虚拟仪器技术的测控系统结构简单，硬件驱动均有相应的配套软件给予支持。同时，基于Lab Windows/CVI的程序编程工作量相对较小，便于调试和修改。通过虚拟仪器构成的转鼓实验台演示系统也可以借助普通PC机的显示器进行实时显示，数据的存储和打印，也可以通过Lab Windows/CVI相应功能模块方便地完成。