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虛擬儀器技術在汽車上的應用

Apr 18,2024

測試儀器作為科學技術發展中必不可少的組成部分，對科學水平的提高和發展起到了很大的推動作用。隨著科學技術的發展，特別是電子技術水平的不斷提高，極大地推動了測試技術的進步。在這種背景下，八十年代末美國研制成功虛擬儀器(VisualInstruments，簡稱VI)。在國外，虛擬儀器技術在汽車和發動機行業得到了蓬勃發展。國外的很多大學特別是一些企業已經開發出了很多相關產品，如 SanDiego State UNIversity(美國圣地亞哥大學)開發出了用于混合動力汽車燃油消耗和排放的模擬和優化系統。在國內，虛擬儀器技術對很多人來說還比較陌生，還沒有得到大面積的普及，但現在逐漸有很多公司和高校開始把虛擬技術運用到生產和科研中。國內有些大學已經把虛擬儀器技術，特別是LabVIEW和科研試驗接合起來，在發動機試驗監控、發動機振動的分析、汽油發動機綜合測試等方面取得了一定的成果。

2虛擬儀器技術

所謂虛擬儀器就是利用現有的計算機，加上特殊設計的儀器硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的具有特殊功能的高檔低價的新型儀器。虛擬儀器代替了傳統儀器，改變了傳統儀器的使用方式，提高了儀器的功能和使用效率，大幅度地降低了儀器的價格。用戶可使用相同的硬件系統，通過不同的軟件編程就可以充分發揮自己的才能、想象力，按自己的意愿隨心所欲地設計自己的儀器系統，實現功能完全不同的各種測量。可見，軟件系統是虛擬儀器的核心，軟件可以定義各種儀器，因此可以說“軟件就是儀器”。在整個虛擬儀器中，計算機，也就是我們常說的PC機，是虛擬儀器的靈魂。

虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平臺和測控功能平臺。按照測控功能硬件的不同，虛擬儀器可分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標準體系結構，用來進行信號采集、傳輸、控制。虛擬儀器系統的硬件構成如圖1所示。


與傳統的測試儀器相比，虛擬儀器不僅具有面向對象應用程序的特點，而且具有真實儀器的外觀、實用性和可操作性，其主要優點如下：(1)可以比較容易地實現檢測功能;(2)人機交互界面清晰美觀，而且容易構造;(3)系統有很大的靈活性，可以根據需要修改和重新定義功能，(4)開發周期短，成本較低。

3虛擬儀器在汽車中的應用

3.1虛擬儀器在液力變矩器中的應用

液力變矩器的性能直接影響汽車的行駛安全性，可以利用虛擬儀器技術，測量不同轉速和進口壓力下的液力變矩器的性能參數(如圖2)。通過人機接口完成試驗設計和系統資源的配置以及測試數據的回放和打印。主控臺負責系統間的通信和協調工作，根據初始信息調用儀器驅動程序，接收從I/0口回饋的試驗信號，經數據處理后，發出控制信號使液力變矩器到達預定狀態，并保持穩定，同時對該狀態進行性能測試。該系統明顯優于傳統的測試儀，更加利于系統功能的擴充和智能測試與診斷的開發。


3.2虛擬儀器在汽車的制動性和操縱穩定性中的應用

在傳統的汽車的制動性和操縱穩定性測試過程中，主要采用五輪儀、非接觸式車速儀以及方位陀螺儀、垂直陀螺儀等儀器。這些設備大多結構復雜、成本較高，有些參數的測量誤差較大，沒有綜合測試的配套軟件、數據處理不方便等，而利用虛擬儀器可以很方便的解決傳統測試中的問題(如圖3)。


此系統主要由接口電路、軟件和虛擬儀器面板組成，其中硬件可實現與PC機的接口，即完成模數轉換、數字量輸人輸出及記數器/定時器操作等功能。軟件包括驅動接口和儀器功能程序。由以上測試原理構成的汽車綜合測試系統，克服了有些硬件檢測儀器需要使用模擬跟蹤儀繪制曲線，靠人工判別辨認的缺點，實現了全數字化處理。

3.3虛擬儀器在車輛防抱制動系統中的應用

車輛防抱制動系統(ABS)是減少交通事故的有效部件。將虛擬儀器引人ABS中，不僅能將傳統儀器所包含的信號采集與控制、分析處理和結果顯示全部在個人計算機中實現，而且用戶能根據其自身的需要，通過修改軟件方便地變更、增減儀器的功能和規模。該系統(如圖3)不僅能完成對輸人數據采集、處理、分析，也能夠完成輸出數據的分析、結果顯示，更重要的是能方便地改變防抱死控制模式，郎使用不同控制模塊進行控制，以研究多種模式的效果，減少了試驗儀器的投人。


3.4虛擬儀器在車橋檢測中的應用

汽車驅動橋整車道路試驗雖然能如實地反映行駛時的實際情況，但需要消耗大量的人力和物力，而且試驗周期很長，控制也很困難。采用室內臺架試驗的方法對驅動橋總成進行性能試驗，能夠更早發現問題。基于虛擬儀器的HCQ-3.0試驗系統(如圖4)主要由道路模擬系統(主要包括滾筒和飛輪組)、液壓加載系統、數據采集與控制系統、計算機監測與分析系統、動力傳動系統(主要包括發動機、離合器、變速器、傳動軸)、車橋的夾固系統以及安全防護裝置等組成。 HCQ-3.0檢測軟件對試驗系統進行控制，與試驗臺一起共同完成對汽車驅動橋性能的檢測及數據獲取、處理、分析、顯示、保存，并進行檢測檔案管理。


4 結束語

國外虛擬儀器技術已廣泛應用于各個領域，在車輛檢測、生產中也已運用多年，而在我國該項技術的應用相對較晚。由于虛擬儀器具有上述諸多特點，可大大節省項目的資金投人，提高效益、效率，所以值得在汽車領域大力推廣。目前，基于PC機的虛擬儀器技術正向高性能、多功能、集成化和網絡化方向發展，虛擬儀器技術能促進車輛測試儀器的發展，有良好的應用前景。