便攜式數(shù)據(jù)采集分析儀的研制
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汽車試驗(yàn)是我們技術(shù)中心三大主體工作之一，而整車道路試驗(yàn)又是汽車試驗(yàn)的一個重要方面。這些試驗(yàn)所需的車載儀器設(shè)備又有其特殊性——可移動便攜式、可靠性高、操作簡潔、通用性強(qiáng)、具有實(shí)時采集和分析處理等功能。由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，以往我們技術(shù)中心所用的車載設(shè)備除了噪聲測試分析需要高頻采樣、專用頻譜分析處理軟件而采用的是進(jìn)口的設(shè)備；其它數(shù)據(jù)采集儀除少量是委托外面公司開發(fā)的外，大都是是我們技術(shù)中心自行開發(fā)研制的。由于這些自行研發(fā)采集儀功能滿足使用要求，而且具有價格低、使用方便、便于二次開發(fā)等特點(diǎn)，所以這些儀器比較受廣大試驗(yàn)人員的歡迎。而這些自制采集儀硬件平臺無論是我們做的還是他人搞的，采用的都是帶有專用擴(kuò)展總線ISA 的筆記本計(jì)算機(jī)，但這類機(jī)型在98 年就已淘汰。目前的筆記本計(jì)算機(jī)沒有ISA 擴(kuò)展總線，根本不能連接那些原有的數(shù)據(jù)采集板。99 年在技術(shù)中心幾個試驗(yàn)部門，原用的帶有ISA 擴(kuò)展總線筆記本計(jì)算機(jī)電腦有多臺出現(xiàn)了不可修復(fù)的故障，使采集儀處于癱瘓狀態(tài)，無法使用，嚴(yán)重地影響了日益增加的整車道路試驗(yàn)工作的進(jìn)行。有關(guān)部門在機(jī)電儀計(jì)劃中提出了多臺進(jìn)口車載數(shù)據(jù)采集儀采購申請。但由于每臺進(jìn)口設(shè)備費(fèi)用高達(dá)5 萬美元以上，根本不可能滿足全部采購要求。本著“自主開發(fā)、節(jié)省資金”的原則，我們決定依靠自己技術(shù)力量開發(fā)新一代車載數(shù)據(jù)采集儀平臺，對技術(shù)中心原有的自行研發(fā)的車載數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行全面升級。
2 新型數(shù)據(jù)采集分析儀的研發(fā)目標(biāo)
2.1 統(tǒng)一平臺
技術(shù)中心原有的十幾臺采集儀，由于開發(fā)時都是與某個試驗(yàn)部門、甚至是某個人制定的方案，這樣就導(dǎo)致了無論是選用的筆記本電腦、要求的設(shè)備功能，還是開發(fā)的數(shù)據(jù)采集板、編制的數(shù)據(jù)采集分析處理軟件都是各不相同，最常用傳感器信號輸入端子插頭也是五花八門。這些設(shè)備存在著功能單一、不能互相代用的不足；最重要的是即使是同一種試驗(yàn)，由于采用的不是同一臺儀器使得信號采集精度、誤差，甚至標(biāo)定和數(shù)據(jù)分析處理方法都不同，這樣導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果可比性差。
為此，我們決定將技術(shù)中心的故障頻頻的老儀器全部淘汰，進(jìn)行全新升級；新型采集儀采用統(tǒng)一的筆記本電腦、同一精度的A/D 轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器，同樣性能的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和采樣保持器，這樣就實(shí)現(xiàn)全中心道路試驗(yàn)設(shè)備硬件平臺統(tǒng)一；同時對數(shù)據(jù)分析處理方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了統(tǒng)一，這樣將為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)共享、建立技術(shù)中心試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫打下基礎(chǔ)。
2.2 繼承原有
在汽車試驗(yàn)尤其是整車道路試驗(yàn)方面，我們技術(shù)中心有一大批專家和技術(shù)人員，不僅具有很高的理論水平而且積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在這些方面既使是吉林工業(yè)大學(xué)和清華大學(xué)也是無法比擬的，這些知識和經(jīng)驗(yàn)在我們以往開發(fā)的數(shù)據(jù)采集儀中得到了具體體現(xiàn)。因此，我們對原來的所有采集儀進(jìn)行了綜合比較和分析，決定新型數(shù)據(jù)采集儀要博采眾長，充分保留原有設(shè)備的大家認(rèn)可的硬件性能，選用最優(yōu)、最合理的軟件分析處理模型和方法。
2.3 升級創(chuàng)新
由于原設(shè)備開發(fā)受當(dāng)時軟、硬件技術(shù)發(fā)展水平的限制，對于我本人來說當(dāng)時的硬件開發(fā)水平和經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)在相比也是不成熟的，所以新型儀器在繼承以往老設(shè)備的軟硬件優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)今最新的計(jì)算機(jī)軟硬件應(yīng)用技術(shù)以及我們多年的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行最大程度升級和創(chuàng)新。采用的新型筆記本電腦的打印機(jī)接口做數(shù)據(jù)采集總線代替計(jì)算機(jī)ISA 總線，使得任何具有EPP 接口的筆記本都可以做采集儀的主控機(jī)，這是本系統(tǒng)最突出的創(chuàng)新之處。
直接采用硬件電路實(shí)現(xiàn)了多路開關(guān)及多路采樣保持器自動控制，其原理和方法也都是比較獨(dú)特的，簡化了控制軟件邏輯和指令條數(shù)，同時在不增加成本沒有更換A/D 芯片的前提下，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速度和數(shù)據(jù)吞吐效率提高了20%。
2.4 功能集成
以往研發(fā)的系統(tǒng)無論是硬件還是軟件功能相對來說是單一的，每臺設(shè)備的硬件輸入通道數(shù)量和信號輸入范圍都是不一樣的。我們開發(fā)的新型采集儀對硬件功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行兼容性設(shè)計(jì)，或者是通過軟件控制硬件實(shí)現(xiàn)功能選擇；同時將各種性能的分析處理軟件集成在一個窗口內(nèi)，用一臺儀器只是選用不同的軟硬件功能設(shè)定和選擇分析處理模塊，即可完成不同的道路試驗(yàn)。
2.5 接口開放
包括兩個方面：一個方面是控制硬件采集板的軟件程序接口向用戶開放。有編程開發(fā)能力的用戶可根據(jù)自己的試驗(yàn)工況開發(fā)一些專用的特殊的程序，這對試驗(yàn)研究有重要意義。這方面強(qiáng)振的李元寶做的非常好，自主開發(fā)了一些程序；還有整研和試車場都自己開發(fā)了一些專用程序。第二個方面是指采集的試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)文件接口向用戶開放。 數(shù)據(jù)格式也可按不同的要求進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣用戶可以用其他軟件直接調(diào)用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并編制試驗(yàn)報(bào)告。
2.6 完善性能
以往的數(shù)據(jù)采集分析儀，由于受當(dāng)時軟、硬件技術(shù)水平限制，許多功能不盡完善。新型數(shù)據(jù)采集分析儀的開發(fā)集中了廣大試驗(yàn)人員的意見，結(jié)合我們多年設(shè)備儀器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)并參考了國內(nèi)外類似器的軟硬件特點(diǎn)，揚(yáng)長避短，我們在系統(tǒng)功能的靈活性、使用可靠性、電源功耗及反向安全保護(hù)、軟硬件使用操作方便性、結(jié)構(gòu)的緊湊性，以及儀器的體積與重量都進(jìn)行了細(xì)致考慮和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)增加了應(yīng)變程控放大（代替應(yīng)變儀）、不同速度A/D 芯片的選擇插座、模擬量采集及脈沖技術(shù)的系統(tǒng)自檢與標(biāo)定、軟件上增加了信號示波器跟蹤、文件格式轉(zhuǎn)換接口等重要新功能。這樣使該設(shè)備還可以作為一個通用的數(shù)據(jù)采集器，不僅可完成道路試驗(yàn)也可以進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)臺架試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集。
同時，對數(shù)據(jù)采集儀的使用操作方便性進(jìn)行了細(xì)致考慮和設(shè)計(jì)：將全部輸入信號通道插座放在采集儀面板的左側(cè)，便于試驗(yàn)人員在副駕駛位置操作；使用可拆蓋的機(jī)箱；電源線采用絞鏈粘結(jié)捆綁可控制長短。
3 采集儀性能及研發(fā)方案的確定
3.1 系統(tǒng)的主要技術(shù)性能
(1) 試驗(yàn)性能
可完成汽車的經(jīng)濟(jì)性、動力性、平順性、操縱穩(wěn)定性、振動、制動等常規(guī)性能試驗(yàn)；也可作為一個通用的數(shù)據(jù)采集平臺，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)臺架等現(xiàn)場試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集。
(2) 主要功能與參數(shù)
模擬輸入通道：單端16 路（擴(kuò)展插頭32 路），雙端8 路（擴(kuò)展插頭16 路）；
脈沖計(jì)數(shù)通道：5 路，16 位、最高計(jì)數(shù)頻率為1000kHz；
輸入插頭端子：5 芯航空插頭，8 路模擬輸入信號并行擴(kuò)展視頻信號插頭；
擴(kuò)展插頭：1 個，包含24 路模擬信號、5 路脈沖計(jì)數(shù)信號；
A/D 轉(zhuǎn)換頻率：快速逐次逼近似轉(zhuǎn)換40kHz 及200kHz 兩種，通過芯片插座選擇；
A/D 分辨率：12 位；
A/D 輸入量程：單極性0～10V，雙極性-5～+5V；
A/D 系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換精度：1LSB(最低分辨位)/2.44mV；
A/D 輸出代碼：偏移二進(jìn)制；
A/D 輸入阻抗：10MΩ；
數(shù)據(jù)交換方式：查詢I/O 方式，定時+中斷；
系統(tǒng)電源電源及功耗：+12V±5%，電流不大于5A；
接口特性：符合筆記本計(jì)算機(jī)打印機(jī)擴(kuò)展接口電氣和機(jī)械特性，占一個插槽，全部接口線為標(biāo)準(zhǔn)LS門輸入或輸出。
以下是新系統(tǒng)較以往采集儀增加性能。
(3) 內(nèi)部時鐘與外部時鐘觸發(fā)選擇功能
根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求，需要用不同的時鐘方式，選擇采樣觸發(fā)時鐘，通過程序控制硬件電路實(shí)現(xiàn)選擇。
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