基于LabVIEW的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙景宇，賀敬良，陳 勇，李娟美

(1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京，100192；2.北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京，100192;3.東方地球物理公司裝備服務(wù)處，烏魯木齊，830016)

0 引言

自動(dòng)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合催生了虛擬儀器。通過(guò)使用計(jì)算機(jī)的高性能模塊與適應(yīng)性強(qiáng)的軟件平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際需要標(biāo)定虛擬儀器的功能，然后通過(guò)高級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、保存和擴(kuò)展能力對(duì)被測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理操作，使其能夠在虛擬儀器面板上顯示處理，便于操作人員進(jìn)行觀察[1]。虛擬儀器平臺(tái)通常包括靈活高效的計(jì)算機(jī)硬件、模塊化I/O硬件和高度集成化的軟件平臺(tái)3大部分。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有性?xún)r(jià)比高、測(cè)試精度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間短和靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[2]。

虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年并取得了很大進(jìn)展。Shrenika等[3]使用LabVIEW設(shè)計(jì)了一種非接觸式的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)并且準(zhǔn)確地觀察到水位變化；Murugan等[4]設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度和濕度的系統(tǒng)；孫萍萍等[5]搭建了一套艇載電池電壓特性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、測(cè)試曲線(xiàn)顯示等功能；徐昆鵬等[6]針對(duì)泵控馬達(dá)系統(tǒng)功能單一、不易二次開(kāi)發(fā)等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器的泵控馬達(dá)電液比例調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

針對(duì)現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)價(jià)格昂貴、工作量繁重等缺點(diǎn)[7]，本文開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW上位機(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)具有精度高、安全可靠、抗干擾性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以L(fǎng)abVIEW為核心。LabVIEW軟件使用圖形化語(yǔ)言編程，操作簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)效率高[8]。通訊方式選擇CAN，CAN通訊以其所具有的高可靠性、信號(hào)穩(wěn)定性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)、振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

信號(hào)調(diào)理箱、油門(mén)踏板傳感器、擋位信號(hào)傳感器、整車(chē)控制器、帶有整車(chē)模型代碼的工控機(jī)與LabVIEW上位機(jī)之間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行報(bào)文交互，LabVIEW將獲得的CAN報(bào)文解析后顯示在監(jiān)控界面上。本文選用的通訊設(shè)備是一款基于CAN總線(xiàn)的高速USB接口設(shè)備，既能提供無(wú)損耗傳輸又能接收CAN總線(xiàn)上標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀CAN報(bào)文。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最小時(shí)間精度為100 μs，支持11位和29位標(biāo)識(shí)符，支持高速CAN連接，速度可達(dá)到1 MB/s。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作流程

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于SAE-J1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)發(fā)展和完善已經(jīng)商用化，方便快捷[10]。通過(guò)CAN卡接收發(fā)送總線(xiàn)上的報(bào)文，查找制定的dbc文件庫(kù)，根據(jù)公式“物數(shù)值=比列系數(shù)×總線(xiàn)數(shù)值+偏移量[11]”將報(bào)文解析成數(shù)字或其他顯示方式顯示在系統(tǒng)界面上。這種工作方式原理簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高，適合本文設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)工作流程如圖2所示，連接好硬件設(shè)備，打開(kāi)軟件，設(shè)定通訊頻率，選擇通訊通道。系統(tǒng)為雙通道，可同時(shí)支持兩路CAN報(bào)文傳輸，CAN報(bào)文格式支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，適合多種不同的場(chǎng)景。操作完成后，接入CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)程序解析報(bào)文后在前面板顯示實(shí)時(shí)行車(chē)信息。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面板及程序設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)儀表、信號(hào)燈、數(shù)值顯示、滑塊、開(kāi)關(guān)按鈕和波形圖等模塊組合來(lái)顯示各種實(shí)時(shí)行車(chē)信息。除了具有真實(shí)車(chē)輛儀表的基本功能以外，還可以在保證駕駛員觀察的前提下，保存各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為硬件在環(huán)仿真提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.1 初始化模塊

CAN卡在正常工作前必須對(duì)其進(jìn)行初始化[12]。初始化模塊設(shè)計(jì)包括通信頻率的選擇、報(bào)文幀類(lèi)型的選擇、通訊通道的選擇以及CAN報(bào)文解析。目前乘用車(chē)通信頻率為500 kHz，商用車(chē)通信頻率為250 kHz，因此本系統(tǒng)支持以上兩種通信頻率；報(bào)文幀類(lèi)型可選擴(kuò)展幀和標(biāo)準(zhǔn)幀；通訊網(wǎng)絡(luò)為獨(dú)立雙通道；能適應(yīng)更多應(yīng)用場(chǎng)景，操作簡(jiǎn)單。CAN報(bào)文解析模塊是通過(guò)調(diào)用CANlib庫(kù)里封裝子函數(shù)can accept對(duì)報(bào)文進(jìn)行處理。

2.2 數(shù)據(jù)接收模塊

通過(guò)讀取CAN報(bào)文數(shù)據(jù)函數(shù)分別對(duì)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和內(nèi)容進(jìn)行讀取，并處理接收到的數(shù)據(jù)幀。這個(gè)過(guò)程使用了while循環(huán)，同時(shí)在while循環(huán)中加入了一個(gè)用布爾常量表示的條件，當(dāng)條件為真，結(jié)束循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)CAN協(xié)議成功接收到來(lái)自CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)后，還需要根據(jù)CAN協(xié)議對(duì)這些數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，從而獲得所需的數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)幀中的字符串按照協(xié)議拆分成字節(jié)，使用索引數(shù)組進(jìn)行索引，通過(guò)條件結(jié)構(gòu)與元素同址操作結(jié)構(gòu)按照相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符、比例因子和偏移量解析成數(shù)值。

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

顯示模塊可以在顯示數(shù)據(jù)的同時(shí)將其生成圖像，便于觀察。當(dāng)數(shù)據(jù)接收模塊完成對(duì)車(chē)載數(shù)據(jù)的接收后，需要將這些信息直觀形象且實(shí)時(shí)地顯示在監(jiān)測(cè)界面上，便于對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。顯示模塊分為儀表盤(pán)、參數(shù)信息和波形圖3個(gè)模塊。除了具有真實(shí)車(chē)輛儀表盤(pán)功能外，還可以獲得更專(zhuān)業(yè)的行車(chē)數(shù)據(jù)。為了能更好地對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在數(shù)據(jù)顯示模塊中還增添了一個(gè)數(shù)據(jù)分析模塊，對(duì)電機(jī)功率、電池功率和動(dòng)力總成效率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析。該模塊包括加速度曲線(xiàn)圖、SoC曲線(xiàn)圖、局部放大圖、工況全局圖和實(shí)時(shí)車(chē)速時(shí)間圖，其程序主要是通過(guò)數(shù)組函數(shù)模塊進(jìn)行解析后輸出。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為了對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。首先定義存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址，將所有信息都放在文件夾下，使用日期創(chuàng)建子文件夾，并使用條件結(jié)構(gòu)判斷該命名文件夾是否存在，若已存在，則無(wú)需重復(fù)創(chuàng)建，然后將需要保存的數(shù)據(jù)從緩存的vi中提取并合成為一個(gè)新的數(shù)組。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 功能驗(yàn)證

為測(cè)試本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)能否正常工作，將其接入硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)，設(shè)定好參數(shù)后運(yùn)行程序，根據(jù)工況踩下加速踏板和剎車(chē)踏板，觀察各項(xiàng)參數(shù)均正常，符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

3.2 誤差分析

為了分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤差，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試工況選擇中國(guó)乘用車(chē)工況，簡(jiǎn)稱(chēng)CLTC-P，它是適用于M1類(lèi)、N1類(lèi)車(chē)輛的道路工況，也將是我國(guó)使用范圍最廣的工況。選取其最有代表性的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別為600 s、1200 s和1800 s。CLTC-P工況時(shí)長(zhǎng)為1800 s，這3個(gè)點(diǎn)剛好是總時(shí)長(zhǎng)的三等分點(diǎn)，因此具有一定的代表意義。以這3個(gè)時(shí)間采集到的行車(chē)信息實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而獲得誤差。行車(chē)信息包括車(chē)速、工況車(chē)速、工況時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速與SoC等，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可知，各項(xiàng)行車(chē)信息的誤差均在5%以?xún)?nèi)，可見(jiàn)測(cè)試該系統(tǒng)精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，證明了本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性。

3.3 整車(chē)控制器性能試驗(yàn)

3.3.1 車(chē)輛工況跟隨試驗(yàn)

車(chē)輛工況跟隨試驗(yàn)是在選定的工況下，通過(guò)真實(shí)駕駛員根據(jù)實(shí)時(shí)的工況車(chē)速，控制加速和剎車(chē)踏板來(lái)控制車(chē)速，使得實(shí)際車(chē)速更加接近工況車(chē)速，從而獲得試驗(yàn)車(chē)輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。試驗(yàn)工況根據(jù)所選車(chē)輛選擇中國(guó)乘用車(chē)工況CLTC-P。

將整車(chē)控制器接入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，連接好設(shè)備，電源選擇12 V，選擇運(yùn)行工況，輸入整車(chē)性能參數(shù)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)車(chē)輛整車(chē)性能參數(shù)

運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集其車(chē)速顯示數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)1800 s后試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出，在行駛過(guò)程中，實(shí)際的車(chē)速值與仿真結(jié)果基本一致，證明了該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 急加速與制動(dòng)試驗(yàn)

為了測(cè)試實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在極端條件下能否正常工作，進(jìn)行了連續(xù)急加速與制動(dòng)試驗(yàn)。

運(yùn)行硬件在環(huán)系統(tǒng)，在虛擬車(chē)輛車(chē)速為0的情況下，將加速踏板踩到底。隨著時(shí)間的增加，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)扭矩下降，當(dāng)達(dá)到最大車(chē)速且車(chē)速基本穩(wěn)定時(shí)將剎車(chē)踏板踩到底，達(dá)到最大減速度，直到汽車(chē)完全停止，車(chē)速為0。整理數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖中可以得出該試驗(yàn)車(chē)輛的百公里加速時(shí)間約為12 s，具有良好的動(dòng)力性。該試驗(yàn)車(chē)輛的最高車(chē)速為190 km/h，此時(shí)時(shí)間為54 s，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min，電機(jī)扭矩為800 Nm。將采集的參數(shù)與行車(chē)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果表明，采集的參數(shù)是準(zhǔn)確有效的，該系統(tǒng)具備可行性。由此可知該系統(tǒng)能測(cè)量出虛擬車(chē)輛的各項(xiàng)性能參數(shù)且可保存重要數(shù)據(jù)，為日后整車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)提供了重要的參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)了一種能夠在硬件在環(huán)仿真測(cè)試時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛重要行車(chē)信息的系統(tǒng)。其具有友好的人機(jī)交互界面、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高，具有良好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，能夠自動(dòng)生成數(shù)據(jù)，并按照需求導(dǎo)出各種圖表，也可根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目的變化進(jìn)行拓展，提高了測(cè)試效率，縮短了測(cè)試流程。配合x(chóng)PC Target雙機(jī)在環(huán)仿真平臺(tái)，能有效地對(duì)整車(chē)控制器性能進(jìn)行測(cè)試。軟件部分只需使用電腦就可以開(kāi)發(fā)，在與硬件電路和數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合后即可使用，便于攜帶，與傳統(tǒng)觀測(cè)儀器相比體積小、成本低、延展性強(qiáng)，能適應(yīng)多種負(fù)載場(chǎng)景。該系統(tǒng)對(duì)半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)的開(kāi)發(fā)有借鑒意義，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。