单输入通道数字式智能仪表

随着生产和科学技术的发展，对电测技术提出了更高的要求，一般的电工指示仪表、已不能满足某些测量的需要。数字式仪表、晶体管电压表等电子测量仪器具有高精确度、高灵敏度、高速度以及易于实现自动化等优点，因此得到了迅速的发展和广泛的应用。数字式仪表是利用半导体脉冲数字电路自动地将被测量数值用数字形式直接显示出来的一种电子仪表。 和电工指示仪表相比，数字仪表有以下的优点： (1)准确度高，如六位数字电压表测直流电压的误差可低于10—s数量级。 (2)灵敏高度，如积分式数字电压表的分辨率可达1微伏。 (3)测量速度快，一秒内可测多次，有些数字电压表可达每秒几万次。 (4)输入阻抗高、仪表功耗小。如数字电压表的基本量程的输入阻抗提高达2500兆欧。而消耗功率只有4×10　瓦，这是一般指示仪表根本达不到的。 (5)读数方便，没有读数误差这是由于测量结果直接用数字给出，所以不会由于使用者读数时站立角度不同而产生视差。数字仪表的缺点是：由于采用了大量的电子元件和其它部件，所以结构比较复杂，成本也较高。但是由于大规模集成电路的发展，现已有可能制造出价格低廉的数字式仪表。不同数字仪表的工作原理和测试功能是各不相同的，但都是由模拟一数字变换系统(简称模／数变换或A／D变换)和计数系统两部分组成。模拟一数字变换系统的作用是将被测的模拟量，如电压、电阻等变换为数字量，即将被测信号变换成与之成比例的脉冲参量，而计数系统的作用是对转换成的数字量进行计数和显示。由于数字仪表具有以上特点，它主要应用于：精密测量；对大批生产的精密指示仪表进行刻度与校验；对大量生产的元件进行分选；远距离测量；生产过程自动检测系统和控制等方面。常用的数字仪表有计数器、数字频率表、数字电压表、数字相位表和数字功率表等。

在汽车智能数字仪表的开发过程中，数字仪表所需要采集的信息量比较多，各种车型的信息参数又差别较大，这些问题的存在给仪表的实车测试和参数标定带来了困难。为了在开发过程中能够快速有效地测试系统的各项功能，提高系统开发效率，我们设计了一套测试系统，它能够模拟产生汽车上的各种参数信息，快速地对设计仪表进行全面的测试，节约台架或实车测试时间，降低测试风险。　　　　系统设计　　　　汽车智能数字仪表测试系统的开发要求针对不同的车型，能够模拟产生出仪表所需的各种采集信号信息，并且能够通过CAN接口与被测仪表进行通信。本文介绍的测试系统包括以下主要功能：车速里程表的脉冲信号模拟产生；　　　　发动机转速表的脉冲信号模拟产生；　　　　车辆燃油表信号模拟产生；　　　　车辆水温表信号模拟产生；　　　　各种车灯、车窗、车门等车身开关信号模拟产生。　　　　数字仪表具有CAN通信接口，作为一个CAN节点，可以与车上CAN网络上的其他节点进行通信。　　　　系统硬件设计　　　　数字仪表测试系统的硬件系统主要包括主控制器、PXI板卡、信号接线盒、数据通信转换板卡、供电电源以及被测试仪表等主要部分。NI提供的PXI模块化板卡设备具有体积小、速度快、易扩展等特点，因此在硬件设计方面我们采用了PxI板卡发生汽车仪表所需的各种信号。汽车数字仪表的里程表和发动机转速表需要采集的是数字脉冲信号，不同的车型由于采用的传感器不同，所输出的脉冲信号高电平从3V～12V不等，为了能够测试设计仪表的信号范围适用性，采用PXI一6624板卡，配合外部供电电路，能够产生仪表所需采集的数字脉冲信号。PXI一6624是工业级隔离的32位定时器／计数器：PXI接口板卡，具有8路隔离的通道，我们采用Couter0和Counterl作为车速表和转速表的脉冲信号提供通道。燃油表和水温表采集的是模拟信号，PXI一6233能够输出4路10V模拟电平信号，PXI一6713能够输出8路10V模拟电平信号，我们选择PXI一6713的2个模拟输出通道作为信号提供通道。由于仪表上的开关量信号比较多，他们之间产生的干扰随着也比较大，我们选用PXI一8528R对仪表的开关量进行控制，PXI一6528是高速隔离的数字I／O通道，输入和输出通道分别独立，有效的抑制了信号之间的干扰。　　　　仪表参数的标定以及作为CAN节点与车上其他CAN节点的数据通信，采用一块数据通信转换卡来完成，该卡的主要功能是完成串口信号一CAN信号之间的转换功能，开发数据通信转换卡的目的一是为了节约成本，二是考虑到大多数PC没有CAN接口。通过这个板卡对被控仪表的特征参数，如车辆的特征系数、传感器的传感系数、发动机的速比以及仪表的一些标定参数等进行设定。由于目标车型不确定，仪表的一些特征参数需要实车测试才能最后标定，所以该板卡可作为以后仪表参数标定用。　　　　系统软件设计　　　　仪表测试系统软件采用NI公司的LabVIEW8．20平台进行设计，本系统采用LabVIEW的图形化程序语言，以一种很直观的方法建立前面板人机界面和程序框图。前面板是用户可见的，类似传统仪器的操作面板，利用工具模板从控制模板中添加输入控制器和输出指示器，控制器和指示器种类可选择。程序框图是支持虚拟仪器实现其功能的核心，对程序框图的设计涉及节点、数据端口和连线的设计。连线代表数据走向，节点则是函数、Ⅵ子程序、结构或代码接口。本测试系统考虑到仪表整体功能测试和模块功能测试的需要，整个系统主要包括界面模块和各个功能测试模块，根据信号类型将仪表功能测试分为：车速表测试模块、发动机转速表测试模块、燃油表测试模块、水温表测试模块、开关量测试模块、CAN通信测试模块以及参数设置模块等主要功能模块。　　　　界面模块　　　　测试平台左侧是各种模块功能测试的切换按键，可以切换到单个功能模块的测试项目。右侧主界面模拟汽车仪表板的显示界面，如车速表、转速表、水温表、燃油表、里程指示以及各种报警和开关信号等信息显示。在进行测试实验中，工作人员通过主界面即可观测到仪表测试的整体功能。　　　　模块测试设计　　　　车速表的测试需要预先了解设定目标车型的特征参数，如车辆特征系数、车速传感器的传感系数等，然后通过数据通信卡(cAN总线信号)将特征参数下载到被测仪表，按照测试要求产生脉冲信号，信号的幅值、频率可以通过手动／自动进行调整，车速信号具备超速报警提示功能，根据设定的超速门限值，高于该门限值时，通过主界面前面板上的超速报警灯闪烁提示。测试过程也可以手动／自动进行，测试结果存档以备查询。　　　　车速表测试模块的设计采用状态机设计模式，主要分为开始、获取参数、手动／自动选择、采集(手动)、检查时间(自动)、输出信号和停止等状态。其中参数的获取主要是获取前面板上特征系数和传感系数的参数值，通常，这两个值在仪表参数标定的时候需要在线修改。检查时间是指按照程序规定的时间输出规定的信号，本系统中采取'V'模式阶梯状的车速变化趋势对仪表进行测试。　　　　发动机转速表测试模块类似于车速表测试模块，区别在于它的特征参数不同，根据特定车型的情况，通过数据通信卡(CAN总线信号)将发动机转速比下载到被测仪表，然后对其进行测试。　　　　燃油表的测试需要预先设定目标车型的燃油测试范围以及燃油门限报警值，通过数据通信卡(CAN总线信号)将参数值下载到被测仪表，然后按照测试要求开始测试跟据设定的燃油门限值，低于该门限值时，通过主界面前面板上的燃油报警灯闪烁提示。测试过程可以手动／自动进行。燃油表的测试采用状态机的设计模式，主要分为开始、获取参数、手动／自动、采集、检查报警、输出信号等状态。水温表的测试同燃油表，在此不做具体说明。　　　　CAN通信测试模块　　　　所有的模块测试之前首先需要对该模块的参数进行初始化，如进行特征系数、传感系数、发动机速比、超速门限、燃油门限、水温门限以及测量范围等参数的设置。数据通信采用CAN协议，鉴于成本方面考虑，我们在LabVIEW上对串口进行操作，然后通过数据转换板卡输出cAN信号，cAN信号直接与被测仪表进行数据通信，因此，需要定义一个简单的CAN通信协议。测试系统作为CAN网络上的一个节点，节点ID号可以根据需求自行设定，数据区域由命令字、数据长度、数据、校验位组成。图6和表1是仪表参数设定CAN通信简单协议。　　　　结语　　　　采用NI系列PxI板卡以及灵活方便的LabVIEW软件平台，使得我们在短期内构建一套汽车数字仪表产品开发、测试、评估多功能于一体的测试平台，通过对实际仪表的测试，结果表明该套测试系统能够快速准确地完成对被测仪表的各项功能测试，并且该系统具备可扩展性，可以很方便地移植到其他产品的测试方案中，为我们后续汽车电子产品的研发积累了测试经验。

方原柏(1942-)，男，湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会副理事长，冶金自动化、衡器、自动化信息等杂志编委。发表论文230余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”(1994年)、“电子皮带秤”(2007年)两本专著，主要研究方向为压力试验机等自动化仪表及控制系统的设计及工程应用。国内智能仪表行业正处在由中级向高级发展的阶段记者：可否为我们介绍一下目前国内智能仪表市场及技术的发展现状?方原柏：中国仪器仪表行业整体与发达国家相比有10～15年的差距，特别是高端产品的差距可能更大一些，国内智能仪表的现状也大体符合这一现实。但在发展中国家里，我国是仪器仪表行业规模最大、品种最齐全、综合实力最强的一个国家，而且近年来相对于全球仪器仪表3%～4%的增长率，我国在“十一五”期间，除受全球金融危机的影响2009年增长率仅有8.9%之外，其余年份增长率均在20%～30%之间。可见我国仪器仪表行业的发展速度非常快。所以我们可以这样说，国内智能仪表市场需求旺盛，是促进国内智能仪表技术发展强劲的动力，因而我国的智能仪表技术虽然与国外先进技术有较大的差距，但这种差距正在逐渐缩小。记者：您认为我国智能仪表发展正处在什么阶段?方原柏：回顾一下我国智能仪表应用和生产技术的发展历程，大体上是从上世纪七十年代末期开始应用国外智能仪表，而从上世纪八十年代早中期开始研制国产智能仪表(如可编程序调节器、压力试验机、微机化称重仪表等)，已经经历了近三十年的发展过程，所以至少应该说国内处在智能仪表发展的中级并正在向高级前进的阶段，或者换一句话说，国内大部分智能仪表尚处于发展的中级阶段，但也有一部分智能仪表技术达到了高级阶段，即国际先进水平。进步与差距并存记者：近年来，我国智能仪表技术在应用方面取得了哪些创新或突破?方原柏：一些中低档智能仪表产品已具有规模优势和国际市场竞争力。比如数字万用表、家用电度表的生产能力占全球半数以上，目前，电度表出口额超过3亿美元，水表超过1亿美元，像集装箱检测设备这样的高档产品出口也开始取得突破，以质谱仪为代表的高端科学仪器取得了重大进展，出现了可以与国外产品竞争的国产色-质联用仪器。我国“嫦娥一号”卫星所携带的8种多光谱遥测等探测仪器都是由国内自主研制，有自己的特点和创新，达到了国际先进水平。与智能仪表有关的国际标准，近年来已有用于工厂自动化的以太网EPA现场总线、用于过程自动化的WIA-PA无线网络两项标准由国内科技人员提出并纳入国际标准，增强了中国仪器仪表行业在国际上的话语权。随着节能降耗、低碳经济、民生产业、战略新兴产业的发展，调整结构和转型已成为国家的长期国策，并带动了风电、核电、物联网、智能电网、高铁和轨道交通等一批新兴产业的高速发展，这些行业的发展为压力试验机等仪器仪表行业带来了新的机遇和市场。在高新技术的推动下，仪器仪表正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。智能仪表发展的春天已经到来。针对于此，本刊记者特别采访了昆明仪器仪表学会副理事长方原柏先生，就智能仪表的现状以及未来面临的机遇和挑战等问题做进行了详尽的解读。记者：您认为国内的智能仪表技术和产品与国外存在哪些差距?国内企业应该在哪些方面努力弥补这些差距?方原柏：差距可以从2个方面来谈，一个是产品的技术水平，另一个是产品的工程应用技术。与国外仪器仪表行业相比，我国仪器仪表产业规模小，产值低，企业则规模更小，产值更低，底子薄，科技创新开发投入资金少，核心技术缺失。仪器仪表所采用的核心部件多采用国外产品或技术，自有技术支撑能力薄弱，集成能力落后，所以尽管我们可以生产大多数与国外仪器仪表行业同类的产品，但在产品技术水平的高可靠性、高性能、高适用性方面的差距较大。在产品的工程应用技术方面，由于我们实际工程应用的时间相对较短、应用范围不广和对应用技术重视不够，针对各行各业产品的具体应用技术与国外有更大的差距。我们在国外一些压力试验机等仪器仪表厂家的网站上可以找到类似应用实例、技术论坛、技术交流、在线学习、找答案这样一些热点板块(如西门子公司网站)，而在国内仪器仪表厂家的网站上就很难找到这些内容。不注重收集整理工程应用技术资料，不大力宣传工程应用技术，可能是国内仪器仪表厂家的通病。要弥补这些差距，我想强调的是需要从以下方面努力：加大企业的科技创新开发投入;发挥举国体制，相关单位协同攻关，共同提高国产仪器仪表的技术水平;重视产品的工程应用技术经验的收集整理和宣传工作。