基于Labview與Matlab聯(lián)合編程的路譜模擬設計

　　摘要：本文介紹了路譜模擬系統的系統結構與組成形式，以L(fǎng)abview軟件作為開(kāi)發(fā)工具實(shí)現了系統軟件的操作簡(jiǎn)便性，可視化性，精確性，并重點(diǎn)介紹了基于Labview與Matlab節點(diǎn)的設計方法。最后通過(guò)實(shí)驗臺架的測試驗證了此系統的有效型與可靠性。

　　關(guān)鍵詞：路譜模擬 Labview Matlab節點(diǎn)

　　一、前言

　　路譜模擬系統可以在試驗室內模擬再現整車(chē)在實(shí)際路面上行駛的運行工況，從而完成對汽車(chē)零部件性能檢測的試驗項目。精確、可靠的道路模擬系統可以縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。Labview軟件具有設計界面友好、手工編碼少的優(yōu)點(diǎn)，而matlab軟件具有強大的數學(xué)處理計算能力。本文結合這兩種開(kāi)發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢，以某公司試驗室的激振實(shí)驗臺為基礎研究對象，采用軟件聯(lián)合的方法，開(kāi)發(fā)設計了路譜模擬系統。

　　二、路譜模擬系統的實(shí)現

　　2.1 系統簡(jiǎn)介

　　路譜模擬系統的總體設計主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件的主要功能在于可靠地實(shí)現路譜信號的傳遞、執行，并且確保試驗過(guò)程安全、穩定。硬件主要包括車(chē)輛激振臺、功率放大器、USB數據采集器、加速度傳感器、力傳感器以及連接各個(gè)模塊的線(xiàn)纜。軟件的主要功能是生成路譜信號，標準信號或隨機信號并提供可視化界面供操作人員實(shí)現對試驗任務(wù)的設置、開(kāi)始與停止。其中軟件的設計采用了結合了Labview和Matlab的聯(lián)合編程方法。

　　系統的工作過(guò)程描述為：由試驗人員設定試驗車(chē)輛數據、路面等級、車(chē)速等參數，由軟件模擬器對相應的參數計算得到對應的路面譜時(shí)域信號數據，將生成的信號以數組的形式下載給USB3020數據采集器，數據采集器進(jìn)行模擬輸出，經(jīng)過(guò)功率放大器的電壓轉換作用，以電壓的形式控制激振臺動(dòng)作，安裝在被測車(chē)輛上的加速度和力傳感器將振動(dòng)數據傳給控制臺監視軟件來(lái)檢測數據的可靠與正確性。

　　2.2 基于Labview的路面模擬系統界面實(shí)現

　　本文以軟件的操作簡(jiǎn)便性，可視化性，數據生成精確性為設計目標，基于Labview對路面譜模擬程序進(jìn)行實(shí)現。模擬軟件功能包括：路譜參數的設定，其他信號參數的設定，通道輸出開(kāi)啟控制，信號的生成，生成信號數據顯示，測試過(guò)程的控制等。

　　界面左側主要用于參數設置與參數修改，涉及到的功能包括模擬信號類(lèi)型的轉換，信號頻率，幅值等重要參數的設定，路譜等級及車(chē)型等參數的設定，傳遞函數方法的選擇以及數據輸出通道的開(kāi)啟或關(guān)閉。這些功能為試驗人員在試驗過(guò)程中提供了良好的可操作性，試驗人員可以根據當前的試驗要求對試驗參數進(jìn)行設定，設定過(guò)程快速，有效，簡(jiǎn)潔。

　　界面右側主要用于查看各個(gè)通道生成信號的時(shí)域圖形和頻域圖形并且設定實(shí)驗總時(shí)長(cháng)以及試驗的開(kāi)始，停止。其功能按鈕的控制響應快速，保證了試驗的可操作性。

　　路譜模擬系統包括軟、硬件兩個(gè)部分，所以在進(jìn)行軟件設計的時(shí)候，要考慮到軟件與硬件的匹配。本文采用以L(fǎng)abview編程語(yǔ)言編寫(xiě)USB3020數據采集器控制程序的方法，利用USB3020提供的庫函數實(shí)現軟、硬件的結合。圖1即為USB3020提供的庫函數。

　　由圖1可以看出，其庫函數連接也是具有圖形化和數據流的特點(diǎn)。提供設置可以在labview中進(jìn)行加載。實(shí)現的功能有：USB3020數據采集器設備的初始化，數據寫(xiě)入設備緩存區，輸出數據的同步，輸出數據的觸發(fā)，設備的清除數據以及設備的釋放。將這些庫函數嵌入在系統軟件中，實(shí)現對硬件的驅動(dòng)。

　　三、Labview的Matlab的混合編程

　　本文采用基于節點(diǎn)法labview與matlab混合編程實(shí)現友善操作界面與復雜運算的結合。主要實(shí)現功能模塊為路譜信號的生成，主要使用了Matlab腳本節點(diǎn)，其位置在Labview程序框圖>>函數>>數學(xué)>>腳本與公式。Matlab腳本節點(diǎn)是實(shí)現Labview和Matlab兩者相結合的最主要的方法。在調用時(shí)選中Matlab腳本節點(diǎn)放置到框圖上并調節到合適的大小，可以在其中手動(dòng)輸入腳本，也可以右鍵點(diǎn)擊導入來(lái)導入已經(jīng)寫(xiě)好的腳本。Matlab腳本節點(diǎn)與它外部Labview框圖程序靠腳本節點(diǎn)的輸入輸出來(lái)連接，其輸入和輸出的設置可以在腳本節點(diǎn)的快捷菜單中選擇添加輸入和添加輸出。

　　因為L(cháng)abview和Matlab是兩種不同的編程語(yǔ)言，有各自的數據類(lèi)型定義，所以結合應用時(shí)必須注意Matlab腳本節點(diǎn)內外數據類(lèi)型的匹配。即Labview程序框圖的數據類(lèi)型要與腳本節點(diǎn)端子的變量數據類(lèi)型一致，腳本節點(diǎn)端子的變量數據類(lèi)型要與腳本內程序的數據類(lèi)型一致�？梢栽谀_本節點(diǎn)上的輸入輸出端子上點(diǎn)擊右鍵選擇數據類(lèi)型。

　　在腳本節點(diǎn)調試時(shí)可能會(huì )遇到在Matlab中運行良好的程序代碼進(jìn)入腳本節點(diǎn)之后報錯的情況，因為在變量導入中會(huì )存在維數變換問(wèn)題，例如行向量進(jìn)入腳本節點(diǎn)運算程序后可能會(huì )轉化為列向量，造成節點(diǎn)內矩陣運算出錯。初步設計時(shí)可以考慮代碼逐條導入的方法檢測

　　其運行出錯的位置再針對性檢測出錯原因。針對維數變換問(wèn)題，設計時(shí)可以利用增大輸出變量維數并查看其數組大小的方法來(lái)檢測其維數變換情況。例如，將一維數組設定為二位數組數據類(lèi)型輸出再查看其數組大小，行向量則為(n，1)，列向量則為(1，n)。若存在維數問(wèn)題，在腳本節點(diǎn)內轉置即可。另外，在腳本節點(diǎn)右下角有一個(gè)容錯端子，設計時(shí)可將錯誤端子輸出查看，方便調試。圖2即為路譜計算時(shí)調用的Matlab節點(diǎn)程序。

　　可以發(fā)現在Labview中不容易編寫(xiě)的運算程序在腳本節點(diǎn)內可以實(shí)現難度降低了很多，而保證導入變量和輸出變量數據類(lèi)型的一致是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。值得注意的是腳本節點(diǎn)內程序運算速度明顯比Matlab環(huán)境下運算速度慢，所以循環(huán)數量大、運算時(shí)間長(cháng)、方法復雜的程序利用腳本節點(diǎn)方法時(shí)需要精細設計。

　　四、程序運行驗證

　　對設計的程序進(jìn)行了試驗運行。設置參數為：車(chē)輛輪距1.6m，車(chē)輛軸距1.8m，參考車(chē)速50km/h，路面等級D，路面仿真結果如圖3。其中左上圖為左前輪路譜曲線(xiàn)，右上圖為右前輪路譜曲線(xiàn)，左下圖為左后輪路譜曲線(xiàn)，右下圖為右后輪路譜曲線(xiàn)。

　　由圖3看出，左輪前后有路面波形一致，但具有一定相差，同時(shí)右輪也具有類(lèi)似的結論。說(shuō)明路面模擬系統生成路譜信號與實(shí)際運行一致，該設計方法可行。

　　五、結語(yǔ)

　　本文基于Labview軟件采用與Matlab聯(lián)合編程的方法設計了路譜模擬軟件，通過(guò)理論分析、軟硬件聯(lián)合調試和程序運行驗證等保證了系統的可靠性、準確性，結果表明由模擬系統生成的路譜信號與監控臺采集得到的信號一致，軟件控制響應迅速，使用過(guò)程系統穩定。

　　所開(kāi)發(fā)的系統在某公司試驗臺上已經(jīng)進(jìn)入了生產(chǎn)運行，系統運行穩定可靠。該設計方法可行和有效。

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