基于虚拟仪器技术的道路试验测试系统

摘要：基于虚拟仪器技术设计了用在车辆控制器开发中的道路试验测试系统，介绍了通过外部特征量和单片机内部运行信息的同步采集进行车辆控制器道路试验的方法、测试系统的硬件构成以及基于多线程技术的测试软件设计方法。该测试系统可以完成模拟信号、数字信号、串口数据的同步采集和分析，并在ABS控制器的道路试验中得到了验证。 关键词：虚拟仪器 数据采集 控制器开发 道路试验 ABS 随着人们对车辆性能要求的提高和电子技术的快速发展，车辆电子控制器的开发已经成为汽车制造业的热点。汽车整车道路试验是车辆控制器开发的最终阶段，是全面测试和鉴定车辆性能的一种重要手段。 由于控制器开发中数据采集要求及性能评价测试项目的多样化，功能单一、灵活性差、使用复杂、更新和维护成本高的传统仪器已经不能很好地满足车辆道路试验需要。而虚拟仪器技术的发展为车辆道路试验测试系统的设计和开发提供了新的思路。利用该技术，可以更好地发挥计算机强大的信息处理功能和图形界面功能，大大简化了测试设备，适合测试现场使用。 本文设计的基于虚拟仪器技术的车载道路试验测试系统，为实车试验性能测试和控制器开发提供了灵活、高效的测试平台。 1 测试系统总体介绍 1．1 车辆控制器开发中的道路试验测试方法 实车道路试验是车辆控制器开发中的最重要环节，根据信息来源和分析方法的不同，实车道路试验测试可以分为控制器外部特征量采集分析和单片机内部运行信息采集分析两类。例如，防抱死制动ABS系统的控制器实车道路试验数据采集框图如图1所示。 外部特征最采集是传统的实车测试的一种手段。将控制器视为一个黑盒子，对能够表征控制器控制效果的车辆信息进行采集处理，既可以得到控制器的控制效果的客观评价，又可以根据特征量的分析追溯到控制软件源程序的相关功能代码，对控制软件实现匹配。但是通过外部特征量只能间接推测控制内部运行情况，有时不能准确找到问题的实质所在。 而单片机内部运行信息的采集直接跟踪控制器控制程序运行信息，对控制程序的流程进行实时监控，是进行控制器程序调试和逻辑验证的有效手段。 控制器外部特征量和单片机内部运行信息对于控制器的开发匹配来说各有优势，均对控制器的道路试验测试有着重要意义。 1．2 测试系统总体结构 虚拟仪器技术的发展为测试系统的开发提供了良好平台。虚拟仪器利用计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集、测试和调理。 本文结合实际的车辆测试和车辆控制器开发经验，基于虚拟仪器技术了道路试验数据测试系统。该系统由计算机、仪器硬件和应用软件等组成，总体方案如图2所示。 系统主要功能为：（1）多通道模拟信号和数字信号的采集；（2）控制器内部运行信息的采集；（3）控制器外部特征量和单片机内部运行信息的同步采集；（4）在线数据监控显示、离线数据处理；（5）多种数据格式的保存和转换；（6）车辆测试性能的自动微型计算和评价。 2 测试系统硬件构成 系统硬件由带有串口的计算机和数据采集卡组成。计算机选用便携式微型计算机，便于车载测试使用。数据采集卡选用带有PCMCIA接口的采集卡，可以直接插在便携式计算机上。例如，可以选用NI公司的DAQ_700数据采集卡，它具有8路双端/16路单端模拟输入通道，采样速率为100kbps的12位A/D转换器，16路TTL可编程数字I/O口，三个独立的16位可编程定时/计数器。 用PCMCIA采集卡和信号调理仪为硬件而组成的PC-DAQ测试系统可以对控制器的外部特征量进行采集。 对于单片机内部运行信息的采集，采用单片机和上位机的串口通讯方式，将ECU单片机中的串口信息引出，经过电平转换芯片实现硬件通讯。在控制器控制软件中附加了程序变量监控模块，通过串口向上位机发送监控的变量值，实现控制器运行信息的监控。 本测试系统通过PC-DAQ测试系统和串口系统实现了控制器的道路试验数据采集功能，具有硬件简单、成本低、携带容易等优点，适于道路试验测试使用。 图4 3 测试系统软件设计 软件设计是测试系统设计的核心问题，本系统的软件开发采用虚拟仪器技术的LabWindows/CVI6.0软件平台。LabWindows/CVI以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与数据采集和分析等测控专用工具有机地结合起来，具有很强的数据处理及分析功能。 测试系统的软件总体结构见图3。它主要分为数据采集、数据处理和离线分析三个模块。 3．1 数据采集模块 数据采集的测试软件的底层部分，数据采集的软件基础是硬件的驱动程序，LabWindows/CVI提供了功能强大的硬件驱动库函数。基于硬件驱动程序，本模块分为数据采集卡采集和串口数据采集两部分。 3．1．1 基于PCMCIA卡的数据采集 本部分实现模拟信号、数据信号、脉冲信号的采集。根据采集参数的设置（如通道选择、采样频率、采样方式选择、数据增益等）对数据卡进行初始化，根据需要启动停止采集。 控制器外部特征量均通过本方法采集得到。外部特征量一般可分为模拟信号和脉冲信号两类，例如制动管路压力传感器信号为模拟信号，轮速传感器信号为脉冲信号。模拟信号通过模拟通道进行采集，脉冲信号通过计数器口进行采集。另外，本测试系统开发了脉冲信号测试算法，即将脉冲信号通过模拟口采集，在后台进行整型、计算后，得到频率信息，解决了道路试验的轮速车速等频率信号的测试问题。 图5 3．1．2 串口数据采集 用串口数据采集监控ECU运行情况。其软件实现包括两个方面：一是ECU监控串口数据发送的实现，即控制程序中添加独立的程序变量监控模块。变量监控进行与主进程同步，每个控制周期向外发送一组监控变量数据的串口数据的接收实现，使用LabWindows/CVI的串口操作库函数来设置波特率等串口属性，实现串口数据接收的开始和结束。 3．1．3 数据采集卡与串口的同步数据采集的实现 为了实现数据采集卡与串口的同步数据采集，以及数据采集模块与数据处理模块的数据传递问题，本测试系统软件采用了多线程技术。多线程技术为用户编写并行执行的多任务程序提供了许多方便，极大地提高了CPU利用率以及程序的运行效率。 本测试软件以用户界面接口与主线程，负责生成界面、实时显示数据、生成后台次线程、控制测试过程等；主线程可以根据设定生成两个次线程，一个负责数据采集卡，一个负责串口，实现了同步采集和数据传递。 3．2 数据处理模块 数据处理模块包括数据实时显示和数据存储两部分。对于从数据采集模块得到的实时数据，首先需要进行参数处理。对于数据采集卡数据，应根据采集卡参数和用户设置的增益对数据进行加工，对于串口数据，需要根据单片机发送的数据构成规则对数据进行整合。转化后的数据既可以送到"Strip Chart Graph"控件中实现曲线实时显示，也可以保存至文件。数据文件的格式可以自行设定，包括二进制格式和文本格式等。 3．3 离线分析模块 本模块的功能是将数据文件进行离线分析和处理首先将数据文件导入，可以导入二进制和文本两种格式的文件。其次，对导入数据进行分析。利用LabWindows/CVI开发了以下工具：曲线组设置工具，可以实现曲线按组显示；曲线编辑工具，实现选择曲线的偏移量、显示、比例、颜色等属性的设置；另外，还有曲线浏览工具、曲线显隐工具、数据对比窗等。第三，根据车辆测试的需要，开发性能评价工具。另外，本功能模块还具有数据滤波设置、曲线打钱等功能。 图6 4 测试系统在ABS系统道路试验中的应用 在自主开发防抱死制动ABS控制器过程中，使用本测试系统，道路试验测试方案如图1所示。将外部特征量信号与PCMCIA卡相应端口连接，将ECU与测试系统串口连接。在道路试验测试过程中，实时采集数据，测试ABS控制器的控制效果。 某次对接路面（由低附着路面制动到高附着路面）制动后得到一组数据，对数据进行分析，下面进行具体说明。 （1）左前轮的轮速数据如图4所示。轮速信号有两种表现形式，一是轮速传感器信号直接由数据采集卡采集，二是轮速信号经过ECU计算，通过串口送到测试系统中。测试系统实现采集卡和串口数据的同步采集，在离线分析串口中进行显示，发现二者重合较好，可以证明ABS控制器的轮速算法正确。 （2）后轮制动压力数据如图5所示。图5中有两条曲线，上面一条表示后轮通道制动压力，通过压力传感器由PCMCIA卡采集得到；下面一条表示后轮电磁阀动作，通过串口信息得到。二者同步采集，可以分析ABS控制器的控制逻辑是否正确。图中数据表明电磁阈动作合理，后轮通道制动压力与电磁阈动作一一对应。 （3）制动性能指标计算如图6所示。通过选择制动性能评价工作，可自动计算得到制动距离为23.66米、制动平均减速度为-3.27m/s2，便于进行制动效果记录和对比。 实验证明，使用本测试系统，大大提高了ABS控制器匹配测试的效率，缩短了ABS系统开发周期。 本文从车辆控制器开发和车辆道路试验的实际经验出发，基于虚拟仪器技术开发了用于车辆控制器开发的道路试验测试系统。本系统硬件构成简单，由便携式电脑和PCMCIA采集卡组成，设置成本低、轻便、适合车载测试环境。基于LabWindows/CVI软件平台开发了测试系统软件，利用多线程技术实现了数据采集卡和串口的同步数据采集，同时开发了硬件驱动、数据采集、数据处理、离线分析等软件测试模块。本测试系统不仅适用于车辆控制器开发的道路试验测试，也适用于各种汽车性能测试的试验任务，同时本系统也可以灵活方便地根据技术发展的需要进行功能扩展。实验证明，本车载测试系统具有广阔的应用前景。