虛擬儀器技術(shù)及其在汽車工程中的應(yīng)用探討

秦啟昌

【摘 ?要】虛擬儀器技術(shù)有效的融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件可完成各種測試、測量和自動(dòng)化，并因其性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、無縫集合等優(yōu)勢在測控和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用良好。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器;虛擬儀器技術(shù);汽車工程

虛擬儀器技術(shù)有效的融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)軟件，將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理能力和儀器設(shè)備的硬件測量與控制能力加以緊密結(jié)合，并通過計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對信息的把握、保存和處理，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、無縫集合等優(yōu)勢。近年來，虛擬儀器技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用，有效的提升了汽車設(shè)計(jì)、制造、使用和檢測的水平，帶動(dòng)了汽車工程相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

1虛擬儀器技術(shù)

1986 年美國國家儀器公司（National ?Instruments Corporation 簡稱NI）首先提出虛擬儀器的概念，其核心內(nèi)容是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。

現(xiàn)代社會，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用逐漸增強(qiáng)，改善人們生活的同時(shí)，并為傳統(tǒng)儀器技術(shù)注入了強(qiáng)大的活力，在此情況下，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬儀器技術(shù)有效的融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)，通過軟件將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。虛擬儀器首要關(guān)鍵技術(shù)主要是總線技術(shù)和圖形化的編程環(huán)境。

相較于傳統(tǒng)儀器技術(shù)，現(xiàn)代化的虛擬儀器技術(shù)具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、無縫集成等四大特點(diǎn)或優(yōu)勢。虛擬儀器技術(shù)以PC技術(shù)為基礎(chǔ)，完全繼承了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，性能強(qiáng)大;同時(shí)，虛擬儀器技術(shù)具有高性能、高度靈活的軟件，可以讓用戶迅速建立用于設(shè)計(jì)和產(chǎn)品測試的自動(dòng)化測量系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)在各種環(huán)境下重復(fù)使用，靈活方便，且維護(hù)簡單;另外，虛擬儀器軟件平臺可以將多個(gè)測量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少任務(wù)的復(fù)雜性，簡單方便。

2虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的區(qū)別

虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器相比，特點(diǎn)可概括如下：

2.1個(gè)性化

虛擬儀器技術(shù)利用了計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理及顯示功能，用戶不僅可以參與，而且可以自行定義、自行設(shè)計(jì)和制造。

2.2開發(fā)及生產(chǎn)速度快

虛擬儀器作為一種以軟件為主體的產(chǎn)品，在跟蹤技術(shù)進(jìn)步和市場需求方面，在生產(chǎn)周期和更新?lián)Q代方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)儀器儀表。

2.3虛擬儀器是綠色產(chǎn)品

當(dāng)儀器儀表的制造從硬加工轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖庸ず?，其在加工中消耗的大量能源和原材料，以及在制造、包裝、運(yùn)輸、使用過程中產(chǎn)生的一切污染都將被大大降低。因此，虛擬儀器是典型的綠色化產(chǎn)品。

2.4性能價(jià)格比高

在傳統(tǒng)儀器中，信號每經(jīng)過一次硬件處理都會引入誤差。由于虛擬儀器減少了硬 件的使用，因而減少了測量誤差，實(shí)現(xiàn)了較高精度的測量。而虛擬儀器的開發(fā)、更新、加工各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了軟件化，其制造工藝、制造成本與傳統(tǒng)儀器比較，發(fā)生了質(zhì)的變化，使其具有明顯的市場競爭力。

2.5虛擬儀器是信息化產(chǎn)品

由于軟件化和集成性使虛擬儀器成為科技含量高的信息化產(chǎn)品。同時(shí)，任何最新的軟件成果都可被虛擬儀器采用，整個(gè)軟件技術(shù)的發(fā)展都將促進(jìn)虛擬儀器的發(fā)展。

3虛擬儀器的組成

虛擬儀器一般由 3 部分組成：

3.1輸入部分 進(jìn)行信號調(diào)理，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;

3.2數(shù)據(jù)處理部分 按測試要求對輸入信號進(jìn)行各種分析和處理;

3.3輸出部分 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并進(jìn)行必要的信號調(diào)整。

虛擬儀器的硬件構(gòu)成有多種方案，其基本構(gòu)成及內(nèi)部功能如圖 1、圖 2 所示。虛擬儀器通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板）操作這臺計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺單個(gè)傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、內(nèi)存、顯示器等）和儀器硬件（如 A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號調(diào)理等）的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。

4虛擬儀器技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的逐步提升，虛擬儀器技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域得到了良好的發(fā)展與應(yīng)用，主要體現(xiàn)在汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測及維修等方面。

4.1汽車的性能設(shè)計(jì)方面。在汽車性能設(shè)計(jì)中，虛擬儀器技術(shù)逐步代替了以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法或技術(shù)，應(yīng)用現(xiàn)狀與前景良好。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法復(fù)雜而又浪費(fèi)時(shí)間與精力，且無法實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)和功能實(shí)驗(yàn)的共同進(jìn)步。過去的設(shè)計(jì)方法通常是先做出系統(tǒng)，然后在實(shí)驗(yàn)層面上進(jìn)行測試，然后再驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng)的功能，這種方法不僅消耗了大量的時(shí)間和精力，也難以改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改進(jìn)的結(jié)果且不能立即展示，而且測試系統(tǒng)價(jià)格高昂，使用不方便。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以快速對設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行更改或改進(jìn)，并及時(shí)了解設(shè)計(jì)的效果，有效的改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足。如虛擬儀器在汽車防止抱死制動(dòng)分析中的應(yīng)用，不僅改進(jìn)了系統(tǒng)的控制辦法，而且使系統(tǒng)的控制能力與精確性等方面獲得了提升。

4.2汽車的生產(chǎn)方面。隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)代汽車的生產(chǎn)逐步向高科技、數(shù)字化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，且規(guī)模宏大。以往傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)不僅設(shè)備龐大，且監(jiān)測參量少，維護(hù)困難，難以滿足現(xiàn)代汽車生產(chǎn)的監(jiān)測要求。而以PC為基礎(chǔ)，結(jié)合適當(dāng)?shù)腄AQ 板的虛擬儀器系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)虛擬化的過程監(jiān)測與控制，及時(shí)方便的顯示結(jié)果，將結(jié)果保存為各種文檔，還可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，減少了分析處理數(shù)據(jù)所需的時(shí)間。如帶有內(nèi)置式DAQ 卡的PC 機(jī)，其所有的功能鍵、顯示器、曲線都可以在CRT顯示器上重構(gòu)，操作簡單，可方便靈活地增加或減少相關(guān)模塊，可重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求，這樣既不會丟失已有的硬件和軟件資源，又能夠滿足經(jīng)常變化的測試要求，為汽車工程的發(fā)展提供了很多方便之處。

4.3汽車的檢測和維修方面。傳統(tǒng)的汽車的檢測與維修通常是采用儀器設(shè)備和人工直觀結(jié)合的方式進(jìn)行，檢測結(jié)果因易受到人為因素的干擾而缺乏準(zhǔn)確性。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，可使配光檢測系統(tǒng)和車輛尾氣系統(tǒng)相結(jié)合，拓展新的檢測方式，實(shí)現(xiàn)對汽車及汽車相關(guān)部件的自動(dòng)檢測，并提高其準(zhǔn)確度，如近年來發(fā)展的車燈配光檢測系統(tǒng)。另一方面，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用對汽車的實(shí)驗(yàn)與測試方面也有重要的促進(jìn)作用。在汽車實(shí)驗(yàn)和測試中，需要對各種信號進(jìn)行測量和分析操作，由人工或機(jī)械方式完成這些任務(wù)難度大、時(shí)間長。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，不僅使這些問題得到有效緩解，也為汽車測試與實(shí)驗(yàn)提供了更多的選擇，為汽車測試中出現(xiàn)的問題提供了更為靈活有效的解決方案。如，在汽車道路測試過程中，傳統(tǒng)方法主要采用五輪儀、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(shè)備不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且有些參數(shù)的測量容易產(chǎn)生誤差。利用虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)的測試系統(tǒng)，對汽車的制動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，不僅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(rèn)的缺點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化處理。

5結(jié)語

虛擬儀器是今后儀器儀表、測試控制研究與發(fā)展的方向，基于PC技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)也必將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，并得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，虛擬儀器技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域中的深入應(yīng)用，也必將有助于汽車工程的發(fā)展與進(jìn)步，進(jìn)而提高汽車工程的科研水平和生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：桂林市疊彩區(qū)環(huán)境衛(wèi)生管理站）