虛擬儀器在汽車發動機臺架試驗中的應用(畢業論文)(四)

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PCI儀器組成PCI系統。
以DAQ和信號調理部分為硬件組成PC-DAQ測試系統。
并行總線儀器組成并行總線系統。
串行總線儀器組成串行總線系統。
現場總線設備組成現場總線系統。
綜合考慮各種總線形式的特點和成本，最終選擇PCI總線形式。
4.2.2 PCI總線形式的特點
基于PC的儀器在價格方面比其它體系結構有明顯的優勢，它們能方便地使用現有的計算機主板作電源和數據傳輸。這種方法自然能實現高速插卡到計算機存儲器的數據傳輸。在某些場合，PC插卡還能直接對存儲器進行高速傳輸而不需要CPU介入。對只需較少測量通道的應用，這些插卡提供了最低價格的實現方法。PCI總線是一種獨立于CPU的32位或64位局部總線，時鐘頻率為33MHz，數據傳輸率高達132MB/s-264MB/s，PCI總線技術用無限讀寫突發方式，可在一瞬間發送大量數據。PCI總線上的外圍設備可以和CPU并行工作，因此PCI總線得到了廣泛的應用隨著汁算機技術的發展，ISA卡逐漸退出舞臺，有被PCI卡取代的趨勢。PCMCIA卡由于受到結構強度太弱的限制，影響了它的工程應用。插卡式儀器價格便，因個人計算機數量非常龐大，因此用途廣泛，特別適合于教學部門和各種實驗室，目前仍有強大的生命力。[14]
4.3 傳感器和數據采集卡的選擇
4.3.1 傳感器選擇
a.轉速傳感器
轉速傳感器的類型：霍爾效應式轉速傳感器、磁敏轉速傳感器、光電轉速傳感器。考慮到發動機臺架實驗室中可能存在漏油、漏水、廢氣煙霧等狀況，造成光學儀器失效，故不考慮光電轉讀傳感器。再結合成本，綜合考慮選擇上海自動化儀表股份有限公司的SZMZ-01磁敏轉速傳感器。主要技術指標：
工作頻率:10～5000 Hz
供電電源：12±2V（DC）
檢測齒輪模數：m≥1.5（齒寬≥2㎜）
測量距離：0.5～1㎜
輸出信號：波形：矩形脈沖波；
幅值：高電平4.5±0.5V
低電平≤0.5V
負載電阻≥10 KΩ
工作環境溫度：-10～＋65℃
輸出形式：X12J4A四芯插頭
外形尺寸：M22×60總長138㎜
重量：220g
附件：X12J4A四芯插頭
b.溫度傳感器
主要根據溫度測量范圍、靈敏度和反應速度進行選擇。對于排氣溫度，最早溫度可能達到800~900攝氏度，故需選擇高溫型溫度傳感器。
最終選擇：北京中旺電子有限公司的HT-127高溫型溫度傳感器
分度號：S，B
量程：0-1200℃，0-1600℃，0-1800℃
精度：1.0
外形：直徑16.25
材質：剛玉瓷管
性能特點：采用全新工藝、產品性能穩定，可長期工作。(年電阻值漂移率≤1‰)電阻值和B值精度高、一致性好、可互換。(電阻值和B值精度分別可達±0.5%)靈敏度高、反應迅速。(電阻溫度系數可達-（2~5）%/℃)可根據使用的安裝條件封裝，便于用戶安裝。可制成高耗散產品，測試電流可大大高于傳統結構的傳感器，簡化線路。采用雙層密封工藝，具有良好的絕緣密封性和抗機械碰撞、抗折彎能力、可靠性高。溫度傳感器適用范圍：應用于家用空調、汽車空調、冰箱、冷柜、熱水器、飲水機、暖風機、洗碗機、消毒柜、洗衣機、烘干機以及中低溫干燥箱、恒溫箱等場合的溫度測量與控制。
4.3.2 數據采集卡的選擇
選用原則：擇數據采集卡主要是通道數、采樣率、分辨率幾個指標，以及傳輸方式是有線還是無線。關鍵決定因素是看你用數據采集卡具體用途，切忌盲目選擇數據采集卡。因為不同的數據采集卡用的地方不同，首先要確定你用途，知道用處了才能更好的選型。用途確定后，查找相應匹配的數據采集卡，查看其參數是否合適你的需求，把不同型號的采集卡作對比，這樣才可以挑選出更適合的。KILIDY的USB高速數據采集卡為例，其產品為高速采集卡的型號就意味著這類采集卡數據采樣是達到M級別的，如果你只是需要很小的數據流量，那肯定就不需要這么高端的產品，就可以考慮其他非高速的數據采集卡。最終選用：成都中科動態儀器有限公司PCI4512E數據采集卡。[15]

圖4.2 PCI4512E數據采集卡
PCI4512E采用同步并行設計，卡上集成了4片500Ksps 12-bit A/D轉換器，和4個獨立的高速精密運算放大器和精密衰減濾波網絡組成程控增益通道，實現量程的電壓信號采集；每個通道的增益誤差和零點漂移都可以獨立地由DAQ控制器微調消除，因此該產品具有很高的測量精度和相位一致性，板上沒有手工調節的器件，具有較高的工作可靠性和穩定性。采集卡設計了獨立的時間基準和時鐘控制器，系統內的多個采集卡可以不同的采樣頻率工作。通過軟件設置將系統觸發線和時鐘線級聯起來，采集系統在統一的時鐘和觸發控制下實現全同步采集。
PCI4512E按1、2、5分頻實現18檔采樣率設置。四個通道可獨立地用軟件控制增益設置量程。PCI4512E板上帶有128K樣點的FIFO，通道最大采樣深度不受限制，可以實現高精度信號的連續大容量記錄功能。可以預觸發和觸發后的延時。PCI4512E具有豐富的觸發功能，包括軟件（手動）觸發、內觸發、外觸發。內觸發電平在當前量程范圍內自由設置，可以設為上升沿、下降沿、雙電平內、雙電平內外觸發等模式；外觸發信號符合TTL電平標準，可以選擇上升沿或下降沿有效，通過對多種模式的觸發設置確保對各種特征信號的準確捕捉。PCI4512E上設計了32路TTL電平數字IO（16個DI，16個DO），可以用于測量和控制用戶系統內的數字量。PCI4512E采用大規模現場可編程陣列電路（FPGA）設計，集成度和可靠性高，采集控制器(DAQ Core)由PCI總線接口在采集系統啟動時動態下載，支持對采集卡的遠程動態升級服務，便于靈活地設計滿足特殊用戶的測試功能與時序要求。PCI4512E具體技術參數如表4.4。
表4.4 PCI4512E技術參數表
每通道最大采樣速率 500Ksps
A/D分辨率 12bit
A/D非線形 ±1/2LSB
通道數并行4通道
存儲深度 4Msa/CH
量程范圍 ±0.1V~±20V八擋
輸入信號帶寬 DC 0～150KHz
AC 0.2～150KHz
通道隔離度 >95dB
觸發延時正負延時，其時間長度=采樣時間間隔×采樣延時樣點數（不得大于最大采樣長度）
觸發方式內觸發：上升沿觸發，下降沿觸發，觸發電平，在量程的范圍可調
外觸發：TTL電平，脈寬10微秒，低電平1V高電平2.4V
通道間相差 300KHz時，<1°
直流精度 ±0.5%（FS）
系統交流精度 ±0.5%（1KHz）
輸入方式 Q9單端
數字信號輸入輸出 32TTL，其中16個DI，16個DO
存儲溫度 -25℃～75℃
工作溫度 0～50℃

5 試驗系統的軟件設計
5.1 軟件總體設計方案
5.1.1 軟件設計的基本原則
結構合理
程序應該采用模塊化設計。這不僅有利于程序的進一步擴充，而且也有利于程序的修改和維護。在程序編寫時，要盡量利用子程序，使得程序的層次分明，易于閱讀和理解，同時還可以簡化程序，減少程序對于內存的占用量。當程序中有經常需要加以修改或變化的參數時，應該設計成獨立的參數傳遞程序，避免程序的頻繁修改。
操作性能好
操作性能好是指使用方便。這對虛擬儀器來說是很重要的。在開發程序時，應該考慮如何降低對操作人員專業知識的要求。因此，在設計程序中，應該采用各種圖標或菜單實現人機對話，以提高工作效率和程序的易操作性。
具有一定的保護措施
系統應設計一定的檢測程序，如狀態檢測和診斷程序，以便系統發生故障時，便于查找故障部位。對于重要的參數要定時存儲，以防因掉電而丟失數據。
提高程序的執行速度
給出必要的程序說明[16]
5.1.2 程序總體結構框圖

圖5.1 程序結構框圖
5.2 前面板設計
5.2.1 虛擬儀器前面板設計思想和原則
虛擬儀器的軟面板是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。首先用戶從面板的顯示元件感知儀器的工作狀態信息，然后用戶對其進行解釋、分析、評價和判斷，確認儀器所處的狀態，并將該狀態與用戶主觀目標相比較，決定下一步的操作，最后通過面板上的操作元件完成操作。為了提高虛擬儀器的使用性能，構造逼真的虛擬儀器環境，就必須從用戶使用角度出發，充分考慮用戶對信號感知、分析、評價、決策和操作等各個環節生理和心理的需求，采用面向對象的設計思想來設計虛擬儀器面板。
前面板設計的總體思想如下。
根據測試要求確定儀器功能
按照VPP規范設計前面板，是面板具有標準化、開放性和可移植性
采用面向對象的設計方法來設計前面板
虛擬儀器前面板的設計原則：

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