應(yīng)用LabVIEW8.0圖形化編程軟件，配備N(xiāo)I公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6233和運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-7342以及一臺(tái)PC機(jī)組建一個(gè)對(duì)汽車(chē)油門(mén)踏板的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試原理及軟件設(shè)計(jì)是需要詳細(xì)介紹的內(nèi)容。 1 引言 在汽車(chē)越來(lái)越普及的今天，汽車(chē)內(nèi)部的各種測(cè)試系統(tǒng)也必然需要越來(lái)越智能化；油門(mén)踏板的測(cè)試就是一個(gè)典型的例子。同時(shí)油門(mén)踏板是作為汽車(chē)內(nèi)部與成員安全息息相關(guān)的核心部件，這要求我們對(duì)它的測(cè)試進(jìn)行嚴(yán)格全面的測(cè)試。 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)，一般是靠踏板來(lái)控制，也稱加速踏板，是車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)控制供油的裝置。油門(mén)踏板的測(cè)試主要包括其滑動(dòng)變阻器的線性度測(cè)試、壓力和位移的匹配度測(cè)試、特殊點(diǎn)的鑒別……這些測(cè)試最終都?xì)w結(jié)于一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題——曲線擬和。所以從理論上來(lái)講，目前所有的編程語(yǔ)言都可以勝任，C、Matlab等。由于測(cè)試過(guò)程必須依靠硬件采集數(shù)據(jù)，所以如果采用的語(yǔ)言硬件接口越方便，程序員的工作就會(huì)越輕松，就可以把更多的精力放在算法研究上面。 1986年，美國(guó)國(guó)家儀器（NI，National Instruments ）公司提出了虛擬儀器的概念，這是一種革命性的程序設(shè)計(jì)思想。這種設(shè)想是前面板，數(shù)據(jù)流框圖以及圖形化儀器的有機(jī)結(jié)合，密不可分。具體而言，它是通過(guò)計(jì)算機(jī)（含有LabVIEW軟件）為操作平臺(tái)，以模塊化功能的硬件為橋梁的測(cè)控系統(tǒng) 。在虛擬儀器的理念中，硬件僅僅是輸入輸出信號(hào)的工具和軟件賴以生存的物理環(huán)境，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它決定著硬件的管理和儀器功能的實(shí)現(xiàn)。 本文采用LabVIEW作的油門(mén)踏板測(cè)試系統(tǒng)極大的加快了軟件開(kāi)發(fā)速度。 2 測(cè)試原理 2.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖 將安裝好的汽車(chē)踏板固定在測(cè)試臺(tái)，首先伺服電機(jī)前向勻速直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)踏板跟運(yùn)動(dòng)到機(jī)械極限位置，這是第一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)踏板位置到達(dá)極限（當(dāng)檢測(cè)到位于踏板與電機(jī)間的壓力傳感器大于一定的數(shù)值，就可以做出判斷），則伺服電機(jī)換向，跟隨踏板內(nèi)部彈簧運(yùn)動(dòng)回原點(diǎn)位置，這是第二個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在兩個(gè)過(guò)程中，一方面要通過(guò)LabVIEW編程借助運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制電機(jī)的速度、方向以及啟停；另一方面還要通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)、使用數(shù)學(xué)工具處理數(shù)據(jù)；最后，對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)與廠家給出的這些數(shù)據(jù)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，給出測(cè)試結(jié)果。 測(cè)試系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示?？梢钥吹?，測(cè)試系統(tǒng)的核心是一臺(tái)裝有數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、以及LabVIEW8.0軟件的PC機(jī)。其中數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)采集測(cè)試系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，比如電壓值、位移傳感器值、壓力傳感器值，并送入LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；運(yùn)動(dòng)控制卡是LabVIEW對(duì)電機(jī)控制的橋梁。 2.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件流程圖 整個(gè)系統(tǒng)的程序主要分為主程序和數(shù)據(jù)采集子程序、電機(jī)控制子程序、電源控制子程序、數(shù)據(jù)處理及曲線顯示并得出測(cè)試結(jié)論四個(gè)子程序組成。其流程圖如圖2所示。 關(guān)于流程圖的幾點(diǎn)說(shuō)明： （1）初始化主要是對(duì)主程序的初始化和電源的初始化，首先設(shè)定電源的設(shè)置為電壓輸出。 （2）啟動(dòng)電機(jī)的過(guò)程就是調(diào)用電機(jī)控制子程序的過(guò)程，包括對(duì)電機(jī)的初始化的過(guò)程，如設(shè)定電機(jī)的速度，方向等等。 （3）判斷踏板是否運(yùn)行到底的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)壓力傳感器的數(shù)值進(jìn)行的，當(dāng)壓力到一定的數(shù)值，程序就認(rèn)為踏板運(yùn)行到了底部。 （4）采集到的數(shù)據(jù)都是以數(shù)組的形式存儲(chǔ)起來(lái)，電源設(shè)置的改變主要是將輸出電壓設(shè)置為輸出電流。電機(jī)反向的設(shè)置就是將電機(jī)的速度設(shè)置為原來(lái)的負(fù)數(shù)即可。 （5）判斷電機(jī)是否回到原點(diǎn)是通過(guò)位移傳感器來(lái)進(jìn)行判斷的。 （6）將兩次采集、存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，給出測(cè)試結(jié)果。根據(jù)客戶的要求決定是產(chǎn)生測(cè)試報(bào)告的文檔文件還是將文件直接由打印機(jī)打出。 2.3 主要測(cè)量數(shù)據(jù) 2.3.1 電壓u1與輸入電壓U 圖3中的1，2，3為踏板滑片的三個(gè)引腳，A，B為一個(gè)滑動(dòng)變阻器的兩端。在踏板跟隨電機(jī)正向運(yùn)動(dòng)的第一個(gè)過(guò)程中，踏板內(nèi)部電路中的滑片也會(huì)從A點(diǎn)滑動(dòng)到B點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，引腳1和3之間加入了一個(gè)恒壓源U，使用數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端， 采集引腳1和2之間電壓的數(shù)值u1。u1隨著滑片的滑動(dòng)不斷變化。采集u1的同時(shí)，也將采集電機(jī)位移L的變化過(guò)程。以L為X軸，u1為Y軸做的曲線在理想情況下應(yīng)該是一條直線。 但在實(shí)際情況下需要對(duì)采集到的兩個(gè)數(shù)組進(jìn)行線形化擬合。一般采用最小二乘法，即： 數(shù)據(jù)采集卡得到了和，然后需要確定的就是a 和b這兩個(gè)系數(shù)。對(duì)上面公式分別對(duì)a和b求偏導(dǎo)后讓其等于零，于是得到兩個(gè)關(guān)于a和b的方程，聯(lián)立方程組很容易就可以求出a和b，得到所給數(shù)據(jù)的最佳線性方程。 采用LabVIEW這種圖形化編成方式根本不需要進(jìn)行如此復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，只需要采用一個(gè)最小二乘法求解最佳線性擬合的一個(gè)模塊，如圖4所示。 其中Y、X、Weight表示數(shù)組、 及（每一點(diǎn)的權(quán)），Best Linear Fit表示數(shù)組，slope和intercept分別表示最佳線性擬合直線的斜率和截距。 當(dāng)求解出這些參數(shù)，與廠家給出的參數(shù)相比較，就能得到第一個(gè)參數(shù)的測(cè)試結(jié)論。 2.3.2 電壓R，Rn 在踏板運(yùn)動(dòng)的第二個(gè)過(guò)程中，我們把1、3引腳之間輸入的固定電壓改成從引腳1輸入固定電流；把測(cè)量引腳1、2之間電壓u1改為測(cè)量2、3引腳之間的電壓u2。這樣以u(píng)2除以I就得到了電阻R。同樣以L為橫坐標(biāo)，R為縱坐標(biāo)的曲線在LabVIEW程序的前面板上顯示出來(lái)。等到第二個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程結(jié)束，關(guān)閉電機(jī)之后關(guān)掉電流之前，采集引腳1、3之間的電壓u3計(jì)算出Rn=u3/I，同樣將這些參數(shù)與廠家給出的參數(shù)相對(duì)比，給出測(cè)試結(jié)論。 2.3.3 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位移L與電機(jī)對(duì)踏板的壓力F 在第一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中和第二個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采用位移傳感器和壓力傳感器全程記錄下滑片從A點(diǎn)到B點(diǎn)，再?gòu)腂點(diǎn)到A點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程中電機(jī)的位移變化（其中設(shè)滑動(dòng)頭在A點(diǎn)時(shí)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位移為0，B點(diǎn)時(shí)為位移最大值）以及電機(jī)與踏板之間的壓力變化。位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)值將分別通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的兩個(gè)模擬輸入端口輸入電腦，在LabVIEW中，以L為橫坐標(biāo)軸，F(xiàn)為縱坐標(biāo)軸的曲線與廠家給出的曲線的技術(shù)參數(shù)相比較，得出第三個(gè)參數(shù)的測(cè)試結(jié)論。 2.4 主要子程序框圖 由于LabVIEW是圖形化編程軟件，鑒于本測(cè)試系統(tǒng)的主程序篇幅龐大，此處僅列部分子程加以說(shuō)明。 在數(shù)據(jù)采集子程序中，首先是設(shè)定好采樣的各種參數(shù)，如采樣率，采樣方式（多通道還是單通道等等），采樣率的設(shè)置要考慮數(shù)據(jù)采集卡的性能（關(guān)于PCI-6233的性能請(qǐng)參考相關(guān)的產(chǎn)品手冊(cè)）；然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣，在后面的while 循環(huán)中將多個(gè)通道中采樣到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)二維數(shù)組里，便于數(shù)據(jù)處理程序的調(diào)用；之后是一個(gè)停止采樣的函數(shù)模塊。同樣，主程序也可以對(duì)這個(gè)子程序進(jìn)行機(jī)動(dòng)靈活的調(diào)用。 在電機(jī)控制子程序中，首先是對(duì)電機(jī)進(jìn)行初始化：設(shè)定電機(jī)的運(yùn)行方式、運(yùn)動(dòng)速度，然后啟動(dòng)電機(jī)，后面的一個(gè)大方框是一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)循環(huán)中可以即時(shí)監(jiān)測(cè)到電機(jī)運(yùn)行到的位置；在后面一個(gè)方框是一個(gè)case結(jié)構(gòu)，當(dāng)while循環(huán)中傳遞出正的布爾量時(shí)，程序開(kāi)始執(zhí)行電機(jī)停止函數(shù)模塊，使電機(jī)停止運(yùn)行。在主程序中我們可以根據(jù)兩個(gè)過(guò)程對(duì)電機(jī)運(yùn)行的要求，靈活的更改程序的參數(shù)設(shè)置，如速度，例如可以在第一個(gè)過(guò)程中把速度設(shè)置為10000，而在第二個(gè)過(guò)程中可以把它設(shè)置為-10000，表示電機(jī)以相同的速度反向運(yùn)轉(zhuǎn)。 3 結(jié)論 軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，圖形化編程相對(duì)于C、VC、VB等等文字性編程，大大提高了編程的效率。在文字性編程中需要寫(xiě)入幾千行才能實(shí)現(xiàn)的功能，在LabVIEW中只需要放入幾個(gè)控件幾秒鐘就可以完成，比如硬件的初始化、最小二乘法的實(shí)現(xiàn)等。這種效率是驚人的，這也是本系統(tǒng)選擇LabVIEW作為開(kāi)發(fā)工具的主要原因。 該系統(tǒng)目前在博世公司初步試驗(yàn)后運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)試可靠程度達(dá)95%以上。經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化之后有望做成產(chǎn)品推向市場(chǎng)。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集