虛擬儀器技術及其在汽車工程中的應用探討

秦啟昌

【摘 ?要】虛擬儀器技術有效的融合了計算機技術和測量技術，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件可完成各種測試、測量和自動化，并因其性能高、擴展性強、開發時間少、無縫集合等優勢在測控和工業自動化領域應用良好。

【關鍵詞】虛擬儀器;虛擬儀器技術;汽車工程

虛擬儀器技術有效的融合了計算機技術和測量技術，通過計算機軟件，將計算機強大的信息處理能力和儀器設備的硬件測量與控制能力加以緊密結合，并通過計算機軟件實現對信息的把握、保存和處理，具有性能高、擴展性強、開發時間少、無縫集合等優勢。近年來，虛擬儀器技術在汽車工程領域得到良好的應用，有效的提升了汽車設計、制造、使用和檢測的水平，帶動了汽車工程相關技術的進步與發展。

1虛擬儀器技術

1986 年美國國家儀器公司（National ?Instruments Corporation 簡稱NI）首先提出虛擬儀器的概念，其核心內容是以計算機作為儀器統一的硬件平臺，充分利用計算機的運算、存儲、回放、調用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合起來融為一體，這樣便構成了一臺從外觀到功能都完全與傳統硬件儀器相同，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統。

現代社會，隨著科學技術的發展，計算機的應用逐漸增強，改善人們生活的同時，并為傳統儀器技術注入了強大的活力，在此情況下，虛擬儀器技術應運而生。虛擬儀器技術有效的融合了計算機技術和測量技術，通過軟件將計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。虛擬儀器首要關鍵技術主要是總線技術和圖形化的編程環境。

相較于傳統儀器技術，現代化的虛擬儀器技術具有性能高、擴展性強、開發時間少、無縫集成等四大特點或優勢。虛擬儀器技術以PC技術為基礎，完全繼承了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，性能強大;同時，虛擬儀器技術具有高性能、高度靈活的軟件，可以讓用戶迅速建立用于設計和產品測試的自動化測量系統，并可實現在各種環境下重復使用，靈活方便，且維護簡單;另外，虛擬儀器軟件平臺可以將多個測量設備集成到單個系統，減少任務的復雜性，簡單方便。

2虛擬儀器和傳統儀器的區別

虛擬儀器和傳統儀器相比，特點可概括如下：

2.1個性化

虛擬儀器技術利用了計算機的數據處理及顯示功能，用戶不僅可以參與，而且可以自行定義、自行設計和制造。

2.2開發及生產速度快

虛擬儀器作為一種以軟件為主體的產品，在跟蹤技術進步和市場需求方面，在生產周期和更新換代方面明顯優于傳統儀器儀表。

2.3虛擬儀器是綠色產品

當儀器儀表的制造從硬加工轉變為軟加工后，其在加工中消耗的大量能源和原材料，以及在制造、包裝、運輸、使用過程中產生的一切污染都將被大大降低。因此，虛擬儀器是典型的綠色化產品。

2.4性能價格比高

在傳統儀器中，信號每經過一次硬件處理都會引入誤差。由于虛擬儀器減少了硬 件的使用，因而減少了測量誤差，實現了較高精度的測量。而虛擬儀器的開發、更新、加工各環節實現了軟件化，其制造工藝、制造成本與傳統儀器比較，發生了質的變化，使其具有明顯的市場競爭力。

2.5虛擬儀器是信息化產品

由于軟件化和集成性使虛擬儀器成為科技含量高的信息化產品。同時，任何最新的軟件成果都可被虛擬儀器采用，整個軟件技術的發展都將促進虛擬儀器的發展。

3虛擬儀器的組成

虛擬儀器一般由 3 部分組成：

3.1輸入部分 進行信號調理，將輸入的模擬信號轉換成數字信號;

3.2數據處理部分 按測試要求對輸入信號進行各種分析和處理;

3.3輸出部分 將數字信號轉換成模擬信號，并進行必要的信號調整。

虛擬儀器的硬件構成有多種方案，其基本構成及內部功能如圖 1、圖 2 所示。虛擬儀器通過應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板）操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設計的一臺單個傳統儀器一樣。虛擬儀器以透明的方式把計算機資源（如微處理器、內存、顯示器等）和儀器硬件（如 A/D、D/A、數字I/O、定時器、信號調理等）的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的分析處理、表達以及圖形化用戶接口。

4虛擬儀器技術在汽車工程中的應用

近年來，隨著科學技術水平的逐步提升，虛擬儀器技術在汽車工程領域得到了良好的發展與應用，主要體現在汽車的設計、生產、檢測及維修等方面。

4.1汽車的性能設計方面。在汽車性能設計中，虛擬儀器技術逐步代替了以往傳統的設計方法或技術，應用現狀與前景良好。傳統的設計方法復雜而又浪費時間與精力，且無法實現功能設計和功能實驗的共同進步。過去的設計方法通常是先做出系統，然后在實驗層面上進行測試，然后再驗證這個系統的功能，這種方法不僅消耗了大量的時間和精力，也難以改進系統設計，改進的結果且不能立即展示，而且測試系統價格高昂，使用不方便。運用虛擬儀器技術，設計人員可以快速對設計系統進行更改或改進，并及時了解設計的效果，有效的改善傳統設計方法的不足。如虛擬儀器在汽車防止抱死制動分析中的應用，不僅改進了系統的控制辦法，而且使系統的控制能力與精確性等方面獲得了提升。

4.2汽車的生產方面。隨著社會的發展，現代汽車的生產逐步向高科技、數字化、自動化的方向發展，且規模宏大。以往傳統的測控系統不僅設備龐大，且監測參量少，維護困難，難以滿足現代汽車生產的監測要求。而以PC為基礎，結合適當的DAQ 板的虛擬儀器系統不僅可以實現虛擬化的過程監測與控制，及時方便的顯示結果，將結果保存為各種文檔，還可進行遠程監控與數據采集，減少了分析處理數據所需的時間。如帶有內置式DAQ 卡的PC 機，其所有的功能鍵、顯示器、曲線都可以在CRT顯示器上重構，操作簡單，可方便靈活地增加或減少相關模塊，可重新配置現有系統以滿足新的測試要求，這樣既不會丟失已有的硬件和軟件資源，又能夠滿足經常變化的測試要求，為汽車工程的發展提供了很多方便之處。

4.3汽車的檢測和維修方面。傳統的汽車的檢測與維修通常是采用儀器設備和人工直觀結合的方式進行，檢測結果因易受到人為因素的干擾而缺乏準確性。運用虛擬儀器技術，可使配光檢測系統和車輛尾氣系統相結合，拓展新的檢測方式，實現對汽車及汽車相關部件的自動檢測，并提高其準確度，如近年來發展的車燈配光檢測系統。另一方面，虛擬儀器技術的應用對汽車的實驗與測試方面也有重要的促進作用。在汽車實驗和測試中，需要對各種信號進行測量和分析操作，由人工或機械方式完成這些任務難度大、時間長。虛擬儀器技術的出現和迅速發展，不僅使這些問題得到有效緩解，也為汽車測試與實驗提供了更多的選擇，為汽車測試中出現的問題提供了更為靈活有效的解決方案。如，在汽車道路測試過程中，傳統方法主要采用五輪儀、非接觸式車速儀以及方位陀螺儀、垂直陀螺儀等儀器。這些設備不僅結構復雜，成本較高，而且有些參數的測量容易產生誤差。利用虛擬儀器技術為基礎的測試系統，對汽車的制動性、操縱穩定性等技術指標進行測試，不僅克服了有些硬件檢測儀器需要使用模擬跟蹤儀，繪制曲線靠人工判別辨認的缺點，而且實現了全數字化處理。

5結語

虛擬儀器是今后儀器儀表、測試控制研究與發展的方向，基于PC技術的虛擬儀器技術也必將向高性能、多功能、集成化、網絡化的方向發展，并得到廣泛應用。同時，虛擬儀器技術在汽車工程領域中的深入應用，也必將有助于汽車工程的發展與進步，進而提高汽車工程的科研水平和生產效率。

參考文獻：

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[2]金有娟.基于虛擬儀器技術的汽車儀表盤設計[J].機械研究與應用，2012，（6）.

（作者單位：桂林市疊彩區環境衛生管理站）