應(yīng)用LabVIEW8.0圖形化編程軟件，配備NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-6233和運動控制卡PCI-7342以及一臺PC機組建一個對汽車油門踏板的測試系統(tǒng)。測試原理及軟件設(shè)計是需要詳細(xì)介紹的內(nèi)容。 1 引言 在汽車越來越普及的今天，汽車內(nèi)部的各種測試系統(tǒng)也必然需要越來越智能化；油門踏板的測試就是一個典型的例子。同時油門踏板是作為汽車內(nèi)部與成員安全息息相關(guān)的核心部件，這要求我們對它的測試進(jìn)行嚴(yán)格全面的測試。 汽車發(fā)動機油門，一般是靠踏板來控制，也稱加速踏板，是車用發(fā)動機控制供油的裝置。油門踏板的測試主要包括其滑動變阻器的線性度測試、壓力和位移的匹配度測試、特殊點的鑒別……這些測試最終都?xì)w結(jié)于一個數(shù)學(xué)問題——曲線擬和。所以從理論上來講，目前所有的編程語言都可以勝任，C、Matlab等。由于測試過程必須依靠硬件采集數(shù)據(jù)，所以如果采用的語言硬件接口越方便，程序員的工作就會越輕松，就可以把更多的精力放在算法研究上面。 1986年，美國國家儀器（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結(jié)合，密不可分。具體而言，它是通過計算機（含有LabVIEW軟件）為操作平臺，以模塊化功能的硬件為橋梁的測控系統(tǒng) 。在虛擬儀器的理念中，硬件僅僅是輸入輸出信號的工具和軟件賴以生存的物理環(huán)境，軟件才是整個系統(tǒng)的核心，它決定著硬件的管理和儀器功能的實現(xiàn)。 本文采用LabVIEW作的油門踏板測試系統(tǒng)極大的加快了軟件開發(fā)速度。 2 測試原理 2.1 測試系統(tǒng)硬件框圖 將安裝好的汽車踏板固定在測試臺，首先伺服電機前向勻速直線運動，推動踏板跟運動到機械極限位置，這是第一個運動過程；當(dāng)系統(tǒng)檢測踏板位置到達(dá)極限（當(dāng)檢測到位于踏板與電機間的壓力傳感器大于一定的數(shù)值，就可以做出判斷），則伺服電機換向，跟隨踏板內(nèi)部彈簧運動回原點位置，這是第二個運動過程。在兩個過程中，一方面要通過LabVIEW編程借助運動控制卡設(shè)定電機的運動參數(shù)，控制電機的速度、方向以及啟停；另一方面還要通過數(shù)據(jù)采集卡采集相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)、使用數(shù)學(xué)工具處理數(shù)據(jù)；最后，對測得數(shù)據(jù)與廠家給出的這些數(shù)據(jù)的參數(shù)進(jìn)行對比，給出測試結(jié)果。 測試系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示?？梢钥吹?，測試系統(tǒng)的核心是一臺裝有數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡、以及LabVIEW8.0軟件的PC機。其中數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)采集測試系統(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；運動控制卡是LabVIEW對電機控制的橋梁。 2.2 測試系統(tǒng)軟件流程圖 整個系統(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試結(jié)論四個子程序組成。其流程圖如圖2所示。 關(guān)于流程圖的幾點說明： （1）初始化主要是對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）啟動電機的過程就是調(diào)用電機控制子程序的過程，包括對電機的初始化的過程，如設(shè)定電機的速度，方向等等。 （3）判斷踏板是否運行到底的標(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)組的形式存儲起來，電源設(shè)置的改變主要是將輸出電壓設(shè)置為輸出電流。電機反向的設(shè)置就是將電機的速度設(shè)置為原來的負(fù)數(shù)即可。 （5）判斷電機是否回到原點是通過位移傳感器來進(jìn)行判斷的。 （6）將兩次采集、存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，對比產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，給出測試結(jié)果。根據(jù)客戶的要求決定是產(chǎn)生測試報告的文檔文件還是將文件直接由打印機打出。 2.3 主要測量數(shù)據(jù) 2.3.1 電壓u1與輸入電壓U 圖3中的1，2，3為踏板滑片的三個引腳，A，B為一個滑動變阻器的兩端。在踏板跟隨電機正向運動的第一個過程中，踏板內(nèi)部電路中的滑片也會從A點滑動到B點。在這個過程中，引腳1和3之間加入了一個恒壓源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隨著滑片的滑動不斷變化。采集u1的同時，也將采集電機位移L的變化過程。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。 但在實際情況下需要對采集到的兩個數(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這兩個系數(shù)。對上面公式分別對a和b求偏導(dǎo)后讓其等于零，于是得到兩個關(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)運算，只需要采用一個最小二乘法求解最佳線性擬合的一個模塊，如圖4所示。 其中Y、X、Weight表示數(shù)組、 及（每一點的權(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，就能得到第一個參數(shù)的測試結(jié)論。 2.3.2 電壓R，Rn 在踏板運動的第二個過程中，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；把測量引腳1、2之間電壓u1改為測量2、3引腳之間的電壓u2。這樣以u2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。等到第二個運動過程結(jié)束，關(guān)閉電機之后關(guān)掉電流之前，采集引腳1、3之間的電壓u3計算出Rn=u3/I，同樣將這些參數(shù)與廠家給出的參數(shù)相對比，給出測試結(jié)論。 2.3.3 電機的運動位移L與電機對踏板的壓力F 在第一個運動過程中和第二個運動過程中采用位移傳感器和壓力傳感器全程記錄下滑片從A點到B點，再從B點到A點的整個過程中電機的位移變化（其中設(shè)滑動頭在A點時電機的運動位移為0，B點時為位移最大值）以及電機與踏板之間的壓力變化。位移傳感器和壓力傳感器的數(shù)值將分別通過數(shù)據(jù)采集卡的兩個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，得出第三個參數(shù)的測試結(jié)論。 2.4 主要子程序框圖 由于LabVIEW是圖形化編程軟件，鑒于本測試系統(tǒng)的主程序篇幅龐大，此處僅列部分子程加以說明。 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的性能請參考相關(guān)的產(chǎn)品手冊）；然后啟動數(shù)據(jù)采樣，在后面的while 循環(huán)中將多個通道中采樣到的數(shù)據(jù)存儲在一個二維數(shù)組里，便于數(shù)據(jù)處理程序的調(diào)用；之后是一個停止采樣的函數(shù)模塊。同樣，主程序也可以對這個子程序進(jìn)行機動靈活的調(diào)用。 在電機控制子程序中，首先是對電機進(jìn)行初始化：設(shè)定電機的運行方式、運動速度，然后啟動電機，后面的一個大方框是一個while循環(huán)結(jié)構(gòu)，在這個循環(huán)中可以即時監(jiān)測到電機運行到的位置；在后面一個方框是一個case結(jié)構(gòu)，當(dāng)while循環(huán)中傳遞出正的布爾量時，程序開始執(zhí)行電機停止函數(shù)模塊，使電機停止運行。在主程序中我們可以根據(jù)兩個過程對電機運行的要求，靈活的更改程序的參數(shù)設(shè)置，如速度，例如可以在第一個過程中把速度設(shè)置為10000，而在第二個過程中可以把它設(shè)置為-10000，表示電機以相同的速度反向運轉(zhuǎn)。 3 結(jié)論 軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，圖形化編程相對于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入幾千行才能實現(xiàn)的功能，在LabVIEW中只需要放入幾個控件幾秒鐘就可以完成，比如硬件的初始化、最小二乘法的實現(xiàn)等。這種效率是驚人的，這也是本系統(tǒng)選擇LabVIEW作為開發(fā)工具的主要原因。 該系統(tǒng)目前在博世公司初步試驗后運行平穩(wěn)，測試可靠程度達(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。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集