虚拟仪器技术及其在汽车工程中的应用探讨

秦启昌

【摘  要】虚拟仪器技术有效的融合了计算机技术和测量技术，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件可完成各种测试、测量和自动化，并因其性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集合等优势在测控和工业自动化领域应用良好。

【关键词】虚拟仪器;虚拟仪器技术;汽车工程

虚拟仪器技术有效的融合了计算机技术和测量技术，通过计算机软件，将计算机强大的信息处理能力和仪器设备的硬件测量与控制能力加以紧密结合，并通过计算机软件实现对信息的把握、保存和处理，具有性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集合等优势。近年来，虚拟仪器技术在汽车工程领域得到良好的应用，有效的提升了汽车设计、制造、使用和检测的水平，带动了汽车工程相关技术的进步与发展。

1虚拟仪器技术

1986 年美国国家仪器公司（National  Instruments Corporation 简称NI）首先提出虚拟仪器的概念，其核心内容是以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。

现代社会，随着科学技术的发展，计算机的应用逐渐增强，改善人们生活的同时，并为传统仪器技术注入了强大的活力，在此情况下，虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器技术有效的融合了计算机技术和测量技术，通过软件将计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器首要关键技术主要是总线技术和图形化的编程环境。

相较于传统仪器技术，现代化的虚拟仪器技术具有性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成等四大特点或优势。虚拟仪器技术以PC技术为基础，完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，性能强大;同时，虚拟仪器技术具有高性能、高度灵活的软件，可以让用户迅速建立用于设计和产品测试的自动化测量系统，并可实现在各种环境下重复使用，灵活方便，且维护简单;另外，虚拟仪器软件平台可以将多个测量设备集成到单个系统，减少任务的复杂性，简单方便。

2虚拟仪器和传统仪器的区别

虚拟仪器和传统仪器相比，特点可概括如下：

2.1个性化

虚拟仪器技术利用了计算机的数据处理及显示功能，用户不仅可以参与，而且可以自行定义、自行设计和制造。

2.2开发及生产速度快

虚拟仪器作为一种以软件为主体的产品，在跟踪技术进步和市场需求方面，在生产周期和更新换代方面明显優于传统仪器仪表。

2.3虚拟仪器是绿色产品

当仪器仪表的制造从硬加工转变为软加工后，其在加工中消耗的大量能源和原材料，以及在制造、包装、运输、使用过程中产生的一切污染都将被大大降低。因此，虚拟仪器是典型的绿色化产品。

2.4性能价格比高

在传统仪器中，信号每经过一次硬件处理都会引入误差。由于虚拟仪器减少了硬 件的使用，因而减少了测量误差，实现了较高精度的测量。而虚拟仪器的开发、更新、加工各环节实现了软件化，其制造工艺、制造成本与传统仪器比较，发生了质的变化，使其具有明显的市场竞争力。

2.5虚拟仪器是信息化产品

由于软件化和集成性使虚拟仪器成为科技含量高的信息化产品。同时，任何最新的软件成果都可被虚拟仪器采用，整个软件技术的发展都将促进虚拟仪器的发展。

3虚拟仪器的组成

虚拟仪器一般由 3 部分组成：

3.1输入部分 进行信号调理，将输入的模拟信号转换成数字信号;

3.2数据处理部分 按测试要求对输入信号进行各种分析和处理;

3.3输出部分 将数字信号转换成模拟信号，并进行必要的信号调整。

虚拟仪器的硬件构成有多种方案，其基本构成及内部功能如图 1、图 2 所示。虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面（通常叫做虚拟前面板）操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如 A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。

4虚拟仪器技术在汽车工程中的应用

近年来，随着科学技术水平的逐步提升，虚拟仪器技术在汽车工程领域得到了良好的发展与应用，主要体现在汽车的设计、生产、检测及维修等方面。

4.1汽车的性能设计方面。在汽车性能设计中，虚拟仪器技术逐步代替了以往传统的设计方法或技术，应用现状与前景良好。传统的设计方法复杂而又浪费时间与精力，且无法实现功能设计和功能实验的共同进步。过去的设计方法通常是先做出系统，然后在实验层面上进行测试，然后再验证这个系统的功能，这种方法不仅消耗了大量的时间和精力，也难以改进系统设计，改进的结果且不能立即展示，而且测试系统价格高昂，使用不方便。运用虚拟仪器技术，设计人员可以快速对设计系统进行更改或改进，并及时了解设计的效果，有效的改善传统设计方法的不足。如虚拟仪器在汽车防止抱死制动分析中的应用，不仅改进了系统的控制办法，而且使系统的控制能力与精确性等方面获得了提升。

4.2汽车的生产方面。随着社会的发展，现代汽车的生产逐步向高科技、数字化、自动化的方向发展，且规模宏大。以往传统的测控系统不仅设备庞大，且监测参量少，维护困难，难以满足现代汽车生产的监测要求。而以PC为基础，结合适当的DAQ 板的虚拟仪器系统不仅可以实现虚拟化的过程监测与控制，及时方便的显示结果，将结果保存为各种文档，还可进行远程监控与数据采集，减少了分析处理数据所需的时间。如带有内置式DAQ 卡的PC 机，其所有的功能键、显示器、曲线都可以在CRT显示器上重构，操作简单，可方便灵活地增加或减少相关模块，可重新配置现有系统以满足新的测试要求，这样既不会丢失已有的硬件和软件资源，又能够满足经常变化的测试要求，为汽车工程的发展提供了很多方便之处。

4.3汽车的检测和维修方面。传统的汽车的检测与维修通常是采用仪器设备和人工直观结合的方式进行，检测结果因易受到人为因素的干扰而缺乏准确性。运用虚拟仪器技术，可使配光检测系统和车辆尾气系统相结合，拓展新的检测方式，实现对汽车及汽车相关部件的自动检测，并提高其准确度，如近年来发展的车灯配光检测系统。另一方面，虚拟仪器技术的应用对汽车的实验与测试方面也有重要的促进作用。在汽车实验和测试中，需要对各种信号进行测量和分析操作，由人工或机械方式完成这些任务难度大、时间长。虚拟仪器技术的出现和迅速发展，不仅使这些问题得到有效缓解，也为汽车测试与实验提供了更多的选择，为汽车测试中出现的问题提供了更为灵活有效的解决方案。如，在汽车道路测试过程中，传统方法主要采用五轮仪、非接触式车速仪以及方位陀螺仪、垂直陀螺仪等仪器。这些设备不仅结构复杂，成本较高，而且有些参数的测量容易产生误差。利用虚拟仪器技术为基础的测试系统，对汽车的制动性、操纵稳定性等技术指标进行测试，不仅克服了有些硬件检测仪器需要使用模拟跟踪仪，绘制曲线靠人工判别辨认的缺点，而且实现了全数字化处理。

5结语

虚拟仪器是今后仪器仪表、测试控制研究与发展的方向，基于PC技术的虚拟仪器技术也必将向高性能、多功能、集成化、网络化的方向发展，并得到广泛应用。同时，虚拟仪器技术在汽车工程领域中的深入应用，也必将有助于汽车工程的发展与进步，进而提高汽车工程的科研水平和生产效率。

参考文献：

[1]高向东.虚拟仪器技术综述[J].中国计量，2004，（4）.

[2]金有娟.基于虚拟仪器技术的汽车仪表盘设计[J].机械研究与应用，2012，（6）.

（作者单位：桂林市叠彩区环境卫生管理站）