汽车整车性能测试分析系统设计.doc

振动测试系统LabVIEW程序编制与调试

南 阳 理 工 学 院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）： 机械与汽车工程学院
专 业： 测控技术与仪器
学 生： 曹亚瑞
指导教师： 何一文

完成日期 2013 年 5 月

32

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

汽车整车性能测试分析系统设计

Design of Measurement and Analysis System for
Automobile Performance

总计： 毕业设计（论文） 32 页
表 格： 2 个
插 图 ： 30 幅

汽车整车性能测试分析系统设计

南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）

汽车整车性能测试分析系统设计

Design of Measurement and Analysis System for
Automobile Performance

学 院（系）： 机械与汽车工程学院
专 业： 测控技术与仪器
学 生 姓 名： 曹亚瑞
学 号： 029109006
指 导 教 师（职称）： 何一文 （讲师）
评 阅 教 师： 李珍
完 成 日 期： 2013年5月

汽车整车性能测试分析系统设计
测控技术与仪器专业 曹亚瑞
[摘 要]随着汽车制造业的发展和市场的激烈竞争，对汽车性能测试仪器的需求也是越来越高，同时由于计算机和软件技术的快速发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。本课题开发了汽车的整车性能测试分析系统。该论文对汽车性能参数测试方法进行了分析和探讨，设计了基于虚拟仪器技术的汽车性能参数测试系统。在探讨过程中，提出了在LabVIEW虚拟仪器软件平台上，采用模块化设计开发应用程序的方法，分别设计了测试汽车的动力性、经济性、平顺性、振动测试及各自的分析部分等几个子功能模块。系统利用LabVIEW软件设计的人性化界面，很好地发挥了虚拟仪器的数据采集、数据测试与分析以及结果输出显示的三大功能。
[关键词]虚拟仪器；汽车性能测试；数据采集；信号分析

Design of Measurement and Analysis System for
Automobile Performance
Measurement and Control Technology and Instruments Major CAO Ya-rui
Abstract: With the development of the auto industry and the market fierce competition, the demand for automobile performance test instrument is also more and more high. Meanwhile, due to the rapid development of computer and software technology, virtual instrument is gradually becoming the development direction in the field of testing. The vehicle performance test and analysis system is developed in this thesis. The test methods of automobile performance parameter are discussed and the test system of automobile performance parameters based on virtual instrument technology is designed in this thesis. In the process of discussion, the development method of application software based on virtual instrument technology and using modular design is given. Several modules such as power performance, economy performance, smooth performance, vibration measurement and their parts of analysis are also designed. Human-based interface of the LabVIEW software is fully used. At the same time, the three big virtual instrument functions of data acquisition, data test and analysis and the results output are fully played.
Key words: virtual instrument; automotive performance test; data acquisition; signal analysis
目 录
1 引言 1
1.1 汽车性能检测技术的发展概况 1
1.1.1 国外汽车性能检测技术概述 1
1.1.2 国内汽车性能检测技术现状 1
1.1.3 汽车检测技术的发展方向 2
1.2 课题研究内容和意义 3
2 虚拟仪器及LabVIEW 4
2.1 虚拟仪器 4
2.1.1 概述 4
2.1.2 虚拟仪器的特点和优势 4
2.1.3 虚拟仪器的结构 5
2.1.4 编程语言 6
2.2 LabVIEW 7
2.2.1 LabVIEW的发展 7
2.2.2 LabVIEW的功能 8
2.2.3 LabVIEW的特点 8
2.2.4 LabVIEW的应用 9
2.2.5 LabVIEW的编程环境 9
3 汽车测试系统的设计 11
3.1 系统硬件组成 11
3.1.1 光电传感器 11
3.1.2 调理电路 12
3.1.3 数据采集 13
3.2 系统软件组成 15
3.2.1 软件模块化设计 15
3.2.2 汽车测试系统的主操作界面 16
3.2.3 汽车动力性操作界面及子VI 16
3.2.4 汽车经济性操作界面及子VI 19
3.2.5 汽车平顺性操作界面及子VI 21
3.2.6 汽车振动测试分析系统介绍 24

4 仿真系统的调试、运行 25
4.1 汽车动力性程序的仿真结果和分析 25
4.2 汽车经济性程序的仿真结果和分析 25
4.3 汽车平顺性程序的仿真结果和分析 27
5 总结与展望 30
参考文献 31
致谢 32

1 引言
1.1 汽车性能检测技术的发展概况
1.1.1 国外汽车性能检测技术概述
国外对汽车检测工作开展较早，一些工业发达国家早在20世纪40至50年代就开始发展以故障诊断和性能检测为主的单项检测技术设备。60年代后期，国外汽车检测诊断技术发展很快，并且大量应用电子、光学、理化与机械相结合的光机电、理化机电一体化检测技术。相应产品有非接触式车速仪、前照灯检测仪、车轮定位仪、排气分析仪等。70年代，随着计算机技术的发展，出现了检测控制自动化、数据处理自动化、检测结果直接打印的现代化综合检测技术[1]。在此基础上，各工业发达国家相继建立汽车检测站和检测线，使汽车检测制度化。
国际上20世纪70年代己开始注意汽车诊断的标准问题。1972年，在美国旧金山召开的第一次国际汽车安全会议就讨论了汽车诊断标准化问题。在该次会议上，德国大众汽车公司首先展出了使用微机的诊断仪器。它利用汽车装设的诊断用传感器和联接器与车外微机相连，能检查88个项目。之后，各国开始研究与开发汽车整车性能测试分析系统，相继推出类似的诊断装置。
20世纪80年代中期，随着计算机的普及以及人工智能技术的发展，开始探讨用于汽车诊断的专家系统，于1987年开发了一个利用发动机油液分析来进行故障诊断的专家系统。这些系统己获初步成功，显示了专家系统的巨大潜力。
目前国际上，车辆性能检测仪器正向着智能化、高精度、便携式、网络化、一体化的方向发展。如今，国外已将最先进的非接触测速技术用于车辆性能检测中，其最大特点是传感器的体积大大缩小，且重量轻,安装携带方便，最高测速可达到250km/h，国际上具有代表性的为日本小野、德国DATRON、瑞士KISTLER等公司的产品。日本近期推出的NICE-AII型综合检验台，实现了单机多功能的综合测试。
1.1.2 国内汽车性能检测技术现状
我国汽车检测技术的研究和开发起步较晚，进入20世纪60年代开始从国外引进或自行研究汽车检测设备，但主要是诊断设备和性能测试仪器，如发动机分析仪、五轮仪、声级计、电动试验台等。为满足汽车维修需要，当时由交通部门主持进行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时灯等检测仪器的研究和开发。
20世纪70年代，我国大力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委的开发应用项目。由交通部主持研制开发了反力式汽车制动试验台、惯性式汽车制动试验台、发动机综合检测仪、汽车性能综合检验台。
进入20世纪80年代后，汽车检测诊断技术得到了迅速发展，我国机动车保有量迅速增加，因而促进了汽车诊断与检测技术的发展。交通部主持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、轴(轮)重仪、速度试验台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功机等测试仪器。
目前全国生产汽车综合性能检测设备的厂家己达60多个，除交通部门外，机械、城建、高等院校等部门也进入汽车检测设备研制、开发、生产以及销售领域。我国已能生产全套汽车检测设备，如大型的技术复杂的汽车底盘测功机、发动机综合分析仪、四轮定位仪、悬挂检验台、制动检验台、排气分析仪、灯光检验仪等。但到目前为止，市场上用于机动车性能检测的仪器中无论进口仪器还是国产仪器，大都还是以单片机 (MCU)为核心的单机形式的测试仪器,例如德国的PEISELER EM/SCH型测试仪、上海汽拖所的NCS-1B型测试仪。
1.1.3 汽车检测技术的发展方向
现代汽车工业发展一日千里，新技术层出不穷，汽车己进入电子时代，汽车检测技术也出现了如下的发展新动向。
(1) 计算机技术应用广泛化
早期的机动车检测都是人工的，其影响因素较多，检测效率也不高。随着电子技术的飞速发展，汽车检测系统开始同其他工业控制系统一样广泛引用电子计算机技术。计算机具有强大的计算能力，可靠的记忆和逻辑判断能力以及人机对话能力，从而使检测的自动化程度、检测速度、检测数据的准确性、公正性和可靠性大大提高，同时也为检测技术人员提供了许多新的测试手段，开拓了新的检测功能。计算机技术必将越来越广泛地应用于机动车性能检测系统中。
(2) 汽车检测管理网络化
目前各地的汽车综合性能检测站部分己实现了计算机管理系统检测，虽然计算机管理系统检测采用了计算机测控，但各个站的计算机测控方式千差万别。即使采用计算机网络系统技术的，也是在一个站内部实现网络化。随着技术和管理的进步，今后机动车性能检测将实现真正的网络化(局域网)，从而做到信息资源、硬件资源和软件资源的共享。在此基础上，利用信息高速公路将全国的汽车综合性能检测站连成一个广域网，使上级交通部门可以及时了解各地区的车辆状况。
(3) 传感技术和显示技术应用的综合化
随着汽车、航天工业的发展，各个国家的传感技术制造水平越来越高，传感器测试精度和可靠性也不断提高，从而使机动车检测设备有了迅速的发展。现有仪器的测量结果可以用发光二极管(LED)、液晶(LCD)以数字显示，也可以通过一定的电路进行零点、温度、滞后及线性等误差修正之后，用伺服电机和减速器推动大型仪表的指针工作。这种仪表的通用化、标准化、清晰化程度均有较大提高，但是不直观，用户界面不友好。以后直接用图形、表格来动态显示测量值的方式，并辅以菜单式的人机对话系统将会是一种发展趋势。
(4) 汽车检侧技术集检测、诊断和预测一体化
目前，机动车检测一般只是根据一些检测数据判定机动车的性能合格与否，至于故障原因往往无法予以诊断分析，这是目前检测技术的一个缺陷。随着科学技术的发展，应用故障机理的解析技术确定和预测汽车技术状况动态特性将成为可能。如何充分利用计算机技术，分析诊断信息参数，提高诊断精确度，开发预测故障专家系统，提高诊断预测水平，使车辆保持良好的状况，并将检测、诊断和预测融为一体，是今后汽车检测的一个发展方向[2]。
1.2 课题研究内容和意义
论文首先叙述了国内外机动车性能检测系统的发展概况，简要介绍了虚拟仪器技术的应用现状与前景，说明了课题的研究意义。然后论述系统所建立的理论依据。最后根据汽车各性能的评价指标，采用NI公司软、硬件构建了汽车整车性能的测试分析系统。系统利用LabVIEW软件设计的人性化界面，很好地发挥了虚拟仪器的数据采集、数据测试与分析以及结果输出显示的三大功能，能够实现实时显示、事后数据分析、数据曲线绘制等功能。本课题所设计的测试系统包括汽车的动力性、经济性及各自的分析部分等几个子功能模块。
随着现代汽车工业的快速发展，汽车测试系统也越来越复杂而庞大。国外科技发达国家借助于其先进的电子与计算机技术，已经实现汽车性能测试系统的自动化、智能化和精密化，而我国汽车性能测试技术相对落后。面对我国汽车保有量迅速增长、车种繁多，以及现代汽车结构和使用条件的日趋复杂，广大汽车生产厂家迫切需要有效地对汽车性能进行测量和结果进行分析处理，使其具有很高的实用性和经济效益。传统的检测手段检测汽车性能已难以满足需要[3]。虚拟仪器的出现填补了模拟仪器和智能仪器的缺点，虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与仪器有关硬件结合起来，用户通过图形界面进行操作的一种仪器，使用虚拟仪器的用户就像在操作自己定义的仪器一样方便。本课题正是利用虚拟仪器来开发汽车性能检测系统，具有较大的现实意义。

2 虚拟仪器及LabVIEW
2.1 虚拟仪器
2.1.1 概述
虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，它彻底改变了传统的仪器观，从根本上更新了测量仪器的概念，带给人们一个全新的仪器观念。虚拟仪器代表着测量仪器发展的最新方向和潮流，是未来仪器产业发展的一大趋势。
虚拟仪器是基于计算机的软件仪器，是仪器系统与计算机技术相结合的结果。一般而言，仪器与计算机之间的结合有两种结合方式：一种是以仪器为核心，将计算机系统装入仪器，如智能仪器、嵌入式系统仪器等；另一种是以计算机为核心，将仪器功能装入计算机，通过计算机实现各种仪器功能。虚拟仪器采用的就是后一种结合方式。
虚拟仪器的一个重要概念和口号是“软件就是仪器”。虚拟仪器充分发挥了计算机的作用，具有结构简单、成本低廉、一机多用、测量精度高、用户可自行开发软件等特点，便于与计算机通信相结合来建立计算机网络，组建复杂的测试系统。利用虚拟仪器思想建立的测控系统提高了测量精度和测量速度，减少了开关和电缆等器件，系统易于扩充和修改，从而使其体积小、灵活方便、成本低、效率高，成为现代测控系统的发展方向。
2.1.2 虚拟仪器的特点和优势
与传统仪器相比虚拟仪器具有以下3个特点。
(1) 不强调物理上的实现形式
虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集与控制、数据处理与分析及数据的显示这3部分的物理功能。其充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能。
(2) 在系统内实现软硬件资源共享
虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源。它打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，而变成了由用户自己定义仪器功能。使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可实现功能完全不同的测量仪器。
(3) 图形化的软件面板
虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利用计算机强大的图形环境，采用可视化的图形编程语言和平台，以在计算机屏幕上建立图形化的软件面板来代替常规的传统仪器面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。在操作时，用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。
除上述特点外，与传统仪器相比，虚拟仪器还有如下几个方面的优势。
(1) 虚拟仪器用户可以根据自己的需要灵活地定义仪器的功能，通过不同功能模块的组合可构成多种仪器，而不必受限于仪器厂商提供的特定功能。
(2) 虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性。
(3) 由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设备连接比较容易实现。而且虚拟仪器可以方便地与网络、外设及其他应用连接，还可利用网络进行多用户数据共享。
(4) 虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。
(5) 虚拟仪器利用计算机强大的图形用户界面，用计算机显示测量结果。根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。
(6) 虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用。
2.1.3 虚拟仪器的结构
虚拟仪器可以由多种接口(如GPIB、VXI、PXI等)或具有这些接口的仪器，来连接构成被测控对象和计算机。虚拟仪器的结构如图2-1所示。
虚拟仪器系统包括仪器硬件和应用软件两大部分。仪器硬件是计算机的外围电路，与计算机一起构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是应用软件的基础；应用软件则是虚拟仪器的核心，在基本硬件确定以后，软件通过不同功能模块即软件模块的组合构成多种仪器，赋予系统特有的功能，以实现不同的测量功能。
虚拟仪器硬件连接被测对象和计算机。根据不同的接口类型，虚拟仪器硬件结构包括数据采集系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统等不同部分[4]。
虚拟仪器软件体系结构VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)主要包含两个层次：用户应用程序和设备驱动程序。如图2-2所示，设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。每一种设备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的，每个设备驱动程序都具有一个共同的应用程序编程接口(API)。因此，不管虚拟仪器使用什么计算机或操作系统，最终所编写的用户应用程序都是可以移植的。
图2-1 虚拟仪器结构

图2-2 虚拟仪器软件体系结构
2.1.4 编程语言
到现在为止已有多种虚拟仪器的软件开发工具，主要分为文本式编程语言和图形化编程语言两种。
(1) 文本式编程语言：如C、Visual Basic等。传统编程语言是用文本语言编程，使用这些语言开发虚拟仪器，需要工程师有较强的编程能力。
(2) 图形化编程语言：如LabVIEW、HPVEE等。图形语言(即各种图标、图形符号、连线等)编程，界面非常直观形象，都是工程师们熟悉的旋钮、开关、图形等，因此对于没有丰富编程经验的工程师们来说无疑是个极好的选择。在本论文所涉及的虚拟仪器的设计中，选择了NI公司开发的LabVIEW作为开发工具。虚拟仪器中最具有代表性的是美国国家仪器公司(NI)推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，它是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化开发环境[5]。
2.2 LabVIEW
2.2.1 LabVIEW的发展
LabVIEW是美国国家仪器公司(Natioanal Instruments，NI)的软件产品。1986年10月NI公司正式发布了LabVIEW 1.0。随后，NI公司的LabVIEW开发小组继续投入开发项目，对编辑器、图形显示及其他细节进行重大改进，在1990年1月发布了LabVIEW 2.0。1992年LabVIEW实现了从Macintosh平台到Windows平台的移植，1993年1月LabVIEW3.0正式发行。此时LabVIEW已经成为包含了几千个VI的大型应用软件和系统，作为一个比较完整的软件开发环境得到认可，并迅速占领市场。
1996年4月LabVIEW 4.0问世，实现了应用程序编制器(LabVIEW Application Builder)的单独执行，并向数据采集DAQ通道方向进行了延伸。1998年2月发布的LabVIEW 5对以前版本全面修改，对编辑器和执行系统进行了重写，尽管增加了复杂性，但也大大增强了LabVIEW的可靠性。1999年6月，LabVIEW开发小组发布了用于实时应用程序的分支，即LabVIEW RT版。
2000年6月LabVIEW 6发布，LabVIEW 6拥有新的用户界面特征(如3D形式显示)、扩展功能及各层内存优化，另外还具有一项重要的功能是强大的VI服务器。2003年5月发布的LabVIEW 7 Express引入了波形数据类型和一些交互性更强、基于配置的函数，使用户应用开发更简便，在很大程度上简化了测量和自动化应用任务的开发，并对LabVIEW使用范围进行扩充，实现了对PDA和FPGA等硬件的支持[6]。2005年发布了LabVIEW 8，为分布在不同计算目标上的各种应用程序的开发和发布提供支持。
2006年NI公司为庆祝和纪念LabVIEW正式推出20周年，在当年10月发布了LabVIEW 20周年纪念版，即LabVIEW 8.2。该版本增加了仿真框图和MathScript节点两大功能，提升了LabVIEW在设计市场的地位；同时第一次推出了简体中文版，为中国科技人员的学习和使用降低了难度[7]。
2.2.2 LabVIEW的功能
LabVIEW结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，提供了一个非常直观的编程环境：有专为大型应用开发、集体开发及应用配置设计的附加开发工具，包括应用程序生成器、图形比较、源代码控制、程序码编写指导及复杂矩阵运算等功能。
LabVIEW不仅仅是一种编程语言，还是一种用于测量和自动化的特定应用程序开发环境，一种用来快速设计工业原型和应用程序的高度交互式的开发环境。同时LabVIEW还实现了对FPGA等硬件的支持，实际上也是一个硬件设计工具。测量和自动化程序在处理与通用程序一样的问题(如数据结构和算法、文件I/O、网络I/O、用户I/O和数据库存取、打印等)的同时，还要处理额外的问题(如物理I/O、实时性约束和硬件配置等)。
LabVIEW适用于测量和自动化应用程序的能力与通用编程的能力相互增强和扩展，使其在两个方面体现出强大的功能。
2.2.3 LabVIEW的特点
LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。与其他基于文本的程序设计语言相比，LabVIEW具有如下特点。
(1) 直观、易学易用。
与Visual C++、Visual Basic等计算机编程语言相比，图形化编程工具LabVIEW有一个重要的不同点：不采用基于文本的语言产生代码行，而使用图形化编程语言G编写程序；产生的程序是框图的形式，用框图代替了传统的程序代码。因而可在很短的时间内被掌握并应用到实践中去，特别适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用[8]。
(2) 通用编程系统。
LabVIEW的功能并没有因图形化编程而受到限制，依然具有通用编程系统的特点。LabVIEW有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。该函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其通过程序的结果、单步执行等，便于程序的调试[9]。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。
(3) 模块化
LabVIEW还有一个特点是模块化，体现在两个方面。首先，LabVIEW中使用的基本节点和函数等就是一个个小的模块，可以直接使用；另外，由LabVIEW编写的程序，即虚拟仪器模块，除了作为独立程序运行外，还可作为另一个虚拟仪器模块的子模块(即子VI)供其他模块程序使用[10]。
2.2.4 LabVIEW的应用
LabVIEW的诸多优点，使其在包括航天、航空、通信、汽车、半导体和生物医学等众多领域得到了广泛应用。从仪器控制、数据采集到测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，不同领域的科学家和工程师都在借助LabVIEW解决研究和工作中出现的各种应用课题。
(1) 应用于自动化测试和测量平台
近30年来，NI公司革新了测量领域中工程师要年年进行测试和测量的方式。利用PC和虚拟仪器技术，通过LabVIEW的集成软件包和PXI、PCI、USB、Ethernet等模块化测量和控制硬件，可以提高开发设计效率并降低自动化测试和测量应用程序的成本。测试和测量中的应用通常有生产测试、验证/环境测试、机械/结构测试、实时可靠性测试、便携式场地测试、射频RF和通信测试、机台测试、图像采集和数据采集等。
(2) 应用于工业测量和控制平台
LabVIEW可用于要求苛刻的工业应用，如高级I/O、高速模拟信号采集、振动监控、控制及其视觉之类的高级处理应用，以及与工业硬件(如OPC设备和PLC)的通信。另外，可以将LabVIEW中的可编程自动控制器(PAC)集成于其他测控系统中，从而达到附加的测量和控制功能[11]。工业测量和控制中的应用通常有：集成的测试和控制、机器自动化、机器视觉、机器状况监控、分布式监控和控制及功率监控等。
(3) 应用于设计、原型建模和分布
LabVIEW可用于高效的设计应用、仿真、仿真数据与真实测量之间的比较。将LabVIEW和测量工具集成于附加的设计和仿真工具中，在设计过程中就可以将真实的测试工具与仿真模型进行比较，从而发现设计中的缺陷、减少重复设计、提高产品质量。通常的应用有嵌入式系统设计和测试、控制设计、数字滤波器设计、电子电路设计、机械设计、算法设计等。
(4) 应用于院校实验室
LabVIEW在测控领域掀起革新的同时，也增强和提高了院校实验室的研究。在实验室中，LabVIEW将复杂的数据采集工作变得简便，便于研究人员集中时间和精力用于实验操作、数据分析和结论总结，而不是将大量时间用于搭建实验室设备。LabVIEW在教学和实验室中的应用领域包括测量、电路设计和仿真、控制、机械、电子、信号和图像处理、无线通信和嵌入式系统等[12]。
2.2.5 LabVIEW的编程环境
LabVIEW程序分为前面板和程序框图两个部分。前面板是VI代码的接口，是用户交互界面。前面板界面上放置了各种图形控件，这些控件主要分为输入控件(Controls)和显示控件(Indicators)两大类[13]。程序框图中包含了以图形方式表示并实现VI逻辑功能的程序代码。程序框图中除了包含对应于前面板上各个控件的连线端子(Terminal)外，还包含了常量、函数、子VI、结构、文字说明，以及将数据从一个对象传送到另一个对象的连线等。
前面板和程序框图窗口都有各自的标题栏、菜单栏和工具栏。其中，标题栏显示的是该模版VI的名称，菜单栏采用了下拉式菜单的形式，如“文件”、“编辑”、“查看”等。菜单栏中包含了大多数软件都具备的“新建”、“保存”、“另存为”、“复制”、“粘贴”等选项，也包含了LabVIEW的其他功能选项。前面板的工具栏中的按钮有9个，分别为“运行”、“连续运行”、“异常终止执行”、“暂停”、“文本设置”、“对齐对象”、“分布对象”、“调整对象”、“重新排序”[14]。
程序框图的工具栏中有一些与前面板工具栏相同的按钮，同时也包含前面板的工具栏所没有的5个程序调试按钮：“高亮显示执行过程”、“保存连线值”、“开始单步执行”、“单步跳过”、“单步步出”。

图2-3 前面板

图2-4 程序框图

3 汽车测试系统的设计
3.1 系统硬件组成
硬件部分主要由非接触速度传感器、数据保持卡、DAQ数据采集卡、降压电路和笔记本电脑组成。
测试系统硬件结构如图3-1所示。
图3-1 系统硬件结构图
3.1.1 光电传感器
传感器是一种以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置或器件。它是科学仪器等测量系统、自动控制系统中信息获取的首要环节和关键技术。传感器的结构包括:敏感元件、转换元件和基本转换电路。为了选择合适的传感器，应考虑很多因素，例如测量目的、测量范围、精度要求、环境条件、较高性价比和可靠性等[15]。
该课题选择OES-II非接触式测长测速光电传感器，配用该传感器的车速仪是汽车测试行业最高精度的计量仪器，至今已在国内四百多个汽车厂家和汽车质检部门得到广泛应用。使用时将仪器安装在汽车外侧，镜头对准灯光照明的地面。汽车行驶时，地面砂石分布图案经光学系统成像并扫描过特殊的硅光电探测器，经光电转换和空间滤波后，传感器仅输出一随机窄带正弦波信号，信号的频率与车行速度成正比。非接触测长测速光电传感器如图3-2所示。
使用时将仪器安装在汽车上，用灯照明地面，当汽车行驶时，地面杂乱花纹经光学系统成像到光电器件上并相对运动，经光电转换和空间过滤后，探测头输出一接近正弦波的随机窄带信号，信号的频率随车行的速度变化，正弦波的每一个周期严格对应着地面上走过的一段距离，经过测试可知道车行驶速度、加速度和路程。

图3-2 OES—II非接触测长测速光电传感器
将传感器输出的信号经TRF型带通跟踪滤波器滤波和整形后，转换为TTL脉冲输出，每一脉冲严格对应汽车相对地面走过的一段距离。将输出信号经过计数和微机处理后就可实时显示车行速度、路程、加速度和经过时间，并可将数据存储。
表3-1 OES—II非接触光电传感器的技术指标
测速范围
0.4km/h~250km/h
测长精度
≤0.2%
工作距离
目标至镜头前端500m
允许颠簸
±100mm内精度不变
目标视场
48mm×60mm
照明灯功率
DC12V，55W
传感器尺寸
86×194×240mm
传感器重量
2.5kg
工作环境温度
-5℃~+50℃
保存环境温度
-40℃~+80℃
3.1.2 调理电路
从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等[16]。
(1) 放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。
(2) 隔离 隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因：一是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。
(3) 滤波 滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。另外，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。
(4) 激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。
(5) 线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。
实验室内现成的电荷放大器可满足测量要求，电荷放大器的特点是将机械量转变成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗Ra极高。
3.1.3 数据采集
由于计算机所能识别的信号只能是数字信号，信号经传感器和放大器输出为模拟电信号，必须经过离散化和数字化才可以被计算机所识别，数据采集卡就是实现这一任务的转换单元，它在整个现代化测试中起着承前启后的关键作用[17]。
一般常用的采集卡组成如图3-3和3-4所示。
图3-3 模拟多路转换共用A/D
图3-4 单独A/D、数字多路转换
在测试中，经常需要同时对多个信号进行数据采集，这可以由多通道数据采集卡来实现。多通道数据采集卡通常有两种方式：
① 共用模/数(A/D)转换器的模拟多路转换(AMUX)，如图3-3所示；
② 各通道独立采用模/数(A/D)转换器的数字多路转换(DMUX)，如图3-4所示。
本课题采用的数据采集卡是NI公司的B系列多功能数据采集，即NI USB-6009，它具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便捷式测量和学术机构的实验室实验[18]。NI USB-6009数据采集器的技术参数如下表3-2所示。图3-5是NI USB-6009数据采集器。
表3-2 NI USB-6009数据采集器的技术参数
总线类型
USB
操作系统
Windows、Mac OSX、Linux、Pocket PC
测量类型
电压
DAQ产品家族
B系列
通道数
8SE/4DI
采样率
48ks/s
分辨率
14bits
同步采样
否
最大电压范围
-10~10V
精度范围
138mv
最小电压范围
-1~1V
精度范围
37.5mV

图3-5 NI USB-6009数据采集卡
3.2 系统软件组成
3.2.1 软件模块化设计
模块化软件是模块化概念在软件设计中的应用，是软件开发的一种重要技巧，在计算技术中称之为“模块化程序设计”，它是指“把系统或程序作为一组模块集合来开发的一种技术”。其“目的是把一个复杂的任务断开成几个较小与较简单的子任务，它至少方便了正确的程序的编写”[19]。模块化设计运用的水平，影响到软件开发的效率、质量和可维护性。
本系统软件核心部分主要由喷油脉冲信号采集控制模块、车速信号采集控制模块及振动信号采集模块组成。通过信号采集模块，可以连接实车道路实验实时分析、显示模块和事后分析、显示模块[20]。每个模块又包括各个测