基 于 虚 拟 仪 器 的 拖 拉 机 性 能 检 测 仪 何 勇 李 增 芳 蔡 建 平 ( 浙 江 大 学 生 物 系 统 工 程 与 食 品 科 学 学 院, 杭 州 310029) Email: Yhe@zju.edu.cn 摘 要 根 据 拖 拉 机 的 特 点 和 性 能 检 测 的 要 求, 开 发 了 一 套 基 于 多 功 能 数 据 采 集 卡 (DAQ) 和 图 形 化 编 程 语 言 LabVIEW 的 虚 拟 仪 器 拖 拉 机 性 能 综 合 检 测 仪 器, 该 仪 器 可 以 快 速 测 定 拖 拉 机 制 动 性 能 车 速 轴 重 牵 引 力 灯 光 烟 度 噪 声, 实 现 了 一 机 多 用 通 过 实 际 测 试 表 明, 仪 器 具 有 较 高 的 可 靠 性 和 精 度 关 键 词 : 拖 拉 机 性 能 检 测 设 备 虚 拟 仪 器 Study on Equipment of Tractor Inspecting and Testing based on Virtual Instrument He Yong Li Zengfang Cai Jianping (Zhejiang University) Abstract According to the characters of tractor and the requirements of its inspection and test, a new comprehensive measurement and experiment equipment based on the multi-function data acquisition (DAQ) card and graphic programming language LabVIEW is developed to measure performance parameters of tractor fast. It is capable of measuring braking torque, front and rear axles loads, traction, speed, lights, exhausting smoke, noise of tractor. The principle of the system is: Use DAQ card to acquire physical analog and digital data, then transmit them to computer by PCI bus, after the data are dealt with by the software of system, the results will be displayed and printed. The structure characteristics and design principle of the equipment were introduced and analyzed. The measurement and data collection were processed automatically under the control of microcomputer system. Test and application showed that the equipment has good precision and may easily be applied to practical work in automobile and tractor production and maintenance. Key words: Tractor performance, Inspection and measurement equipment, Virtual instrument 引 言 为 保 证 拖 拉 机 安 全 行 驶 减 少 能 耗 降 低 对 环 境 的 污 染, 对 拖 拉 机 性 能 指 标 的 检 测 日 益 受 到 重 视 现 有 的 国 内 拖 拉 机 测 试 系 统 在 测 试 精 度 操 作 性 界 面 友 好 性 等 方 面 还 存 在 技 术 问 题 [1] 以 单 片 机 为 主 体 的 测 试 仪 虽 然 体 积 小 巧 操 作 方 便 易 于 携 带, 但 功 能 单 一, 一 台 仪 器 只 能 测 少 量 的 几 种 参 数 若 要 测 多 个 不 同 的 参 数, 需 多 台 测 试 仪 才 能 完 成 而 且 在 扩 展 性 技 术 更 新 可 重 用 性 以 及 可 配 置 性 等 方 面 都 有 很 多 不 足 随 着 虚 拟 仪 器 技 术 的 迅 速 发 展, 基 于 PC 机 的 虚 拟 测 试 技 术 的 应 用 发 展 很 快 在 以 PC 机 为 硬 件 核 心 的 拖 拉 机 检 测 仪 的 设 计 与 开 发 中 引 入 虚 拟 仪 器 技 术, 可 以 方 便 快 速 地 组 成 一 套 综 合 性 能 检 测 仪 器 利 用 LabVIEW 所 提 供 的 图 形 编 程 环 境, 针 对 不 同 的 测 试 对 象, 编 写 测 试 虚 拟 面 板, 每 个 面 板 相 当 于 一 台 功 能 单 一 的 测 试 仪, 然 后 把 每 个 面 板 作 为 子 面 板 供 主 [2,3] 面 板 调 用, 即 可 组 成 一 台 可 测 多 种 参 数 的 综 合 检 测 仪 器 1
1 拖 拉 机 检 测 仪 器 的 工 作 原 理 检 测 仪 的 检 测 项 目 包 括 左 右 制 动 力 轴 重 牵 引 力 车 速 烟 度 噪 声 灯 光 等, 其 中 制 动 性 能 直 接 关 系 到 安 全, 是 重 点 检 测 项 目 车 速 制 动 力 轴 重 及 牵 引 力 的 测 试 机 构 布 置 在 拖 拉 机 检 测 平 台 上 对 烟 度 噪 声 和 灯 光 的 检 测 均 有 专 用 的 检 测 传 感 设 备, 可 采 集 其 二 次 输 出 信 号 左 轮 制 动 力 传 感 器 右 轮 制 动 力 传 感 器 轴 重 传 感 器 牵 引 力 传 感 器 烟 度 仪 信 号 调 理 系 统 DAQ 卡 虚 拟 仪 器 界 面 显 示 打 印 保 存 数 据 噪 声 仪 车 速 传 感 器 灯 光 传 感 器 图 1 拖 拉 机 检 测 设 备 组 成 原 理 图 图 1 是 检 测 设 备 的 组 成 原 理 图, 主 要 包 括 传 感 器 和 信 号 采 集 仪 ( 包 括 左 右 制 动 力 轴 重 和 车 速 测 试 平 台, 烟 度 仪, 噪 声 仪, 灯 光 仪 ), 信 号 调 理 系 统 ( 包 括 信 号 采 集 放 大 等 ) DAQ 卡 和 计 算 机 系 统 检 测 仪 对 不 同 传 感 器 采 集 的 信 号 以 及 专 用 仪 器 输 出 的 信 号 进 行 放 大 和 A/D 转 换 处 理, 然 后 经 从 DAQ 卡 输 入 计 算 机, 再 由 自 行 编 制 的 检 测 软 件 系 统 对 信 号 进 行 处 理, 通 过 预 先 设 定 的 检 测 标 准 来 判 断 检 测 结 果, 最 后 显 示 或 打 印 结 果 制 动 力 的 测 定 通 常 有 平 板 式 和 滚 筒 式 两 种 滚 筒 式 在 车 轮 磨 损 或 雨 天 等 情 况 下, 由 于 附 着 力 不 够 而 出 现 轮 子 打 滑, 影 响 测 试 精 度 ; 由 于 拖 拉 机 的 轴 重 较 小, 测 试 时 有 上 抛 现 象, 测 试 精 度 受 到 影 响, 而 且 结 构 相 对 较 复 杂 ; 采 用 平 板 式 则 可 克 服 这 些 不 足 平 板 式 制 动 力 平 台 平 板 底 下 的 液 压 油 缸 推 动 平 板 的 往 复 滑 动, 同 时 推 动 被 制 动 鼓 抱 紧 的 车 轮, 力 传 感 器 直 接 获 得 反 向 阻 力 的 应 变 值, 从 而 得 到 拖 拉 机 的 制 动 力 矩 这 里 采 用 平 板 式 制 动 力 平 台 车 速 测 量 采 用 滚 筒 式 车 速 测 试 台 试 验 时 将 驱 动 轮 置 于 滚 筒 上, 驱 动 轮 借 助 摩 擦 力 带 动 滚 筒 旋 转 通 过 滚 筒 端 部 的 霍 尔 传 感 器 来 测 定 滚 筒 转 动 的 转 数, 由 于 滚 筒 和 车 轮 具 有 相 同 的 线 速 度, 因 此, 可 以 计 算 出 车 速 和 车 轮 的 转 速 滚 筒 的 线 速 度 表 达 式 为 : v =Ln 10-6 (1) 式 中 L 滚 筒 圆 周 长,mm 2
n 滚 筒 转 速,r/min 2 信 号 调 理 信 号 调 理 是 指 传 感 器 采 集 到 的 信 号 在 输 入 DAQ 卡 之 前, 进 行 的 预 处 理, 主 要 包 括 放 大 滤 波 隔 离 多 路 复 用 ( 电 荷 放 大 电 压 放 大 热 电 偶 积 微 分 应 变 桥 路 平 衡 激 励 电 源 和 线 性 化 ) 等 被 测 物 理 量 经 过 传 感 器 后, 往 往 成 为 电 阻 电 容 电 荷 电 压 或 电 流 的 变 化 量 为 了 输 入 计 算 机 进 行 数 据 处 理, 或 为 了 驱 动 显 示 仪 表 信 号 记 录 仪 控 制 器 以 及 打 印 机 等 设 备 工 作, 需 要 对 这 些 信 号 进 行 调 理, 以 提 高 信 噪 比, 易 于 传 输 并 与 后 续 环 节 相 适 配 根 据 本 设 计 具 体 情 况, 调 理 电 路 采 用 自 制 方 式 采 用 高 性 能 的 运 算 放 大 电 路 TDA7650, 对 来 自 拉 力 传 感 器 的 电 压 差 仅 有 几 (mv) 的 共 模 电 压 信 号 进 行 放 大 处 理 试 验 表 明 效 果 较 好 对 于 50Hz 交 流 电 的 干 扰, 则 通 过 在 程 序 中 设 置 滤 波 器, 采 用 软 件 处 理 的 方 法 进 行 滤 波 [3] 3 系 统 设 计 3.1 数 据 采 集 卡 LabVIEW 的 数 据 采 集 (Data Acquisition) 程 序 库 包 括 了 许 多 NI 公 司 数 据 采 集 (DAQ) 卡 的 驱 动 控 制 程 序 通 常, 一 块 卡 可 以 完 成 模 / 数 转 换 数 / 模 转 换 数 字 量 输 入 / 输 出 及 计 数 器 / 定 时 器 操 作 等 多 种 功 能 用 户 在 使 用 之 前 必 须 按 DAQ 卡 的 要 求 进 行 配 置 这 些 控 制 程 序 用 到 了 许 多 低 层 的 DAQ 驱 动 程 序 DAQ 卡 的 基 本 任 务 是 物 理 信 号 的 产 生 或 测 量 但 是 要 使 计 算 机 系 统 能 够 测 量 物 理 信 号, 必 须 要 使 用 传 感 器 把 物 理 信 号 转 换 成 电 信 号 ( 电 压 或 者 电 流 信 号 ) 有 时 必 须 使 用 信 号 调 理 辅 助 电 路, 先 将 信 号 进 行 一 定 的 处 理 总 之, 数 据 采 集 是 借 助 软 件 来 控 制 整 个 DAQ 系 统, 包 括 采 集 原 始 数 据 分 析 数 据 给 出 结 果 等 DAQ 卡 有 插 入 式 DAQ 卡 和 外 接 式 DAQ 系 统 本 文 采 用 的 DAQ 卡 是 由 美 国 国 家 仪 器 公 司 (NI) 生 产 的 基 于 PCI 总 线 的 E 系 列 高 性 能 多 功 能 数 据 采 集 卡 PCI-6024E, 即 使 在 高 采 样 速 率 高 增 益 的 情 况 下,E 系 列 产 品 也 能 保 证 采 集 的 精 度 E 系 列 产 品 的 高 级 定 时 功 能 和 多 板 同 步 能 力, 增 强 了 数 据 采 集 系 统 的 灵 活 性 和 适 应 性 3.2 软 件 系 统 功 能 模 块 根 据 虚 拟 仪 器 功 能 的 需 要, 在 软 件 测 试 系 统 中 将 应 用 程 序 分 为 九 大 模 块, 其 中 包 括 7 个 专 用 检 测 子 系 统 ( 制 动 性 能 检 测 仪 轴 重 检 测 仪 牵 引 力 检 测 仪 车 速 检 测 仪 灯 光 检 测 仪 烟 度 检 测 仪 噪 声 检 测 仪 ) 1 个 虚 拟 示 波 器 及 1 个 虚 拟 频 谱 分 析 仪 子 系 统 在 虚 拟 仪 器 前 面 板 中 采 用 Tab 结 构, 由 多 张 选 项 卡 构 成 了 多 个 独 立 的 检 测 仪 界 面, 而 相 关 的 DAQ 号 (Device#) 和 通 道 号 (Channel#) 以 及 有 关 待 检 车 辆 和 机 主 信 息 等 的 相 关 设 置 均 在 第 一 张 选 项 卡 上 完 成 每 个 测 试 模 块 都 可 以 独 立 使 用, 测 试 拖 拉 机 某 一 方 面 的 性 能 参 数 在 信 号 采 集 完 成 后, 还 可 进 行 数 据 保 存 图 表 打 印 以 及 网 页 发 布 等 操 作, 方 便 用 户 对 数 据 的 进 一 步 处 理 3.3 软 件 结 构 框 架 根 据 软 件 流 程 结 构 框 架, 各 单 独 检 测 仪 具 有 相 似 的 结 构, 将 各 个 检 测 子 系 统 进 一 步 进 行 划 分, 根 据 虚 拟 仪 器 功 能 的 需 要, 应 用 程 序 应 包 含 : 数 据 采 集 模 块 数 据 读 取 模 块 数 据 处 理 模 块 数 据 存 储 模 块 结 果 显 示 模 块, 各 个 模 块 之 间 的 数 据 流 关 系 如 图 2 所 示 对 每 个 3
功 能 模 块 再 进 行 细 分, 又 可 分 成 若 干 个 组 成 虚 拟 仪 器 的 子 VI, 以 及 虚 拟 仪 器 的 其 它 基 本 组 成 元 素 [4] 选 择 通 道 选 择 通 道 数 据 采 集 数 据 读 取 数 据 处 理 数 据 储 存 超 限 判 断 结 果 显 示 图 表 打 印 网 页 发 布 图 2 拖 拉 机 检 测 仪 软 件 模 块 结 构 框 架 4 实 际 检 测 与 试 验 对 相 关 参 数 进 行 设 置, 对 检 测 仪 的 放 大 倍 数 进 行 标 定 后, 即 可 运 行 程 序 进 行 实 际 检 测 图 3 是 采 用 本 检 测 线 测 得 的 制 动 力 波 形 将 所 测 得 的 结 果 与 标 准 检 测 值 进 行 比 较, 结 果 表 明, 本 检 测 线 相 对 误 差 约 为 1.3%, 能 满 足 拖 拉 机 检 测 的 要 求 5 结 束 语 图 3 制 动 力 检 测 结 果 显 示 4
开 发 了 一 种 基 于 虚 拟 仪 器 技 术 的 拖 拉 机 综 合 性 能 测 试 仪 器, 可 以 快 速 测 定 拖 拉 机 制 动 性 能 车 速 轴 重 牵 引 力 灯 光 烟 度 噪 声, 通 过 测 试 和 实 际 使 用 表 明, 该 检 测 仪 的 性 能 能 满 足 实 际 需 要, 系 统 的 数 据 处 理 功 能 是 传 统 拖 拉 机 检 测 系 统 无 法 比 拟 的 由 于 本 检 测 线 采 用 了 虚 拟 仪 器 测 量 原 理 和 信 号 处 理 技 术 以 及 提 高 系 统 稳 定 性 措 施, 因 而 使 得 本 系 统 的 检 测 快 速 准 确 稳 定 而 具 有 实 用 性 和 先 进 性 参 考 文 献 1 梁 俊 爽. 荷 兰 拖 拉 机 技 术 状 态 检 测 现 状 考 察. 农 机 维 修,1995(2):21~28 2 顾 玉 辉, 李 柯. 一 种 虚 拟 信 号 分 析 仪 器 的 设 计. 电 子 测 量 与 仪 器 学 报,1999,13(1):51~55 3 邓 振 杰, 齐 建 玲. 基 于 labview 的 虚 拟 仪 器 构 建 技 术. 国 外 电 子 测 量 技 术,2002,21(5):24~28,34 4 周 泓, 汪 乐 宇. 虚 拟 仪 器 系 统 软 件 结 构 的 设 计. 计 算 机 自 动 测 量 与 控 制,2000,8(1):21~24 5 周 箭, 陈 隆 道. 虚 拟 仪 器 技 术 在 机 电 工 业 自 动 化 进 程 中 的 作 用. 机 械 工 业 自 动 化,1998(3):13~16 6 应 怀 樵. 虚 拟 仪 器 与 PC 卡 泰 技 术 的 现 状 与 发 展. 计 算 机 自 动 测 量 与 控 制,2000,8(2):1~2,13 7 耿 世 钧, 刘 伟 玲. 基 于 虚 拟 仪 器 平 台 的 导 热 系 数 测 定 仪 的 设 计. 仪 器 仪 表 学 报,2000,21(5):464~467 8 李 晓 维. 虚 拟 仪 器 技 术 分 析. 电 子 测 量 与 仪 器 学 报,1996,10(3):9~13 9 Ferrier, Alessandro Piuri, Vincenzo. Simulation tool for virtual laboratory experiments in a WWW environment. Proceedings of IEEE instrumentation and Measurement Technology Conference, 1998.102~107 5