大数据实时数据采集同步分析系统 涟水石湖镇大数据平台实时数据处理

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前沿：大数据实时数据采集同步分析系统

虚拟仪器技术与汽车工程测试
摘要:汽车工程测试向多物理量、高精度、自动化的方向发展,为测试技术提出了新的要求。文中基于现代汽车
工程测试的需求,介绍了虚拟仪器的定义、构成、特点和关键技术,并根据实例,阐述了虚拟仪器技术在汽车工程测试领
域的应用优势及前景。
关键词:虚拟仪器;汽车;测试
0引言
随着社会生活水平提高和消费者需求多样
化,现代汽车的性能和配置不断地提高,增加了汽
车工程测试的复杂程度。汽车工程测试中,经常需
要测量多种信号并进行分析[1],如车速、转向盘转
角、横摆角速度、侧倾角、俯仰角、横向加速度、纵
向加速度、车体变形、电压、电流、温度、CAN总
线信号、油液压力、真空度等。一方面,汽车工程
测试不断向着多物理量、高精度、大数据量、自动
化的方向发展,另一方面,传统仪器由于功能固
化、数据处理及分析能力差、存储数据量少等原
因,越来越难以满足现代化汽车测试的需要。20
世纪80年代开始出现的虚拟仪器技术适应了这
种需求,并在汽车工程测试中取得了日益广泛的
应用。
1虚拟仪器技术构成、特点及优势
1.1虚拟仪器的定义及构成
1986年,美国国家仪器(National Instru-
ments,即NI)公司在世界上首次提出了虚拟仪
器的概念,引发了测控技术领域的一场重大变革。随着个人计算机技术的飞速发展和NI等研
究者的努力,近20年来,虚拟仪器技术在工业、
教学、科学实验、国防等领域取得越来越广泛的
应用。
所谓虚拟仪器,是在以计算机为核心的硬件
平台上,其功能由用户设计和定义,具有虚拟面
板,其测试功能由设计软件实现的一种计算机仪
器系统[2]。
一个典型的虚拟仪器测试系统由以下模块
构成,如图1。各种被测物理量可以通过选用不
同的传感器来感测,传感器输出的信号经过信号
调理电路的线性放大,转换为数据采集卡可以识
别的特定范围内的电压信号。数据采集卡的主要
功能是A/D转换,即将输入的模拟电压信号转
换为计算机可以识别的数字信号。基于计算机的
主控系统读取数据采集卡转换后的数字信号,软
件可以控制数据的处理、显示与分析。
1.2虚拟仪器技术的特点及优势
虚拟仪器技术是在计算机技术和现代测试
技术深层次结合的基础上发展起来的一门新技
术。它利用计算机强大的运算功能和存储能力,
充分运用软件的作用来实现信号的在线采集、数
据的实时显示、分析处理和打印输出等功能[3]。
虚拟仪器系统既利用了计算机技术的诸多优点,
又融入仪器的特性和功能。主要有以下几个特
点:
(1)虚拟仪器利用强大的计算机硬件资源,
大大增强了虚拟仪器的功能。
计算机技术帮助虚拟仪器进行数据处理、显
示、存储、打印、报表等功能,方便、高效地实现了
传统仪器难以实现的功能;网络技术提供了数据
远程传输的通道,使远程测试、网络测试成为可
能。
(2)功能强大的软件是虚拟仪器的核心。
计算机主控系统的使用,使一部分本来由硬
件来完成的工作可以通过在计算机上运行的软
件来完成,数据处理、分析可以通过软件中的运
算来实现,如数字滤波,复杂的频域和调制分析
等;通过图形用户的软件界面可以显示数据;各
种参数的控制也可以通过软件中的空间实现。软
件开始成为构筑仪器的核心。因此,NI公司提出
了“软件即仪器”的观点。
(3)虚拟仪器另外一个显著的特性是用户
自定义,或者成为可扩展性。
传统仪器一般由厂商定义,而虚拟仪器可以
由用户定义。硬件方面,虚拟仪器系统采用模块化
的方案。基于标准的虚拟仪器测试平台(如NI公
司的PXI平台)通过选用不同的传感器、数据采
集卡,用户可以进行所需要的各种物理量的测量,
而不是局限于一种或几种物理量的测量。仪器的
功能不再固化,可以由用户定义。软件方面,虚拟
仪器软件工具一般由驱动程序和应用开发环境
(如NI的Labview,Labwindows/CVI和Measure-
ment Studio)以及高阶测试与数据管理工具组成。
使用者利用这种集成式的软件构造,可以自由的
定义和生成功能强大的测量与控制系统[4]。
(4)低廉的成本。
由于虚拟仪器技术采用计算机来进行测量
分析,可以利用个人计算机行业的规模经济优
势,轻松地通过升级PC对测量性能进行大幅度
的提升。每次随着新一代PC处理器的更新,虚
拟仪器技术就可以低廉的成本实现更高级的应
用。另外,当需要更多的测试功能时,虚拟仪器只
需要购买相应的传感器等少量硬件,加入到现有
的系统中即可,而不是重新购买昂贵的专用仪
器。
概括来说,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。虚拟仪器
的以上特点也是其优势所在,如今在许多应用中
它已成为传统仪器的主要替代方式,虚拟仪器技
术已成为测试测量行业的主流技术。随着PC、半
导体和软件功能的进一步更新,未来虚拟仪器技
术的发展将在诸多行业越来越广泛的应用,汽车
行业也不例外。
2虚拟仪器在汽车测试中应用实例
如前所述,现代车内测试系统应该支持多种
信号的测量与分析。虚拟仪器技术的快速发展和
走向成熟,为汽车测试工程师提供了灵活、高效
的解决方案。虚拟仪器技术在汽车工程测试中的
应用不断的扩展和深入,大量替代传统的汽车测
试仪器,并实现了新的功能和效率。如汽车性能
测试、车载数据采集、CAN总线控制信号采集、
发动机ECU测试系统、噪声和振动测试,甚至燃
料电池汽车的测试也开始应用虚拟仪器技术。本
节以车载数据采集、CAN总线信号采集为实例,
阐述虚拟仪器技术在汽车工程测试中的应用。
2.1基于虚拟仪器的车载测试应用实例
为了满足车载多物理量测试的应用,笔者基
于NI公司的PXI虚拟仪器平台开发了车载综合测试系统。
2.1.1硬件设计
车载综合测试系统的硬件基于NI公司的
PXI-6259数据采集卡与PXI-8186控制器组建,
硬件系统的结构如图2。
传感器端使用Tektronix电压探头、电流探
头等将各种信号转换为采集卡能识别的电压信
号,采集卡拾取电压信号,进行模拟数字转换后,
通过PXI接口传输到主控制器。主控制器本身就
是一台经过仪器化改进的个人计算机,具备个人
计算机的所有软硬件功能,如外接显示器、打印
机,鼠标、键盘等输入输出设备,使用图形化的编
程软件,科学的计算工具软件,因此,测得的数据
可以方便地显示与分析。值得注意的是,温度采
集方面,没有通过数据采集卡测试,而是通过
USB接口的热电偶模块采集,这也是虚拟仪器
的另外一个优势,即基于个人计算机内部总线的
其他扩展,如USB、PCMCIA接口仪器的使用,
增强了仪器的便携性和功能。
2.1.2软件设计
软件设计包括系统软件及应用软件。系统软
件提供了测试系统的工作环境,由于虚拟仪器的
硬件本身就是基于个人计算机的,WINDOWS作
为最成熟的操作系统,在个人计算机上得到了广
泛的应用,因此选用了WINDOWS操作系统。
应用软件开发平台,选用LABVIEW 7.1的
图形化仪器软件,大大减少了仪器开发的周期,
因为图形化的编程语言(G语言)使得编程不再
是繁琐的代码编写,而是采用图标、连线的方式,
这种方式更加接近软件编写者的思维逻辑,因而
更加简单易懂。此外,LABVIEW内置丰富的扩
展函数库,也减少了许多重复性的工作。
车载综合测试系统的软件流程如图3,系统
包含多物理量综合测试、加速性能测试、最高时
速测试、制动性能测试4个功能模块,选择相应
的功能模块,可以对测试进行控制和输出,如开
始、停止数据采集,查看测得曲线、数值。由于硬
件系统测得的信号是经采集卡模数转换后的电
压信号,为了得到更直观的结果,程序在后台内
置了运算模块,将电压信号逆向转换为各物理量
的值,如电压、电流、温度等。车速方面,计算采集
卡计数器的信号,转换为车辆行驶速度。车载综
合测试系统的软件界面如图4。

2.1.3系统特点与优势
车载综合测试系统采用模块化的硬件结构
和图形化的编程方式,开发时间短,功能强。不仅
具备了传统车载测试仪器的功能,又能实现长时
间数据记录和输出。重要的是,它基于同一个时
间轴测试多种物理量,可以将各种数据输出到同
一图表,进一步分析各物理量之间的相互影响。
随着用户对测试要求的提高,通过扩展硬件和编
制程序,可以实现更多物理量的测量,进行更复
杂的测试控制与数据分析。
4结论
汽车工程测试不断地向着多物理量、高精
度、大数据量、自动化的方向发展。而基于计算机
技术和网络技术的虚拟仪器,具有用户自定义、
开发周期短、软件功能强、成本低廉等优势,技术
分析和应用实例表明,相对传统仪器而言,虚拟
仪器更能适应不断提高的汽车工程测试的需要,
虚拟仪器在汽车工程测试中的应用前景也会更
加广泛和深入。
参考文献
[1]黄全安,王会义.一种基于ADμC812与虚拟仪器技术
的车用实时监测与分析系统[J].测控技术,2004,6.
[2]石博腔,赵德永,李畅,雷振山.LabVIEW编程技术实
用教程[M].涟水石湖镇石湖镇:中国铁道出版社,2003.
[3]QIN SHUREN,Integrated testing technology and virtual
instrument[C].Luoyang:Proceedings of ISIST,1999.
[4]高向东.虚拟仪器技术综述[J].中国计量.2004,4.

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一.了解什么是同步采集？

数据采集卡的模拟输入通道从采样的时间角度可以分为同步采集和顺序采集。同步采集是指采集卡同时采样和保持多通道模拟电压，采样过程不区分先后顺序。采样保持过程结束后，采集卡内部AD转换器再分别对各通道保持器进行量化，量化结果顺序输出。

由此可见，具有同步采集功能的采集卡每个通道对应一个采样保持电路（也可以采用集成 电路形式），数据同步采集分时传输。

二 .同步采集与顺序采集对比

三.同步采集的优势

通过对比顺序采集的电路结构，可以看出：

1、独立的采样保持电路可以保证多通道同时采集，采集过程不会产生相位误差。

2、独立的采样保持电路保证了通道间的隔离性，通道间信号不易发生串扰。

四 .同步采集的应用

根据同步采集的特性，同步采集卡适用于多通道采集且对通道间相位误差要求较高的领域，比如：

1、电力测量领域

电力测量通常需要同时采集电压和电流的数据，电压电流的采集如果存在相位误差将会造成功率计算的误差。因此需要使用同步采集。

2、声学测量领域

如使用麦克风矩阵的声学测量系统，需要测量分析多路麦克风信

号的频谱、相位等信息，因而需要使用同步采集。

3、生物测量领域

如人体心电测量系统，需要同步测量多路心电传感器信号。

附：同步采集卡选型表

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