隨著人們對(duì)車輛性能要求的提高和電子技術(shù)的快速發(fā)展，車輛電子控制器的開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為汽車制造業(yè)的熱點(diǎn)。汽車整車道路試驗(yàn)是車輛控制器開(kāi)發(fā)的最終階段，是全面測(cè)試和鑒定車輛性能的一種重要手段。
　　由于控制器開(kāi)發(fā)中數(shù)據(jù)采集要求及性能評(píng)價(jià)測(cè)試項(xiàng)目的多樣化，功能單一、靈活性差、使用復(fù)雜、更新和維護(hù)成本高的傳統(tǒng)儀器已經(jīng)不能很好地滿足車輛道路試驗(yàn)需要。而虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展為車輛道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新的思路。利用該技術(shù)，可以更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理功能和圖形界面功能，大大簡(jiǎn)化了測(cè)試設(shè)備，適合測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)使用^[1]。
　　本文設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的車載道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，為實(shí)車試驗(yàn)性能測(cè)試和控制器開(kāi)發(fā)提供了靈活、高效的測(cè)試平臺(tái)。
1 測(cè)試系統(tǒng)總體介紹
1.1 車輛控制器開(kāi)發(fā)中的道路試驗(yàn)測(cè)試方法
　　實(shí)車道路試驗(yàn)是車輛控制器開(kāi)發(fā)中的最重要環(huán)節(jié)，根據(jù)信息來(lái)源和分析方法的不同，實(shí)車道路試驗(yàn)測(cè)試可以分為控制器外部特征量采集分析和單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行信息采集分析兩類。例如，防抱死制動(dòng)ABS系統(tǒng)的控制器實(shí)車道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集框圖如圖1所示。

　　外部特征量采集是傳統(tǒng)的實(shí)車測(cè)試的一種手段。將控制器視為一個(gè)黑盒子，對(duì)能夠表征控制器控制效果的車輛信息進(jìn)行采集處理，既可以得到控制器的控制效果的客觀評(píng)價(jià)，又可以根據(jù)特征量的分析追溯到控制軟件源程序的相關(guān)功能代碼，對(duì)控制軟件實(shí)現(xiàn)匹配。但是通過(guò)外部特征量只能間接推測(cè)控制器內(nèi)部運(yùn)行情況，有時(shí)不能準(zhǔn)確找到問(wèn)題的實(shí)質(zhì)所在。
　　而單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行信息的采集直接跟蹤控制器控制程序運(yùn)行信息，對(duì)控制程序的流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，是進(jìn)行控制器程序調(diào)試和邏輯驗(yàn)證的有效手段。
　　控制器外部特征量和單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行信息對(duì)于控制器的開(kāi)發(fā)匹配來(lái)說(shuō)各有優(yōu)勢(shì)，均對(duì)控制器的道路試驗(yàn)測(cè)試有著重要意義。
1.2 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展為測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了良好平臺(tái)。虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量和調(diào)理^[2]。
　　本文結(jié)合實(shí)際的車輛測(cè)試和車輛控制器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件等組成，總體方案如圖2所示。

　　系統(tǒng)主要功能為：(1)多通道模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的采集；(2)控制器內(nèi)部運(yùn)行信息的采集；(3)控制器外部特征量和單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行信息的同步采集；(4)在線數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示、離線數(shù)據(jù)處理；(5)多種數(shù)據(jù)格式的保存和轉(zhuǎn)換；(6)車輛測(cè)試性能的自動(dòng)計(jì)算和評(píng)價(jià)。
2 測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成
　　系統(tǒng)硬件由帶有串口的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡" title="數(shù)據(jù)采集卡">數(shù)據(jù)采集卡組成。計(jì)算機(jī)選用便攜式計(jì)算機(jī)，便于車載測(cè)試使用。數(shù)據(jù)采集卡選用帶有PCMCIA接口的采集卡，可以直接插在便攜式計(jì)算機(jī)上。例如，可以選用NI公司的DAQ_700數(shù)據(jù)采集卡，它具有8路雙端/16路單端模擬輸入通道，采樣速率為100kbps的12位A/D轉(zhuǎn)換器，16路TTL可編程數(shù)字I/O口，三個(gè)獨(dú)立的16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。
　　用PCMCIA采集卡和信號(hào)調(diào)理儀為硬件而組成的PC—DAQ 測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)控制器的外部特征量進(jìn)行采集。
　　對(duì)于單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行信息的采集，采用單片機(jī)和上位機(jī)的串口通訊方式，將ECU單片機(jī)中的串口信息引出，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)硬件通訊。在控制器控制軟件中附加了程序變量監(jiān)控模塊，通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送監(jiān)控的變量值，實(shí)現(xiàn)控制器運(yùn)行信息的監(jiān)控。
　　本測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)和串口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制器的道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集功能，具有硬件簡(jiǎn)單、成本低、攜帶容易等優(yōu)點(diǎn)，適于道路試驗(yàn)測(cè)試使用。
3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)是測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)采用虛擬儀器技術(shù)的LabWindows/CVI6.0軟件平臺(tái)。LabWindows/CVI以ANSI C為核心, 將功能強(qiáng)大、使用靈活的C 語(yǔ)言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集和分析等測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理及分析功能^[1]。
　　測(cè)試系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。它主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和離線分析三個(gè)模塊。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊
　　數(shù)據(jù)采集是測(cè)試軟件的底層部分，數(shù)據(jù)采集的軟件基礎(chǔ)是硬件的驅(qū)動(dòng)程序，LabWindows/CVI提供了功能強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)。基于硬件驅(qū)動(dòng)程序，本模塊分為數(shù)據(jù)采集卡采集和串口數(shù)據(jù)采集兩部分。
3.1.1 基于PCMCIA卡的數(shù)據(jù)采集
　　本部分實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)的采集。根據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置(如通道選擇、采樣頻率、采樣方式選擇、數(shù)據(jù)增益等)對(duì)數(shù)采卡進(jìn)行初始化，根據(jù)需要啟動(dòng)停止采集。
　　控制器外部特征量均通過(guò)本方法采集得到。外部特征量一般可分為模擬信號(hào)和脈沖信號(hào)兩類，例如制動(dòng)管路壓力傳感器信號(hào)為模擬信號(hào)，輪速傳感器信號(hào)為脈沖信號(hào)。模擬信號(hào)通過(guò)模擬通道進(jìn)行采集，脈沖信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器口進(jìn)行采集。另外，本測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了脈沖信號(hào)測(cè)試算法，即將脈沖信號(hào)通過(guò)模擬口采集，在后臺(tái)進(jìn)行整型、計(jì)算后，得到頻率信息，解決了道路試驗(yàn)的輪速、車速等頻率信號(hào)的測(cè)試問(wèn)題。
3.1.2 串口數(shù)據(jù)采集
　　用串口數(shù)據(jù)采集監(jiān)控ECU運(yùn)行情況。其軟件實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)方面：一是ECU監(jiān)控串口數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)現(xiàn)，即控制程序中添加獨(dú)立的程序變量監(jiān)控模塊。變量監(jiān)控進(jìn)程與主進(jìn)程同步，每個(gè)控制周期向外發(fā)送一組監(jiān)控變量數(shù)據(jù)。二是上位機(jī)串口數(shù)據(jù)的接收實(shí)現(xiàn)，使用LabWindows/CVI的串口操作庫(kù)函數(shù)來(lái)設(shè)置波特率等串口屬性，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收的開(kāi)始和結(jié)束。
3.1.3 數(shù)據(jù)采集卡與串口的同步數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
　　為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與串口的同步數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)傳遞問(wèn)題，本測(cè)試系統(tǒng)軟件采用了多線程技術(shù)。多線程技術(shù)為用戶編寫并行執(zhí)行的多任務(wù)程序提供了許多方便，極大地提高了CPU 利用率以及程序的運(yùn)行效率^[3～4]。
　　本測(cè)試軟件以用戶界面接口為主線程，負(fù)責(zé)生成界面、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、生成后臺(tái)次線程、控制測(cè)試過(guò)程等；主線程可以根據(jù)設(shè)定生成兩個(gè)次線程，一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集卡，一個(gè)負(fù)責(zé)串口，實(shí)現(xiàn)了同步采集和數(shù)據(jù)傳遞。
3.2 數(shù)據(jù)處理模塊
　　數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩部分。對(duì)于從數(shù)據(jù)采集模塊得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，首先需要進(jìn)行參數(shù)處理。對(duì)于數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)采集卡參數(shù)和用戶設(shè)置的增益對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，對(duì)于串口數(shù)據(jù)，需要根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)構(gòu)成規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)既可以送到“Strip Chart Graph”控件中實(shí)現(xiàn)曲線實(shí)時(shí)顯示，也可以保存至文件。數(shù)據(jù)文件的格式可以自行設(shè)定，包括二進(jìn)制格式和文本格式等。
3.3 離線分析模塊
　　本模塊的功能是將數(shù)據(jù)文件進(jìn)行離線分析和處理。首先將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，可以導(dǎo)入二進(jìn)制和文本兩種格式的文件。其次，對(duì)導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)了以下工具：曲線組設(shè)置工具，可以實(shí)現(xiàn)曲線按組顯示；曲線編輯工具，實(shí)現(xiàn)選擇曲線的偏移量、顯示比例、顏色等屬性的設(shè)置；另外，還有曲線瀏覽工具、曲線顯隱工具、數(shù)據(jù)對(duì)比窗等。第三，根據(jù)車輛測(cè)試的需要，開(kāi)發(fā)性能評(píng)價(jià)工具。另外，本功能模塊還具有數(shù)據(jù)濾波設(shè)置、曲線打印等功能。
4 測(cè)試系統(tǒng)在ABS系統(tǒng)道路試驗(yàn)中的應(yīng)用
　　在自主開(kāi)發(fā)防抱死制動(dòng)ABS控制器過(guò)程中，使用本測(cè)試系統(tǒng)，道路試驗(yàn)測(cè)試方案如圖1所示。將外部特征量信號(hào)與PCMCIA卡相應(yīng)端口連接，將ECU與測(cè)試系統(tǒng)串口連接。在道路試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，測(cè)試ABS控制器的控制效果。
　　某次對(duì)接路面(由低附著路面制動(dòng)到高附著路面)制動(dòng)后得到一組數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下面進(jìn)行具體說(shuō)明。
　　(1)左前輪的輪速數(shù)據(jù)如圖4所示。輪速信號(hào)有兩種表現(xiàn)形式，一是輪速傳感器信號(hào)直接由數(shù)據(jù)采集卡采集，二是輪速信號(hào)經(jīng)過(guò)ECU計(jì)算，通過(guò)串口送到測(cè)試系統(tǒng)中。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集卡和串口數(shù)據(jù)的同步采集，在離線分析串口中進(jìn)行顯示，發(fā)現(xiàn)二者重合較好，可以證明ABS控制器中的輪速算法正確。
　　(2)后輪制動(dòng)壓力數(shù)據(jù)如圖5所示。圖5中有兩條曲線，上面一條表示后輪通道制動(dòng)壓力，通過(guò)壓力傳感器由PCMCIA卡采集得到；下面一條表示后輪電磁閥動(dòng)作，通過(guò)串口信息得到。二者同步采集，可以分析ABS控制器的控制邏輯是否正確。圖中數(shù)據(jù)表明電磁閥動(dòng)作合理，后輪通道制動(dòng)壓力與電磁閥動(dòng)作一一對(duì)應(yīng)。
　　(3)制動(dòng)性能指標(biāo)計(jì)算如圖6所示。通過(guò)選擇制動(dòng)性能評(píng)價(jià)工具，可自動(dòng)計(jì)算得到制動(dòng)距離為23.66米、制動(dòng)平均減速度為-3.27m/s2，便于進(jìn)行制動(dòng)效果記錄和對(duì)比。
　　實(shí)踐證明，使用本測(cè)試系統(tǒng)，大大提高了ABS控制器匹配測(cè)試的效率，縮短了ABS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。

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