劉學(xué)理

(河南省廣播電影電視局無(wú)線發(fā)射傳輸管理中心，鄭州450003)

1．引言

汽車傳感器系統(tǒng)是車輛電子系統(tǒng)的核心，對(duì)汽車進(jìn)行整體檢測(cè)時(shí)，對(duì)該汽車的傳感器系統(tǒng)的檢測(cè)更是重中之重。采用傳統(tǒng)檢測(cè)模式很多數(shù)據(jù)都不能達(dá)到新時(shí)期的科研、生產(chǎn)和測(cè)量精度的要求。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)處理的速度得到了很大的提高，又從單機(jī)處理上升至網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒍嗯_(tái)機(jī)器并行處理，為網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)模式提供了有力的支持。

本文介紹基于虛擬儀器技術(shù)的車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)汽車電子系統(tǒng)中核心部分傳感器信號(hào)的采集、分析、處理和顯示。該系統(tǒng)通過(guò)基于Data Socket技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與共享，且編程十分容易，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸速率高。并組成測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試用戶本身的需要從系統(tǒng)中獲取不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)采集數(shù)據(jù)的線性化、濾波等數(shù)據(jù)處理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛傳感器工作過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，亦可以擴(kuò)展，稍加修改可適應(yīng)于不同車型的汽車傳感器網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試中。

2．測(cè)試系統(tǒng)組成及工作原理

在汽車傳感器系統(tǒng)測(cè)試中，主要的測(cè)試物理量包括車速、轉(zhuǎn)速、油量、振動(dòng)、油壓、水溫、電流等相應(yīng)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖1所示。首先由傳感器采集相關(guān)物理量的具體數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集卡，再由經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)相應(yīng)接口輸送給下位機(jī)，即完成下位機(jī)數(shù)據(jù)采集過(guò)程;其次，由下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，如濾波、穩(wěn)幅、調(diào)壓、整形等處理，并將處理后的數(shù)據(jù)按通訊協(xié)議打包數(shù)據(jù)輸送到檢測(cè)系統(tǒng)的局域網(wǎng)中;最后由上位機(jī)接收數(shù)據(jù)再進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、分析處理后，輸出給終端顯示數(shù)據(jù)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成

另外，由于所需測(cè)試的物理量在測(cè)試過(guò)程中其數(shù)據(jù)變化速度、頻率等多方面存在較大差異，綜合考慮檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等多方面的因素，系統(tǒng)特將信號(hào)按瞬變型和漸變型兩類數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類采集和處理，進(jìn)一步提高測(cè)試效果。

本系統(tǒng)中上位機(jī)可由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，其任務(wù)各不相同，但都是從局域網(wǎng)中接收各自所需數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄。

3．測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3．1 PXI模塊

在該測(cè)試系統(tǒng)中，用到了 PXI－4220、7841R、6238等。PXI－4220的性能數(shù)據(jù)為2通道、每通道200 kS/s采樣率、16bits分辨率、測(cè)量電壓范圍為－10V～+10V，0℃ ～55℃的工作溫度范圍。PXI－7841R是8路200kS/s 16bit多通道數(shù)據(jù)采集卡，帶8路模出和96路 DIO，PXI－6238是8路250kS/s 12bit多通道數(shù)據(jù)采集卡，帶2路模出和6路DIO。

3．2 USB －9219

汽車電子系統(tǒng)傳感器測(cè)試中，油量和溫度的變化速度不是很劇烈，而且兩種類型的信號(hào)可以在同一塊多通道的測(cè)量模塊上進(jìn)行采集。

采用的測(cè)試模塊為NI的USB－9219。USB－9219可以對(duì)基于橋路的傳感器以及電流、數(shù)字、RTD、電阻、應(yīng)變片、熱電偶、電壓等信號(hào)進(jìn)行采集，具有4路模擬輸入24 bits的分辨率。電壓測(cè)量為－60V～+60V，支持0 mA～20 mA電流輸入。

3．3 Data Socket

Data Socket技術(shù)是NI公司推出的面向測(cè)控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。Data Socket技術(shù)基于Microsofi的COM和ActiveX技術(shù)，對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行高度封裝，面向測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用，用于共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)Data Socket能有效地支持本地計(jì)算機(jī)上不同應(yīng)用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)的同時(shí)應(yīng)用，以及網(wǎng)絡(luò)和不同計(jì)算機(jī)的多個(gè)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)多跨越的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享。

其邏輯構(gòu)成包括三部分。第一，Data Socket Server Manager設(shè)置Data Socket Server連接的客戶端程序的最大數(shù)目和創(chuàng)建數(shù)據(jù)項(xiàng)的最大數(shù)目;創(chuàng)建用戶組和用戶;設(shè)置用戶創(chuàng)建和讀寫數(shù)據(jù)項(xiàng)的權(quán)限;限制身份不明的客戶對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)和攻擊。第二，Data Socket Server負(fù)責(zé)監(jiān)管Manager中所設(shè)定的具有各種權(quán)限的用戶組和客戶端程序之間的數(shù)據(jù)交換。第三，Data Socket API提供獨(dú)立接口，用于不同的語(yǔ)言平臺(tái)內(nèi)部多種數(shù)據(jù)類型的通讀。

Data Socket支持多種數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，不同的URL前綴表示不同的協(xié)議或數(shù)據(jù)類型。主要包括:dstp、http、ftp、opc、fieldpoint、logos、ookout、file 等，其中l(wèi)ogos為L(zhǎng)abVIEW數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控(DSC)模塊的通信協(xié)議。其網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)流程圖如圖2所示。

圖2 Data Socket網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)技術(shù)

4．測(cè)試系統(tǒng)軟件模塊

虛擬儀器的核心就是編寫虛擬儀器程序，系統(tǒng)中采用了NI公司的虛擬儀器軟硬件設(shè)備，其核心工作即為利用LabVIEW工具設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)軟件界面和檢測(cè)工作流程，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備替代傳統(tǒng)設(shè)備的全過(guò)程，既節(jié)約了測(cè)試成本，又提高了測(cè)試的精度，還能輕松記錄測(cè)試過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化，使得測(cè)試過(guò)程數(shù)字化。

本系統(tǒng)按功能分模塊設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)等模塊。

4．1 數(shù)據(jù)采集模塊

由圖1可知，本系統(tǒng)主要采集物理量有油壓、轉(zhuǎn)速、電流等瞬變數(shù)據(jù)和有油量、油溫、水溫等漸變數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)即為實(shí)現(xiàn)瞬變和漸變等兩類物理量的分通道的快速實(shí)時(shí)采集并加以監(jiān)測(cè)，體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)面板上的設(shè)置參數(shù)主要有通道號(hào)設(shè)置、采用間隔時(shí)間、設(shè)備ID、各物理量的偏移值、采用增益等。

4．2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的成功與否，直接影響到系統(tǒng)的測(cè)試效果。本系統(tǒng)中采集的物理量多數(shù)都是非電量，如油溫、油壓、水溫等，要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理首先就需要把物理量轉(zhuǎn)化為電量，其轉(zhuǎn)化的一般過(guò)程是經(jīng)放大、整形、濾波、采樣等過(guò)程，在轉(zhuǎn)化的整個(gè)過(guò)程中還存在各種干擾、采樣設(shè)備所固有的誤差等信號(hào)都會(huì)影響測(cè)量的精度。為了提高信號(hào)采集處理的精度以及數(shù)據(jù)的可靠性，就必須在軟硬件等關(guān)鍵環(huán)節(jié)采取措施。選用高可靠性的測(cè)試硬件模塊以及在系統(tǒng)軟件中采用各種濾波算法和信號(hào)線性化處理算法等措施。在本系統(tǒng)中采用均值濾波和線性化算法對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，大大提高了測(cè)量的精度，實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)數(shù)據(jù)采集的預(yù)處理。

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理由LabVIEW軟件來(lái)完成，該軟件具有豐富的函數(shù)庫(kù)，可快速方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。主要調(diào)用的函數(shù)有傅立葉變換ReFFT()函數(shù)完成數(shù)字濾波，濾除諧波;傅立葉反變換ReInFFT()函數(shù)，進(jìn)行時(shí)域和頻域等分析，得出信號(hào)頻譜，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理。

4．3 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

本模塊主要采取Data Socket技術(shù)，該技術(shù)能有效地支持本地計(jì)算機(jī)上不同應(yīng)用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)地同時(shí)應(yīng)用，以及網(wǎng)絡(luò)上不同計(jì)算機(jī)的多個(gè)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布。Data Socket對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)底層進(jìn)行了高度封裝，在不同的應(yīng)用程序之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，不必為不同的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議編寫具體的程序代碼，大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的編程。其工作時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 利用Data Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸

4．4 數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)模塊

該模塊的功能由上位機(jī)完成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取Data Socket服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的屏幕顯示，既可以數(shù)字顯示也可以圖形顯示，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤中進(jìn)行備份。

5．結(jié)論

利用Data Socket技術(shù)的汽車傳感器網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)，其硬件搭建既簡(jiǎn)單又直觀，能充分利用計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的開發(fā)性、邏輯性、兼容性以及擴(kuò)展能力和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、分析處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，可以滿足測(cè)試的快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的各項(xiàng)要求，大大減少測(cè)試費(fèi)用。它是測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

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