【文章內(nèi)容簡介】 ASIC，LabWindows/CVI等；B、圖形化編程語言如LabVIEW，HPVEE等?！狶abVIEW 概述LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench——實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺）是一種圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。它是一種32位的編譯型圖形化編程語言，因此美國國家儀器公司(NI)將它稱之為G語言(Graphical Programing Language——圖形化編程語言)[10]。1986年LabVIEW之父Jeff Kodosky正式宣布了LabVIEW的誕生，經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，發(fā)展到現(xiàn)在的版本，LabVIEW已經(jīng)成為測試測量和控制行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)平臺[11]。LabVIEW與傳統(tǒng)編程有著顯著的區(qū)別，傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖表表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向[12]。使用LabVIEW設(shè)計虛擬儀器，與以往測試儀器相比，可以提高效率410倍[13]。同時利用其模塊和遞歸方式，用戶可以從自己的需求出發(fā)，在很短的時間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計自己的所需要的虛擬儀器，并且可以隨心所欲地組合儀器的前面板，然后經(jīng)過簡單的連線操作，一臺功能復(fù)雜的測試系統(tǒng)就可以展現(xiàn)在用戶面前。 LabVIEW的特點(diǎn)[12]（1) 提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化編程方法，徹底把工程師們從復(fù)雜苦澀的文本編程工作解放出來。（2） 內(nèi)建的編程器在用戶編寫程序的時候就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯誤，它會立即被顯示出來.（3） 由于采用數(shù)據(jù)流模型，他實(shí)現(xiàn)了自動的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力。（4） 通過DLL，CIN節(jié)點(diǎn)，ActiveX，NET或MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)LabVIEW與其他編程語言混合編程。（5） 通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布EXE、動態(tài)鏈接庫或安裝包。（6） LabVIEW提供了大量的驅(qū)動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。（7） LabVIEW內(nèi)建600多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。（8） NI同時提供了豐富的附加模塊，用于擴(kuò)展LabVIEW在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。 LabVIEW ，具有一些新的特性，具體如下：（1） 效率的再次提高；（2） 更靈活的分析與數(shù)據(jù)表達(dá)；（3） 專為工業(yè)級應(yīng)用而優(yōu)化的LabVIEW實(shí)時模塊。 LabVIEW的應(yīng)用[8]目前隨著虛擬儀器的發(fā)展，LabVIEW廣泛應(yīng)用于航空航天、通信、汽車、半導(dǎo)體、生物技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域。LabVIEW主要應(yīng)用可以體現(xiàn)在一下幾個方面。（1） 自動化測試平臺在測試與測量方面，LabVIEW已經(jīng)成為該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其提供的大量的開發(fā)工具使復(fù)雜的測試與測量任務(wù)變得簡單易行。（2） 工業(yè)控制和控制平臺LabVIEW常常用于苛刻的工業(yè)應(yīng)用，例如需要高級I/O，包括高速模擬信號采集；振動監(jiān)控、控制和機(jī)器視覺之類的高級信號處理應(yīng)用；與工業(yè)硬件的通信等應(yīng)用領(lǐng)域。（3） 數(shù)據(jù)分析處理平臺LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的高級數(shù)據(jù)分析庫，包括統(tǒng)計、估計、回歸分析、線性代數(shù)等。上述功能可以滿足大多數(shù)用戶的需求。（4） 嵌入式設(shè)計平臺對于需要芯片完全確定性和執(zhí)行性能的應(yīng)用，LabVIEW提供了多種解決方案。LabVIEW FPGA模塊同PCI和PXI可以重復(fù)配置I/O設(shè)備、CompactRIO或者緊湊視覺系統(tǒng)CVS結(jié)合，可提供一個便捷的運(yùn)行在NI FPGA上的可編程解決方案。（5） 原型設(shè)計平臺LabVIEW可以利用高效的設(shè)計應(yīng)用、仿真以及仿真數(shù)據(jù)與這是測量之間進(jìn)行比較。再設(shè)計過程中輕松地將真實(shí)世界的測試工具與仿真模型進(jìn)行比較，找出設(shè)計中的不足，從而獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 概述數(shù)據(jù)采集（Data AcQuisition，DAQ），又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一座橋梁。數(shù)據(jù)采集可以采集各種信號如：溫度、流量、速度、壓力等。數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術(shù)之一，NI公司提供了豐富的設(shè)備以求到達(dá)適應(yīng)各中測量需求。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及儀表總成和網(wǎng)路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)必定會大大提高。并且數(shù)據(jù)采集技術(shù)會用于多個方面，例如汽車研發(fā)、工業(yè)成產(chǎn)等，大大提高了工業(yè)成產(chǎn)的效率，并且可以瞬時獲得大量動態(tài)信息，成為科學(xué)研究的有力武器。 數(shù)據(jù)采集構(gòu)成數(shù)據(jù)采集主要是由傳感器，DAQ卡、信號調(diào)理、PC以及軟件構(gòu)成的，其基本結(jié)構(gòu)圖如22所示傳感器信號號信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡PC數(shù)據(jù)顯示圖22數(shù)據(jù)采集基本結(jié)構(gòu)下面對傳感器，DAQ卡、信號調(diào)理、PC以及軟件做一下簡單介紹。 傳感器所謂傳感器，就是一種能測量各種機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)的物理量并把它們轉(zhuǎn)變成電量的裝置。傳感器相當(dāng)于人的感覺器官，通過傳感器的感知來正確地檢測出各種條下的物理量[14]。例如熱電偶、電阻式測溫計、熱敏電阻器等。傳感器的性能指標(biāo)包括精度、響應(yīng)特性、可靠性、結(jié)構(gòu)是否緊湊、耐久性以及制造成本等。電子化、信息化的趨勢也帶動了傳感器的發(fā)展，未來傳感器的發(fā)展史多功能化、集成化、多功能化。這些性能的發(fā)展還將提高可靠性以及降低系統(tǒng)制造成本。 信號調(diào)理從傳感器的得到的型號，有可能很微弱、或者含有很大噪聲，因此必須對這些信號做出一些必要的調(diào)理。信號調(diào)理的方式主要有放大、衰減、隔離、濾波、激勵、線性化等。（1） 放大信號幅值調(diào)理，以便適宜于采樣?？偸窍Ｍ盘柗档姆逯底銐虼?，以便利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精確度。同時信號調(diào)整模塊應(yīng)盡可能靠進(jìn)信號源和傳感器，使得信號在收到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前被放大，使信噪比得到改善。（2） 衰減衰減與放大正好相反。降低了信號的幅度。從而處于ADC范圍之內(nèi)。（3） 隔離隔離是指通過變壓器耦合，電容耦合和光電耦合等方法在被測對象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間傳遞信號，避免兩者之間存在直接的電氣連接[15]。這樣不僅僅可以組合高壓波以及較高共模電壓，而且可以保護(hù)操作人員和昂貴的設(shè)備。（4） 濾波濾波就是濾除信號中的高頻噪聲，以提高信噪比。大部分型號調(diào)整裝置都包括了為最大程度抑制50Hz或60Hz噪聲而設(shè)計的低通濾波器。（5） 激勵激勵對于一些轉(zhuǎn)換器是必須的，例如應(yīng)變計、電熱調(diào)節(jié)器和RTD需要外部電壓或流激勵信號。（6） 線性化許多傳感器電信號與物理量之間是分線性化的，因而需要對其輸出信號進(jìn)行線性化以補(bǔ)償傳感器帶來的誤差。 數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備數(shù)據(jù)采集卡，與計算機(jī)連接可以有許多方式。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入，模擬輸出，數(shù)字I\O觸發(fā)采集和定時I\O。 PC與軟件軟件使PC與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。沒有軟件，數(shù)據(jù)采集硬件是毫無用處的。軟件分為驅(qū)動程序與上層引用程序。一般來說，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序控制數(shù)據(jù)采集卡的硬件操作。上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析、存儲和顯示等。 本章小結(jié)在本章節(jié)中主要介紹了以下幾部分內(nèi)容：（1） 虛擬儀器的概念、特點(diǎn)、構(gòu)成以及與傳統(tǒng)儀器的顯著優(yōu)點(diǎn)。（2） 著重分析了圖形化開發(fā)平臺LabVIEW仿真軟件的基本特點(diǎn)、功能、應(yīng)用以及本設(shè)計所使用的LabVIEW 。（3） 最后闡述了數(shù)據(jù)采集技術(shù)。3 系統(tǒng)總體設(shè)計 相關(guān)概念以及基本原理 汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng)的功用汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的作用是保證發(fā)動機(jī)可以迅速達(dá)到理想的工作溫度，并且無論環(huán)境和工作條件如何變化，始終保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶詢?nèi)。冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動機(jī)過熱，又要防止在冬季發(fā)動機(jī)過冷。在發(fā)動機(jī)冷起動的時候要讓發(fā)動機(jī)迅速升溫，盡快達(dá)到合適的工作溫度。無論是在極冷或極熱的條件下，無論是在交通堵塞的城市環(huán)境中還是在高速公路上搞速行駛，發(fā)動機(jī)必須能夠同樣高速地運(yùn)轉(zhuǎn)已求達(dá)到發(fā)動機(jī)最佳工作狀態(tài)。在發(fā)動機(jī)工作期間，最高燃燒溫度可能高達(dá)2500攝氏度，即使在怠速或中等轉(zhuǎn)速下，燃燒室溫度也會在1000攝氏度以上。因此，在如此高溫度的情況下，以高溫氣體接觸的發(fā)動機(jī)零件將會受到強(qiáng)烈的加熱。若不進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)過熱情況， 將會導(dǎo)致如下危害：（1） 汽缸壁溫度過高會破壞缸壁的潤滑油膜，降低潤滑性能，加速機(jī)件磨損。（2） 氣缸或進(jìn)氣管溫度過高，導(dǎo)致混合氣受熱膨脹，造成充氣減少，降低了汽車的動力性。（3） 汽缸中的活塞以及活塞環(huán)由于高溫而膨脹破壞了配合間隙，造成摩擦阻力增加，嚴(yán)重時可能發(fā)生咬死現(xiàn)象。（4） 早燃和爆燃可能性增大，破壞了發(fā)動機(jī)正常工作；同時，也促使零件承受額外的沖擊負(fù)荷而造成早期損壞。（5） 過高的溫度將會使汽車的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、耐久性全面的下降。由此可見，過高的溫度將會導(dǎo)致汽車諸多的危害，可是若是發(fā)動機(jī)的溫度過低也會造成如下危害：（1） 過低的溫度導(dǎo)致發(fā)動機(jī)散熱損失以及摩擦損失的增加。（2） 溫度的過低有可能引起混合氣的點(diǎn)燃困難或者燃燒遲緩，造成發(fā)動機(jī)的功率下降。（3） 溫度過低導(dǎo)致機(jī)油粘度增大，增加了零件運(yùn)動的阻力又或者不能進(jìn)入零件運(yùn)動的間隙，加劇了零件的磨損。（4） 燃油消耗率也會隨之增加。因此鑒于發(fā)動機(jī)過高或者過低都會造成上述危害，現(xiàn)代的高效率發(fā)動機(jī)對于工作溫度有著極其精確的要求。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力都應(yīng)該滿足發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷時的散熱需求。 現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)功用是使發(fā)動機(jī)在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行工作，并且還是運(yùn)用節(jié)溫器、保溫簾和冷卻風(fēng)扇。三者工作互不相連，不能根據(jù)發(fā)動機(jī)工況而準(zhǔn)確調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)散熱能力[16]。而現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)除了應(yīng)該協(xié)調(diào)控制上述三者的工作，使其程序化、模塊化、系統(tǒng)化統(tǒng)籌考慮每一項(xiàng)因素。還應(yīng)考慮改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放等作用。因此現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)要綜合下列因素[17]：（1） 發(fā)動機(jī)內(nèi)部的摩擦損失。（2） 冷卻系統(tǒng)消耗功率。（3） 燃燒邊界條件，如燃燒室溫度，充量密度、充量溫度等。 水冷冷卻系統(tǒng)組成（1） 冷卻風(fēng)扇其功用是當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的時候吸進(jìn)空氣讓空氣通過散熱器，以增強(qiáng)散熱能力，加快冷卻液冷卻速度。（2） 節(jié)溫器節(jié)冷器又被稱為調(diào)溫器，主要是用于控制冷卻液流動路徑，改變冷卻液循環(huán)范圍，調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，使發(fā)動機(jī)處于適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ鳌９?jié)溫器其實(shí)就是控制冷卻液流動的閥門?，F(xiàn)在主要使用的是蠟式節(jié)溫器，蠟式節(jié)溫器有兩種形式，一種是單閥型，另一種是雙閥型。當(dāng)冷卻液溫度低于規(guī)定值時，節(jié)溫器內(nèi)的石蠟處于固態(tài)。節(jié)溫器閥在彈簧的作用下關(guān)閉發(fā)動機(jī)與散熱器之間的通道，冷卻液經(jīng)水泵返回發(fā)動機(jī)，進(jìn)行小循環(huán)。冷卻液流經(jīng)路線如圖31所示。圖31 小循環(huán)工作狀態(tài)當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到規(guī)定值后，石蠟開始融化逐漸由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，體積也將隨之增大并壓迫橡膠管使其收縮。在橡膠管收縮的同時對推桿作用以向上的推力，推桿對閥門有向下的反推力使閥門開啟。這時冷卻液經(jīng)由散熱器和節(jié)溫器閥，再經(jīng)水泵流回發(fā)動機(jī)，進(jìn)行大循環(huán)。冷卻液流經(jīng)路線如圖32所示。圖32 大循環(huán)工作狀態(tài)1水泵齒形帶輪；2散熱；3曲軸齒形帶輪；4水泵；5節(jié)溫器；6控制閥；7暖風(fēng)機(jī)（3） 散熱器散熱器其實(shí)就是一個熱交換器，冷卻液在散熱器芯流動，空氣在散熱器芯外流動，熱的冷卻液由于逐漸向空氣散熱而變冷，冷空氣則吸收冷卻液散出的熱量而變熱。散熱器一般是由進(jìn)水室、出水室以及散熱器芯等部分構(gòu)成的。按散熱器中冷卻液流動的方向可將散熱器分為縱流式和橫流式兩種散熱器。縱流式散熱器芯是豎直布置，冷卻液由進(jìn)水室自上而下地流過散熱器芯進(jìn)入出水室。而橫流式散熱器芯是橫向布置的，冷卻液自進(jìn)水室經(jīng)散熱器芯到出水室橫向流過散熱器?，F(xiàn)代多數(shù)汽車時使用橫流式散熱器的，這樣可以使發(fā)動機(jī)罩的外擴(kuò)較低，有助于改善車身前端的空氣動力性。（4） 水泵其功用是對冷卻液加壓，保證冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動。現(xiàn)代汽車廣泛采用的是離心式水泵。該水泵是由水泵殼體、水泵軸、葉輪以及進(jìn)、出水管所組成的。 車用傳感器 概述傳感器其實(shí)就是將某中物理量轉(zhuǎn)化為電信號的元件。在汽車上傳感器應(yīng)用非常廣泛，諸如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、位置、空氣流量、氣體濃度、速度、角度、減速度、爆震等。據(jù)不完全統(tǒng)計2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預(yù)計在未來，全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場以及通訊市場。在現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)主要是由三部分組成的，第一部分是信號采集部分，第二部分即ECU（Electronic Control Unit）是對采集的信號進(jìn)行分析處理，然后發(fā)出相應(yīng)的控制指令。第三部分是執(zhí)行ECU的指令，從而完成控制指令。其中第一部分即信號采集時有傳感器來完成的，如果沒有各種傳感器，電子控制系統(tǒng)是根本無法完成的，傳感器在電子控制中起著至關(guān)重要的作用。它與ECU、執(zhí)行器三者緊密聯(lián)系，使汽車全面優(yōu)化運(yùn)行，降低了排放污染，減少燃油消耗，提高了汽車行駛安全性、駕駛舒適性。傳感器、ECU和執(zhí)行器三者工作關(guān)系如圖33所示[18]。傳感器 精確地監(jiān)視當(dāng)前發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，然后向控制模塊（ECM）發(fā)出信號。ECU處理傳感器發(fā)來的信號，與存儲數(shù)據(jù)對比，然后向執(zhí)行器發(fā)出信號。執(zhí)行器根據(jù)控制模塊發(fā)出的控制信號，執(zhí)行不同的發(fā)動機(jī)功能。圖33 傳感器、ECU和執(zhí)行器工作關(guān)系 傳感器分類由于電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及信息技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，汽車電子控制技術(shù)得到了全面的發(fā)展，因此導(dǎo)致了工程師設(shè)計出了各種各樣的汽車傳感器，傳感器的靈敏度、分辨率、線性度以及測量范圍都得到了全面的優(yōu)化。就算測量同一種參數(shù)，也可以使用不同傳感器去測量。另外同一種傳感器也可以測量不同的參數(shù)。傳感器有許