虚拟仪器在汽车发动机台架试验中的应用(毕业论文)(四)

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PCI仪器组成PCI系统。
以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统。
并行总线仪器组成并行总线系统。
串行总线仪器组成串行总线系统。
现场总线设备组成现场总线系统。
综合考虑各种总线形式的特点和成本，最终选择PCI总线形式。
4.2.2 PCI总线形式的特点
基于PC的仪器在价格方面比其它体系结构有明显的优势，它们能方便地使用现有的计算机主板作电源和数据传输。这种方法自然能实现高速插卡到计算机存储器的数据传输。在某些场合，PC插卡还能直接对存储器进行高速传输而不需要CPU介入。对只需较少测量通道的应用，这些插卡提供了最低价格的实现方法。PCI总线是一种独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达132MB/s-264MB/s，PCI总线技术用无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。PCI总线上的外围设备可以和CPU并行工作，因此PCI总线得到了广泛的应用随着汁算机技术的发展，ISA卡逐渐退出舞台，有被PCI卡取代的趋势。PCMCIA卡由于受到结构强度太弱的限制，影响了它的工程应用。插卡式仪器价格便，因个人计算机数量非常庞大，因此用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室，目前仍有强大的生命力。[14]
4.3 传感器和数据采集卡的选择
4.3.1 传感器选择
a.转速传感器
转速传感器的类型：霍尔效应式转速传感器、磁敏转速传感器、光电转速传感器。考虑到发动机台架实验室中可能存在漏油、漏水、废气烟雾等状况，造成光学仪器失效，故不考虑光电转读传感器。再结合成本，综合考虑选择上海自动化仪表股份有限公司的SZMZ-01磁敏转速传感器。主要技术指标：
工作频率:10～5000 Hz
供电电源：12±2V（DC）
检测齿轮模数：m≥1.5（齿宽≥2㎜）
测量距离：0.5～1㎜
输出信号：波形：矩形脉冲波；
幅值：高电平4.5±0.5V
低电平≤0.5V
负载电阻≥10 KΩ
工作环境温度：-10～＋65℃
输出形式：X12J4A四芯插头
外形尺寸：M22×60总长138㎜
重量：220g
附件：X12J4A四芯插头
b.温度传感器
主要根据温度测量范围、灵敏度和反应速度进行选择。对于排气温度，最早温度可能达到800~900摄氏度，故需选择高温型温度传感器。
最终选择：北京中旺电子有限公司的HT-127高温型温度传感器
分度号：S，B
量程：0-1200℃，0-1600℃，0-1800℃
精度：1.0
外形：直径16.25
材质：刚玉瓷管
性能特点：采用全新工艺、产品性能稳定，可长期工作。(年电阻值漂移率≤1‰)电阻值和B值精度高、一致性好、可互换。(电阻值和B值精度分别可达±0.5%)灵敏度高、反应迅速。(电阻温度系数可达-（2~5）%/℃)可根据使用的安装条件封装，便于用户安装。可制成高耗散产品，测试电流可大大高于传统结构的传感器，简化线路。采用双层密封工艺，具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞、抗折弯能力、可靠性高。温度传感器适用范围：应用于家用空调、汽车空调、冰箱、冷柜、热水器、饮水机、暖风机、洗碗机、消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温度测量与控制。
4.3.2 数据采集卡的选择
选用原则：择数据采集卡主要是通道数、采样率、分辨率几个指标，以及传输方式是有线还是无线。关键决定因素是看你用数据采集卡具体用途，切忌盲目选择数据采集卡。因为不同的数据采集卡用的地方不同，首先要确定你用途，知道用处了才能更好的选型。用途确定后，查找相应匹配的数据采集卡，查看其参数是否合适你的需求，把不同型号的采集卡作对比，这样才可以挑选出更适合的。KILIDY的USB高速数据采集卡为例，其产品为高速采集卡的型号就意味着这类采集卡数据采样是达到M级别的，如果你只是需要很小的数据流量，那肯定就不需要这么高端的产品，就可以考虑其他非高速的数据采集卡。最终选用：成都中科动态仪器有限公司PCI4512E数据采集卡。[15]

图4.2 PCI4512E数据采集卡
PCI4512E采用同步并行设计，卡上集成了4片500Ksps 12-bit A/D转换器，和4个独立的高速精密运算放大器和精密衰减滤波网络组成程控增益通道，实现量程的电压信号采集；每个通道的增益误差和零点漂移都可以独立地由DAQ控制器微调消除，因此该产品具有很高的测量精度和相位一致性，板上没有手工调节的器件，具有较高的工作可靠性和稳定性。采集卡设计了独立的时间基准和时钟控制器，系统内的多个采集卡可以不同的采样频率工作。通过软件设置将系统触发线和时钟线级联起来，采集系统在统一的时钟和触发控制下实现全同步采集。
PCI4512E按1、2、5分频实现18档采样率设置。四个通道可独立地用软件控制增益设置量程。PCI4512E板上带有128K样点的FIFO，通道最大采样深度不受限制，可以实现高精度信号的连续大容量记录功能。可以预触发和触发后的延时。PCI4512E具有丰富的触发功能，包括软件（手动）触发、内触发、外触发。内触发电平在当前量程范围内自由设置，可以设为上升沿、下降沿、双电平内、双电平内外触发等模式；外触发信号符合TTL电平标准，可以选择上升沿或下降沿有效，通过对多种模式的触发设置确保对各种特征信号的准确捕捉。PCI4512E上设计了32路TTL电平数字IO（16个DI，16个DO），可以用于测量和控制用户系统内的数字量。PCI4512E采用大规模现场可编程阵列电路（FPGA）设计，集成度和可靠性高，采集控制器(DAQ Core)由PCI总线接口在采集系统启动时动态下载，支持对采集卡的远程动态升级服务，便于灵活地设计满足特殊用户的测试功能与时序要求。PCI4512E具体技术参数如表4.4。
表4.4 PCI4512E技术参数表
每通道最大采样速率 500Ksps
A/D分辨率 12bit
A/D非线形 ±1/2LSB
通道数并行4通道
存储深度 4Msa/CH
量程范围 ±0.1V~±20V八挡
输入信号带宽 DC 0～150KHz
AC 0.2～150KHz
通道隔离度 >95dB
触发延时正负延时，其时间长度=采样时间间隔×采样延时样点数（不得大于最大采样长度）
触发方式内触发：上升沿触发，下降沿触发，触发电平，在量程的范围可调
外触发：TTL电平，脉宽10微秒，低电平1V高电平2.4V
通道间相差 300KHz时，<1°
直流精度 ±0.5%（FS）
系统交流精度 ±0.5%（1KHz）
输入方式 Q9单端
数字信号输入输出 32TTL，其中16个DI，16个DO
存储温度 -25℃～75℃
工作温度 0～50℃

5 试验系统的软件设计
5.1 软件总体设计方案
5.1.1 软件设计的基本原则
结构合理
程序应该采用模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。在程序编写时，要尽量利用子程序，使得程序的层次分明，易于阅读和理解，同时还可以简化程序，减少程序对于内存的占用量。当程序中有经常需要加以修改或变化的参数时，应该设计成独立的参数传递程序，避免程序的频繁修改。
操作性能好
操作性能好是指使用方便。这对虚拟仪器来说是很重要的。在开发程序时，应该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。因此，在设计程序中，应该采用各种图标或菜单实现人机对话，以提高工作效率和程序的易操作性。
具有一定的保护措施
系统应设计一定的检测程序，如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防因掉电而丢失数据。
提高程序的执行速度
给出必要的程序说明[16]
5.1.2 程序总体结构框图

图5.1 程序结构框图
5.2 前面板设计
5.2.1 虚拟仪器前面板设计思想和原则
虚拟仪器的软面板是用户与仪器之间交流信息的纽带。首先用户从面板的显示元件感知仪器的工作状态信息，然后用户对其进行解释、分析、评价和判断，确认仪器所处的状态，并将该状态与用户主观目标相比较，决定下一步的操作，最后通过面板上的操作元件完成操作。为了提高虚拟仪器的使用性能，构造逼真的虚拟仪器环境，就必须从用户使用角度出发，充分考虑用户对信号感知、分析、评价、决策和操作等各个环节生理和心理的需求，采用面向对象的设计思想来设计虚拟仪器面板。
前面板设计的总体思想如下。
根据测试要求确定仪器功能
按照VPP规范设计前面板，是面板具有标准化、开放性和可移植性
采用面向对象的设计方法来设计前面板
虚拟仪器前面板的设计原则：

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