050218虚拟仪器LabVIEW在电控车辆实训系统中的应用

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1、虚拟仪器(LabVIEW)在电控车辆实训系统中的应用第一章 虚拟仪器一、什么是LabVIEWLabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的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，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动

2、画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的

3、程序语言，又称为“”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。二、什么是虚拟仪器虚拟仪器（virtual instr

4、umention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。三、虚拟仪器的主要特点有： （一）尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 （二）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。 （三）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪

5、器。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。四、虚拟仪器的发展（一）GPIBVSIPXI总线方式（适合大型高精度集成系统）GPIB 于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。 （二）PC插卡并口式串口USB方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）PC插卡式于80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领

6、域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。目前LabVIEW的最新版LabVIEW8.6，LabVIEW 8.6为多线程功能添加了更多特性，这种特性在1998年的版本5中被初次引入。使用LabVIEW软件，用户可以借助于它提供的软件环境，该环境由于其数据流编程特性、LabVIEW Real-Time工具对嵌入式平台开发的多核支持，以及自上而下的为多核而设计的软件

7、层次，是进行并行编程的首选。普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。综上所述，

8、虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。1.计算机是载体。2.软件是核心。3.高质量的A/D采集卡及调理放大器是关键。第二章 虚拟仪器技术一、什么是虚拟仪器技术虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优

9、势。虚拟仪器技术的三大组成部分：（一）高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。提供的行业标准图形化编程软件LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Studio的Measurement Studi

10、o等等，均可满足客户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。（二）模块化的I/O硬件面对如今日益复杂的测试测量应用，已经提供了全方位的软硬件的解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。（三）用于集成的软硬件平台

11、专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。二、虚拟仪器技术的四大优势：（一）性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继

12、承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。（二）扩展性强这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。（三）开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最

13、新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。（四）无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。三、虚拟仪器分类:虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：（一）PC总线插卡型虚拟仪器这种方式借

14、助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合（注：美国NI公司的LabVIEW是图形化编程工具，它可以通过各种控件自己组建各种仪器。LabVIEW/cvi是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程语言Visual C+,Visual Basic,LabVIEWs/cvi构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI总线的虚拟仪器价格比较昂贵。（二）并行口式虚拟仪器最新发展的一系列可连接到

15、计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国LINK公司的DSO-2XXX系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。（三）GPIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规

16、模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。（四）VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑

17、、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。（五）PXI总线方式虚拟仪器PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度可扩展性。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽，通过使用PCIPCI桥接

18、器，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。四、虚拟仪器系统的设计方案（一）虚拟仪器系统的构成。虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪

19、器一样真实与方便。1.虚拟仪器系统的硬件构成虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。 2.虚拟仪器系统的软件构成 测试软件是虚拟仪器的主心骨。NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用

20、软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置。NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为以下四部分。 2.1仪器面板控制软件 仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程环境，

21、使用可视化的技术，从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。 2.2数据分析处理软件 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，节省开发时间。 2.3仪器驱动软件 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信接口及使用开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，它还能提供特定的使用开发环境信息。仪器驱动器是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁。虚拟仪器驱动程序的核心是驱动程序函数/VI集，函数/VI是指组成驱动的模块化子程序。驱动程序一般分为两层，底层是仪器的基本操作，如

22、初始化仪器配置仪器输入参数、收发数据、查看仪器状态等。高层是应用函数/VI层，它根据具体测量要求调用底层的函数/VI。 2.4通用I/O接口软件 在虚拟仪器系统中，I/O接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。VXI总线即插即用联盟，为其制定了标准，提出了自底向上的I/O接口软件模型即VISA。作为通用I/O标准，VISA具有与仪器硬件接口无关性的特点， 即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线的。应用工程师为带GPIB接口仪器所写的软件，也可以于VXI系统或具有RS232接口的设备上，这样不但大大缩短了应用程序的开发周期，而且彻底改变了测试软件开发

23、的方式和手段。 （二）虚拟仪器系统软面板的设计标准 虚拟仪器软面板是用户用来操作仪器，与仪器进行通信，输入参数设置，输出结果显示的用户接口。其设计准则是： 1. 按照VPP规范设计软面板，使面板具有标准化、开放性、可移植性。 2. 根据测试要求确定仪器功能。根据测试任务确定仪器软面板具体测试、测量功能，开关、控制等设置要求。 3. 用面向对象的设计方法设计软面板。按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由软面板控制。软面板由大量的虚拟控件组成。 （三）虚拟仪器系统的组建方案 在虚拟仪器系统的组建方案，主要包括底层硬件、软硬件接口、应用程序以及驱动程序的设计

24、与开发。 1.制定所设计仪器的接口形式 如果仪器设备具有RS-232串行接口，则直接用连线将仪器设备和计算机的RS-232串行口连接即可。如果是GPIB接口，需要额外配备一块GPIB-488接口板，将接口板插入计算机的ISA插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通信桥梁。如果使用计算机来控制VXI总线设备，则需要配置一块GPIB接口卡，通过GPIB 总线与VXI主机箱零槽模块通信。零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB 的命令翻译成VXI命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。DAQ数据采集卡是基于计算机标准总线的，因此可以将数据采集卡直接插到计算机的插槽上。 2.开发硬件采集卡

25、一种典型的数据采集卡组成包括，先用传感器把非电的物理量转变成模拟电量，采样/保持器可以保持信号，实现对瞬时信号进行采集，以便ADC进行数字转换，提高ADC转换器的转换精度。实现在测量中同时对多路模拟信号进行采样。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，这样在多路开关后的单元电路，只需一套即可，也可以采用计算机进行多路选择控制。当传感器输出的信号比较小，可以用放大器放大和缓冲输入信号，如果采用的是可编程增益放大器就可以通过计算机进行增益选择控制确定增益倍数。精度及性能是仪器系统的生命，而这完全依赖于提供基础数据的信号采集控制电路，因此在硬件采集电路的设计时，需根据所设计的虚拟仪器所

26、要达到的性能指标和被测信号的特点，设计合理的系统结构。系统的结构合理与否，对系统的可靠性、性能价格比等有直接影响，在硬件和软件功能的设计上要尽量使虚拟仪器的结构简单，可靠性高，成本低廉，选用合适的单元器件，尽可能的提高采集卡采集的精度和速度。 3.确定设计采集卡的设备驱动程序方案 采集卡的设备驱动程序是控制各种硬件采集卡的驱动程序，是连接主控计算机与信号采集调理部件的纽带。驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集，它是虚拟仪器核心软件之一。 4.确定虚拟仪器系统应用程序编程语言 虚拟仪器系统软件结构的设计在体现整个系统的性能和灵活性方面作用很大，因此在开发虚拟仪器系统的软件

27、部分时，首先要根据所开发的虚拟仪器功能和性能，确定应用程序和软面板程序的模块结构和功能，画出各部分的流程图，采用合适的编程语言。在编制虚拟仪器软件中可采用两种编程方法。一种是采用面向对象的可视化的高级编程语言，如VC+、VB和Delphi等编写虚拟仪器的软件，这种方法实现的系统灵活性高，易于扩充和升级维护。另一种是采用图形化编程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用图形化编程的优势是软件开发周期短、编程较简单，特别适合工程技术人员使用。总之在编写程序时，要尽可能的让每一模块都有一定的独立性，模块之间明确定义接口，模块之间可以采用数据传递的形式进行联系。 5. 软件调试和运行 程序编写好以后要

28、对各模块进行调试和运行，可以通过采集各种标准信号来验证虚拟仪器系统功能的正确性和性能的优良性。 第三章 虚拟仪器的综合扩展一、虚拟仪器监控系统开发平台简介LabVIEW 是一个功能比较完整的软件开发环境，但它是为代替常规的ASIC 和 C 语言而设计的，它具有图形化编程语言 ( 简称 G 语言 Graph Language) 的特 点即用方框图代替了传统的程序代码。G 语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的通用编程环境。和 BASIC 及 C 语言一样， G 语言也定义了数据类型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，同时 G 语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供极大的方

29、便。 G 语言与传统高级编程语言最大的差别在于编程方式：一般高级语言采用文本编程，而 G 语言采用图形化编程语言。 G 语言是 LabV1EW 的核心，熟练掌握 G 语言的编程要素和语法规则，是开发 LabVIEW 应用程序的最重要的基础。此外，LabVIEW 是带有可以产生最佳编码的编译器的图形化开发环境，运行速度等同于编好的 C 或 C+ 程序。 LabVIEW 具有模块化特性，有利于程序的可重用性。abVIEW 将软件的界面设计与功能设计独立开来，修改人机界面无需对整个程序进行调整， LabVIEW 是利用数据流框图接收指令，使程序简单明了，充分发挥了 G 语言的优点，这就大大简短了虚拟

30、仪器的开发周期、消除了虚拟仪器编程的复杂过程。而通 用的编程软件需利用组件技术实现软面板的设计，这使程序设计变得非常麻烦。因此相比之下，本论文选择使用 G 语言的图形化编程软件 LabVIEW 。 LabVIEW 是实验室虚拟仪器工程平台 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 的简称，是美国 NI 公司的创新软件产品，也是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。 LabVIEW 的特点在于：它使用图形化编程语言在流程图中创建源程序，运行方便，编程简单易懂。LabVIEW 作为开发环境所具有的优点总结如下所述：

31、（一）图形化编程，降低了对使用者编程经验的要求；（二）采用面向对象的方法和概念，有利于软件的开发和再利用；（三）对象、框图及其构成的虚拟仪器在 Windows ， Windows XP ， UNIX 等多平台之间和各种 PC 机及工作站间兼容，便于软件移植；（四）支持 550 多种标准总线设备及数据采集卡，如串行接口、 GPIB ， VXI 等；（五）具有丰富的库函数和例子，对于大多数应用程序，用户可以从例子中取得程序框架，便于提高开发速度；（六）具有比较完备的代码接口，可调用 Windows 中的动态链接库 (DLL) 中的函数以及 C 语言程序，以弥补自身的某些不足；（七）直接支持动态数据

32、交换 (DDE) 、对象联接与嵌入 (OLE) 、结构化查询语言 (SQ L)，便于与其它 Windows 应用程序和数据库应用程序接口；（八）支持 TCP 、 UDP 等网络协议，网络功能强大，可遥控分布在其他微机上的虚拟仪器设备；（九）为加强 LabVIEW 的功能，适应各种工业应用的需要， NI 公司又开发了一系列与 LabVIEW 配合使用的软件包，如自动测试工具、可连结 25 种数据库的SQL工具SPC 分析函数工具、信号处理套件、 PID 控制工具、图形控制工具等。LabVIEW 的核心是 VI 。该环境包含包括三个部分：程序前面板（ Front Panel ）、 类似于源代码功能

33、的方框图（ Diagram ）和图标 / 连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控件(Controls) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供给 VI 的方框图；输出量被称为指示器(Indicators) 则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的数据。控件和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。LabVIEW 中有两种类型的数据端口：控制端口和指示端口以及节点端口。控制端口和指示端口用于前面板对象当 VI 程序运行时，从控制输入的数据通过控制端传递到框图程序，供其中的程序

34、使用，产生的输出数据在通过指示端口传输到前面板对应的指示中显示。每个节点端口都有一个或数个数据端口用于输入或输出用 LabVIEW 编制出的图形化 VI 是分层次和模块化的，可以将它用于顶层（ Toplevel ）程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个虚拟仪器的图标被放置在另一个虚拟仪器的流程图中时，它就是一个子仪器（ SubVI ）。 SubVI 在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的。 LabVIEW 依附并发展了模块化程序设计的概念，用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。首先设

35、计 SubVI 完成 每个子任务，然后将之逐步组合 成能够解决最终问题的 VI 。本系统设计采用 LabVIEW8.2 版本。二、上位机与信号接口系统数据通信协议上位机与信号接口系统之间通过高速串口实现双向数据通信，由于通信数据量大，实时性、可靠性要求高，数据种类多而且复杂，因此它们之间的通讯必须要有一个可靠且效率高的协议。（一）串口基本配置921600 波特率， 1 位停止为， 8 数据比特位，无奇偶校验，不启用终止符，无流控制。（二）物理层采用 USART 通讯，由 3 根连线组成， 1 根串行发送， 1 根串行接收和 1 根地线。从标准的 COM 通讯协议，采用全双工通讯模式。（三）链路

36、层协议根据数据传送的方向不同可以分为参数设置数据和采集信号数据。参数设置数据指是由上位机发送，信号接口系统接收处理的数据；采集信号数据指的是由信号接口系采集后发送，上位机接收后处理的数据。数据帧格式 1参数设置数据帧格式参数设置数据主要分为两种，一种是开关量参数设置：采用一个字节格式，直接代表某一开关量断开 / 闭合（如表所示），例如 0xF0 代表点火电源开关断开，则上位机发送 0xF0 ，信号接口系统接收到 0xF0 后控制相应引脚；另一种是数值型参数设置：采用三个字节格式，其首字节代表数据类型的名称，后两个字节代表数值内容。开关量参数设置数据帧格式针对不同类型的数据，后两个字节代表的意义

37、不同，如下表所示数值型参数设置数据帧格式例如：数据为 0xF8 ， 0x03 ， 0xFE ，水温传感器的值为：（ 0x03*256+0xFE ） /4096 ） *5V = 1.25V数据为 0xFF ， 0x44 ， 0xFE ，则发动机转速为：（ 0x03*256+0xFE ） /65536 ） *5000 转 / 分钟 = 1348 转 / 分钟2 采集信号数据帧格式Date0 ：波形数据 ，每一位代表一路信号，从第 0 位到第 7 位依次为点火波形， 1缸喷油波形， 2 缸喷油波形， 3 缸喷油波形， 4 缸喷油波形，怠速阀（开）控制信号，怠速阀（关）控制信号，主继电器线圈搭铁控制信

38、号；Date1 ：喷油脉宽，下降沿到上升沿之间存在多少个 200us ；Date2 ：点火提前角 ，CPS 波形当前的位置距 CPS 宽脉冲多少个窄脉冲；Date3 ：喷油波形频率 ，10 次喷油用了多少个 10ms ；Date4 ：点火波形频率 ，20 次点火用了多少个 10ms ；三、串口驱动程序LabVIEW 开发平台含有大量的仪器驱动程序子 VI ，图为设计中使用到的串口驱动程序子 VI 。 设计中用到的 VISA 串口驱动子 VI上位 PC 机与信号接口系统之间通过高速串口进行通信，根据 RS232 协议，串口一次最多只能传输一个字节的数据，因此在发送数据之前根据数据传输帧格式进行数

39、据转化与打包，在显示数据之前根据数据传输帧格式判断数据，进行数据解包与处理。下图为监控系统程序框图。 监控系统程序框图串口初始化程序根据介绍的串口基本配置，设计如图所示的监控系统串口初始化程序。系统根据串口缓存是否有数据来判断是否接收数据或者进行数据处理。接收缓冲区大小为 12000 字节，传输缓冲区大小为 200 字节。 数据处理程序分为参数设置数据处理程序和采集数据处理程序，参数设置数据处理程序比较直观，按照相应数据协议直接写数据到串口传输缓冲区内就可以。而采集数据量比较大，处理起来相对复杂，图为采集数据判断提取子函数程序框图，图为波形数据显示程序框图。 图所示子函数有 1 个输入接口和

40、5 个输出接口。字符串作为子函数的输入与 “ 串口读取 ” 子函数读取缓冲区相连。 5 个输出分别为波形数组、喷油脉宽数组、点火提前角数组、喷油波形频率数组、点火波形频率数组，分别对应波形数据、喷油脉宽、点火提前角、喷油波形频率、点火波形频率。 上图所示程序先将波形数组利用 for 循环索引，将每个波形数据转化为布尔数组 ，数组内的每一个元素对应一个波形数据（参考 5.2 数据帧格式）。采样周期为 200us ，采取上位机自加的方式。本章介绍了虚拟仪器开发平台 LabVIEW ，并在此基础上设计信号接口系统与上位PC 机之间的数据传输协议、高速串口的实现及上位 PC 机程序设计框图。使LabV

41、IEW在应用扩展上有了一个更真实贴切的认识。 第四章 虚拟仪器的实训应用一、触摸式交互工作站管理控制软件测控管理软件在LabVIEW8.2开发环境下进行系统编程。主要功能有启动发动机，控制发动机熄火，电喷发动机各种传感器信号实时显示，转速、喷油脉宽、点火闭合角等发动机重要特征参数的计算与显示，故障码读取，执行器测试，单一故障和组合故障的设置等。系统共分为六个模块即总系统、实训科目系统、实时检测系统、故障设置系统、实训考核系统、和在线帮助系统。图为总系统前面板视图总系统将实时检测系统和故障设置系统融合在一起，通过总系统界面可以调用实时检测系统和故障设置系统，并能够启动发动机和控制发动机熄火。（一

42、）总系统软件结构总系统前面板界面如图所示，总系统程序流程图如图所示。图24 总系统程序流程图Yes开始串口初始化While死循环菜单选择实训科目系统实时检测系统故障设置系统实训考核系统在线帮助系统退出系统串口发送0xF8串口发送0x95延时1S串口发送0x94事件结构启动发动机按钮是否按下发动机熄灭按钮是否按下NoYesNoWhile循环1系统打开后，先进行串口初始化，然后进入一个while死循环（标注为while循环1），while死循环内有一个事件结构，根据发生的事件来判断执行相应的程序，当“启动发动机”按钮按下时，串口发送数据0xF8；当“发动机熄灭”按钮按下时，串口先发送数据0x95，

43、设置断油断火故障使发动机熄火，然后延时1S再发送数据0x94，恢复故障设置；当选择菜单时，点击不同的菜单会打开相应的子系统（当点击“退出”菜单时，将退出总系统）。(二) 实时检测系统软件结构当点击总系统前面板“实时检测”菜单选项时，系统就会打开实时检测系统。由于数据量较大，而串口传输速度与程序处理速度有限以及系统实时性要求，将所需数据分为四类：定时采集波形（包括点火波形、四个喷油波形、TDC波形和两个怠速阀波形）；中断采集波形（包括1缸喷油波形，1号点火波形，TDC波形，一个怠速阀波形，不过我们只用到1缸喷油波形和1号点火波形）；CPS波形（由于CPS波形数据量大，故单独划分为一类）；模拟量和

44、开关量信号（所有的模拟量和开关量）。触摸式交互工作站向采集板发送指令，索取不同类型的数据。为了避免数据量过大，每次只能索取一组数据。而为了数据显示方便，在实时检测前面板将每组数据的显示控件放在一个选项卡控件选项内。实时检测系统用于电喷发动机各个传感器信号值的显示，喷油脉宽、点火闭合角等重要参数的计算与显示以及故障码读取和执行器测试。主要分为以下几个部分：波形相位分析、实时信号显示、模拟和开关信号、故障码读取、执行器测试。实时检测子vi系统前面板如图1所示,实时检测系统程序流程图如图2所示。在实时检测系统子程序内，先进行串口初始化，设置串口缓冲区大小，清空串口缓冲区，然后进入一个while循环（

45、标注为while循环2），在此while循环内根据选项卡的选项值来执行不同的分支程序，“返回”按钮作为while循环的循环条件，每执行一次while循环都要判断此按钮是否按下，若按下，则返回总系统，否则将一直执行while循环。图1实时检测系统前面板（波形相位分析）选项卡共有六个选项：介绍、波形相位分析、实时信号显示、模拟与开关信号、故障码读取和执行器测试，实时检测系统程序流程图如图26所示。串口传输协议：1个起始位；8个数据位；1个停止位；无奇偶校验位。在传输定时采集数据时，8个数据位分别对应8个波形数据，串口传输数据位表征波形名称对应表如下所列。二进制数据位波形名称二进制数据位波形名称0T

46、DC波形44缸喷油波形1点火波形5怠速阀54波形23缸喷油波形6怠速阀26波形32缸喷油波形71缸喷油波形串口初始化设置串口缓冲区清空串口缓冲区While循环选项卡波形相位分析分支实时信号显示分支模拟与开关信号分支故障码读取分支执行器测试分支返回总系统返回按钮是否按下While循环2YesNo进入实时检测系统子程序图2实时检测系统程序流程图u 在传输中断采集数据时，连续传输四帧数据为采集一次信号的完整信息，协议如下：发送四个字节的数据：FF：第一个字节，用于判断信号的开始xx：第二个字节，信号特征值，信号不同时值也不同，用于区分信号名称（144：喷油信号低电平；145：喷油信号高电平；148：

47、点火信号低电平；149：点火信号高电平；156：CPS信号低电平；157：CPS信号高电平；）xxxx：第三、四字节，两个字节的时间数据，先是时间的高8位，是时间的低8位，时间周期是16微秒。u 在传输采集的模拟与开关量信号时，连续传输四帧数据为采集一次信号的完整信息，协议如下：发送四个字节的数据：FF：第一个字节，用于判断信号开始；xx：第二个字节，信号特征值，用于判断信号名称，信号不同时，所发送的数据也不同（162：9个开关量，240：O2传感器信号，242：进气压力信号，244：冷却水温信号，246：电源电压，248：进气温度信号，252：节气门位置信号）；xxxx：第三、四个字节，模拟

48、量数字化值（当第二个字节为162时，即发送开关量时，第三、四字节是两个字节的开关量），先高后低。u 在传输采集的故障码信号时，连续传输五帧数据为采集一次信号的完整信息，协议如下：发送五个字节的数据：FF：第一个字节，用于判断数据开始；xx：信号特征值，用于判断数据名称，166时为故障码低电平，167时为故障码高电平。xxxxxx：第三、四、五字节，3个字节的时间数据。第五字节为时间的最低8位，计数周期为4.096ms，第三、四字节为时间的高16位。u 在传输采集的执行器测试码信号时，连续传输五帧数据为采集一次信号的完整信息，协议如下：发送五个字节的数据：FF：第一个字节，用于判断数据开始；xx

49、：信号特征值，用于判断数据名称，168时为测试码低电平，169时为测试码高电平。xxxxxx：第三、四、五字节，3个字节的时间数据。第五字节为时间的最低8位，计数周期为4.096ms，第三、四字节为时间的高16位。二、波形相位分析波形相位分析分支是触摸式交互工作站向采集板索取定时采集波形数据，并将数据按照预先制定好的协议进行提取、处理、显示的过程。波形相位分析分支程序流程图如图所示。是否否是向下位机发送0xD2延时50毫秒判断串口缓存区是否有数据根据串口所设置读取的字节数读取数据提取每个元素的二进制位显示数据返回while循环2选项卡值改变变量初始化While循环将字符串数据转化为无符号字节数

50、组For循环索引数组每一个元素根据点火波形数据计算转速清空串口接收缓冲区进入波形相位分析分支程图为波形相位分析分支程序流程图 “波形相位分析”分支首先向采集板发送数值“0xD2”索取采集板定时采集数据，其程流程图如上图所示，通过串口向采集板发送数值“0xD2”后清空串口接收和发送缓冲区是为了清除串口中其他类型的数据，实时显示定时采集数据。然后延时50ms判断串口缓冲区内有没有数据，若有数据则进入一个while循环，不断读取串口数据，进行数据处理，显示数据。在显示数据的同时根据点火波形计算转速，当选项卡值改变或者“返回”按钮按下退出此while循环，返回while循环2。三、实时信号显示实时信号

51、显示要求可以选择不同的信号，并在选择不同信号时，显示的数据有相应变化。鉴于此，采用下拉列表控件实现信号选择。选择不同信号时向采集板发送相应命令，以实现显示的数据与所选择的信号对应。所以在“实时信号显示”分支里边用“信号选择”CASE分支结构控制向采集板发送的指令和控件显示，“信号选择”编辑项对应发送指令与控件显示列表如下。信号选择编辑项发送指令显示控件点火信号211点火信号、点火闭合角、点火波形站空比、点火波形显示点数喷油信号211喷油信号、喷油脉宽、喷油波形显示点数TDC信号210TDC信号、TDC波形显示点数怠速阀信号210怠速阀信号、怠速阀波形显示点数CPS信号215CPS波形、CPS波

52、形显示点数水温信号214冷却水温显示、冷却水温显示点数、喷油脉宽进气温度信号214进气温度显示、进气温度显示点数、喷油脉宽进气歧管压力信号214进气压力显示、进气压力显示点数、喷油脉宽节气门位置信号214节气门位置显示、节气门位置显示点数、喷油脉宽O2传感器信号214O2传感器、O2传感器显示点数10个分支分别用于实现“信号选择”下拉列表10个编辑项控制的发送指令和控件显示。实时信号显示前面板如图所示。图为实时信号显示前面板实时信号显示程序流程图如下图所示。另外的一个CASE结构用于处理和显示数据（判断条件也是“信号选择”下拉列表）。由于点火波形信号和喷油波形信号属于同一类型信号，所以这两个信

53、号是同时发送的，即点火波形和喷油波形数据可以在一个分支里边处理、显示，即分支1；分支2内处理和显示TDC信号和怠速阀信号，因为这两个信号都采用定时采集的信号，故放在同一个分支内；分支3处理和显示CPS信号（中断采集），因其数据量大，故单独放在一个分支内；分支4处理模拟量信号（氧传感器、进气压力、冷却水温、进气温度、节气门位置信号）这个5个信号同属于定时采集模拟量信号，故放在一个分支内。图为模拟和开关信号前面板四、模拟与开关量显示模拟与开关量显示前面板如图所示。模拟量和开关量信号均采用定时采样信号，其数据处理与显示程序流程图如下图所示：共有9个开关量信号：主继电器触点52（高字节第1位）、点火开

54、关24（高字节第2位）、空调控制6（高字节第3位）、O2加热55（高字节第4位）、主继电器线圈48（高字节第5位）、空调压力5（高字节第6位）、电子风扇23（高字节第7位）、空调继电器51（低字节第2位）、传感器电源45（低字节第6位），共占据两个字节数据。是否是向下位机发送0xD6延时50毫秒判断串口缓存区是否有数据根据串口所设置的读取字节数读取数据根据第二个数组索引元素判断数据名称清空串口接收缓冲区For循环否返回while循环2判断选项卡值改变将数据抽取为四个数组开关量信号处理显示氧传感器信号处理显示进气压力信号处理显示冷却水温信号处理显示电源电压信号处理显示进气温度信号处理显示CO信号

55、处理显示节气门信号处理显示0xA20xF00xF20xF40xF60xF80xFA0xFCWhile循环进入模拟与开关量信号分支图为模拟与开关量信号分支程序流程图五、故障码读取与执行器测试故障码读取前面板如图1所示，执行器测试前面板如图2所示，图1故障码读取前面板执行器测试前面板和程序流程图同故障码读取基本相同。图2执行器测试前面板信号采用中断采样方式，故障码读取的数据处理与显示程序流程，执行器测试的数据处理与显示程序流程。故障设置系统软件结构：故障设置模块主要功能是实现单一故障和组合故障设置，并能根据需要显示故障信息，隐藏故障信息，查看当前故障名称和查看结果。图为故障设置前面板界面故障设置子

56、vi前面板界面如图所示。五个功能按钮：“返回”按钮用于返回总系统界面。“查看故障信息”按钮用于显示故障名称。“隐藏故障信息”按钮用于隐藏故障名称。“查看当前故障名称”按钮用于显示已设置故障的名称，且只显示已设置故障名称。“查看结果”按钮用于打开实时检测子vi以查看设置故障后信号的变化情况（实时检测子vi请参照实时检测部分），以加深各个故障对发动机信号产生的影响的理解。故障设置子vi程序框图有一个while循环，38个分支的事件结构和串口配置程序构成。其中分支0到分支32为故障设置分支，对应前面板33个故障设置按钮。故障设置分为开关量故障设置和模拟量故障设置。当设置开关量故障时须向采集板发送故障

57、设置指令。当设置模拟量故障时发故障设置指令的同时要发送模拟量值。故障设置按钮与对应的串口发送数据列表如下：故障设置按钮发送数据（设置/取消）故障设置按钮发送数据（设置/取消）终端面板灯熄灭185/184怠速阀1故障179/1782#GND129/128怠速阀2故障147/1463#GND131/130主继电器故障169/16818#GND139/138碳罐塞电磁阀171/17031#GND153/152空调继电器173/17244#GND161/160主电源故障175/17446#GND165/1643缸喷油器故障133/1321缸喷油器故障151/150CO电位计故障193/192空调压力故

58、障135/134O2加热线路故障181/180空调继电器故障137/136点火故障149/148电子风扇继电器141/140TDC（CIS）故障183/182点火电源故障143/142水温传感器故障187/186蓄电池电源155/154进气温度传感器189/188CPS+ 故障157/156节气门位置（TPS）信号193/192CPS- 故障159/158歧管压力传感器191/1902缸喷油器故障177/1764缸喷油器故障145/144传感器电源163/162故障设置系统程序流程图如图所示。分支33分支37对应于前面板5个功能按钮。是否否是开始串口初始化设置故障键是否按下？真的设置吗？开关量

59、故障返回总系统While循环判断故障类型模拟量故障发送故障码设置故障值发送故障码发送模拟值事件结构（38个分支）分支032显示当前故障名称查看结果查看故障信息隐藏故障信息否返回按钮否否否显示所有故障名称隐藏所有故障名称根据故障按钮的值显示已设故障名称调用实时检测系统分支33分支34分支35分支36分支37图为故障设置系统程序流程图 本章通过对虚拟仪器在电控车辆实训系统应用及程序原理给出了详细的介绍。第五章 总 结本文所设计的硬件在环仿真系统的硬件功能完整，突出体现了虚拟仪器在电控车辆实训系统中的应用。所选用虚拟仪器开发平台LabVIEW加快了系统开发周期并能够配合硬件可靠的工作。经过联调试验证

60、明本文设计的实时仿真系统能够完成本文预定的各项通讯和数据采集任务，为整个系统的功能的进一步完善打下了坚实的基础。虚拟仪器的计算机程序是一种软体，由于某种原因致使定标数据丢失或破坏，使读数偏离真实数值；另一方面，可人为地修改，它可以根据使用操作人员的心理需要和可能变更数据的比例关系，从而造成弄虚作假，从而使可信度降低。抑制的方法：在技术上用法制观念硬性规定，凡是新开发的虚拟仪器必须形成专一计量检定文件，修改过参数的文件自动产生隐含文件档案并无法修改，给相关部门留下痕迹，做到有据可查；在管理方法上，新开发的虚拟仪器软件对定标数据有监督管理制度才能通过鉴定；在制度上规定，对于被检定过的仪器在有效期内

61、不得修改有关计量方面的文件参数。若能够实现可以起到一定抑制作用。国外虚拟仪器技术已广泛应用于各个领域，在车辆检测、生产，实际车辆运用中也已运用多年，而在我国该项技术的应用相对较晚。由于虚拟仪器具有上述诸多特点，可大大节省项目的资金投人，提高效益、效率，所以值得在汽车领域大力推广。目前，基于PC机的虚拟仪器技术正向高性能、多功能、集成化和网络化方向发展，虚拟仪器技术能促进车辆测试仪器的发展，有良好的应用前景。 参考文献1 雷振山，赵晨光，魏丽. LabVIEW 8.2基础教程M.北京：中国铁道出版社，20082 林逸.电动助力转向助力特性补偿策略的耦合仿真分析J.汽车工程，2005，2:217-2193 徐建平，何仁.电动助力转向系统回正控制算法研究J .汽车工程，2004，5:557-5594 李莉.基于LabVIEW的EPS试验台测控系统的研究D.四川：西华大学硕士论文,20085 MANUELE BERTOLUZZO, GIUSEPPE BUJA, ROBERTO MENIS and GIORGIO SULLIGOI. An APProac