基于 PSI5 协议的振动测试分析系统设计
基于 PSI5 协议的振动测试分析系统设计[20200209113039]
摘要 :虚拟仪器是由计算机技术、仪器技术、信息技术、软件技术和总线技术紧密结合的产
物。它运用计算机强大的数字处理功能来实成仪器仪表的大多数功能，打破了传统意义上
的仪器构架，形成的一种新的仪器行式。本设计使用了两种数据采集卡，它们分别是 NI PCI-6514 数字采集卡和 NI PCI-6221
模拟量采集卡。该系统具有控制简单机械运动、采集连续信号以及打印不合格产品的错误
报告等功能。
本文首先对振动测量功能检测系统设计的意义、研究现状进行了介绍；分析了振动测
量分析系统功能需求之后，提出一套基于虚拟仪器技术的振动测试分析系统的设计方案。
测试分析系统由工控机、多功能数据采集卡、气动夹具、显示器、打印机、扫码枪等硬件
组成，然后通过 LabVIEW 编写程序对其进行控制。简要论述了测试分析系统的硬件组成
和选择原理。对测试分析系统软件的设计思想和结构进行详细的介绍。并且，经过实践的
检验，已经投入了正式的使用当中。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键词：虚拟仪器 系统集成 数据采集 振动测试
录
1.绪论 1
1.1 选题的背景与意义 1
1.2 虚拟仪器的发展趋势 2
1.3 关于 PSI5 2
1.4 课题任务 3
2.振动测试分析系统的设计概述 5
2.1 测试系统功能需求. 5
2.2 振动测试检测方法. 5
2.3 测试系统的构成. 6
2.4 本章小结. 6
3.测试系统硬件介绍. 7
3.1 工控机的选择. 7
3.2 高精度数据采集卡的选择. 8
3.2.1 NI PCI-6514 数据采集卡简介 8
3.2.2 NI PCI-6221 数据采集卡简介 8
3.3 压电传感器以及调理电路. 9
3.3.1 压电传感器简介 9
3.4 气动夹具系统. 10
3.5 通信电路. 10
3.6 本章小结. 10
4.测试系统的接线设计 11
4.1 主电路图. 11
4.2NI PCI-6514 板卡的引脚接线 12
4.3 NI PCI-6221 板卡的引脚接线. 13
4.4 连接电路. 13
4.5 本章小结. 14
5.基于虚拟仪器技术的检测系统软件实现. 15
5.1 测试系统流程图设计. 15
5.2 测试程序. 16
5.3 本章小结. 21
6.调试. 22
6.1 上电检查. 22
6.2 上电测试. 22
6.3 气动测试. 23
6.4 手动调试. 23
6.5 自动测试. 28
6.6 本章小结. 30
总结 31
参考文献 32
附录：主要电路电气图纸 33
致谢 37
1.1 选题的背景与意义
随着汽车工业的迅速发展，汽车已经进入得到普及，大部分也已经拥有私家
车，汽车也已经成为我们每个人都不可或缺的交通工具，人们对其性能的要求也
越来越高，在获得良好的动力性能、操作性能以及性价比的同时，人们还要求汽
车具有良好的平顺性。汽车的平顺性主要是表示乘车的人们对于行驶中的汽车所
带来的振动与冲击带而影响到的乘车舒适性的感受。因此乘车人员对汽车行驶时
的舒适性来评价汽车的平顺性，对于载货汽车而言还要评价货物在汽车行驶过程
中的稳定性，它是现代汽车的主要参数之一。
然而，振动是汽车在行驶时影响汽车平顺性的最主要因素，因此能否提高汽
车平顺性的重要因素在于能否更好地分析处理汽车振动信号。只有从汽车振动信
息中得到更多实用的信号，对汽车各组成和各组成之间的匹配性能作出更为详细
的分析，从而更高效的阐发和评价汽车整车的振动特性并从其中找到它振动产生
的规律和参数，因此分析汽车振动信息对分析汽车整车的振动特性、提高汽车的
平顺性具有重要的意义。
科学技术是第一生产力。随着科学技术的飞速发展，对测试用的设备和方法
的要求也越来越高，否则就跟不上技术发展的节奏。虚拟仪器的出现，大大提高
了测试的效率以及测试的精度。虚拟仪器改变了传统的测试形式和方法，测试系
统不再是互相之间不兼容的，松散复杂的单独仪器，而是紧密结合的全新的测试
系统，把仪器技术和计算机术完美地融合在一起。
振动是自然界最为普遍的现象。这种现象可能是由它自身固有的原因引起，
也可能是外部因素引起的。在设备运行的时候，振动信号是最主要的信息来源之
一。本振动测试分析系统则是对 Autoliv 公司生产出来的新型产品进行振动测试
分析的，振动会使运行中的产品的电压发生变化，而这个变化是有一定限度的。
电压的最大值和最小值，应该在一个规定的界限内，否则，则会对系统的稳定性
产生不好的影响。
信息技术和各种基础学科紧密的集合在一起，才有了现代的仪器仪表技术。
伴随着网络技术、软件技术、计算机技术、微电子技术的快速发展，新的测试原
理、测试方法、测试范畴以及新的仪器架构不断涌现，在许多的方面已然突破了
传统仪器仪表的观念，电子测试仪器仪表的功用和功能产生了质的变化。在这种
情况下，美国国家仪器（National Instrument，NI）公司于 1986 年提出了虚拟仪
器（Virtual Instrument，VI）的概念。虽然到现在为止虚拟仪器并没有形成一个
统一的规范，但是人们一般认为：虚拟仪器是在计算机的基础上通过增加相关的
硬件和软件结合组成的、拥有可视化界面的可重复使用的测试仪器分析系统。
作为一个以计算机软件为核心的新型集成系统，虚拟仪器具备功能强大、测
试精度高、测试速率快、自动化水平高、人机界面和谐优越、灵活性高等长处，
通常被人们认为是第三代自动测试分析系统。运用虚拟仪器可以省略在编程的时
候大量的重复性编程，从而大大节约了复杂程序的编写时间，而且客户还可以使
用不同的模块来制造他的虚拟仪器分析系统，选择一个统一的测试规范。
因为虚拟仪器的性能和功用已经被不断的提高，当前在很多应用中它已经取
代了传统仪器。虚拟仪器拥有传统仪器无可企及的优越性，使得人们可以放心的
使用虚拟仪器。虚拟仪器的价格取决于计算机等硬件的性价比，用户可以不再受
限于传统测试仪器的昂贵价格和繁琐的操作，用户能够在节省生产资金的情况下
能有得到更精确的测试结果。
除此之外，虚拟仪器的强大功能和便携性被个人笔记本的普及推向了一个新
的高度。所有的这些因素必将加快虚拟仪器的发展进程，使它的性能、功能以及
应用领域不断提高和扩大。已经在测量、检测、电信、监控、教育等方面得到广
泛应用。
1.3 关于 PSI5
PSI5 技术规范由大陆集团(Continental)协同协会两大成员飞思卡尔和 TRW
以及 Autoliv 和博世(Bosch)共同制订。该项目就客户是 Autoliv 公司。PSI5 通信
协议是一种开放标准，它用于外设气囊传感器接口，已经得到了广泛的应用、得
到了实践的检验。传感器的数据可通过双线接口同时进行同步和异步的数据传
输。PSI5 通信协议的技术特性和低实施成本，使它同样适合许多其他汽车传感
器应用。
PSI5 协议的通信方式一共有五种，他们分别是：A（异步方式）、P(同步并
行总线模式）、U(同步普通的运行模式）、D(同步链总线模式）、V（变量的时间
触发同步操作模式）。PSI5 的操作模式如图 1.1 所示：
图 1.1 PSI5 操作模式
dd：N°数据位；
P/CRC：错误检测，其中 P 为一个校验位，CRC 为三位循环冗余校验；
tttt：周期μS（例如 500）； n：N°的每周期时段；
L/H:为速率或比特率(L-125kbps,H-189kbps)。
每个 PSI5 数据帧的 P 位包含：1、两个起始位（S1、S2）；2、奇偶校验位
（P）或者 CRC 位（C0、C1、C2）；3、数据区域（D0······D【K-1】，K=10······28）。
PSI5 构架总长度 P=K+3（帧的校验位）或 P=K+5（CRC），K=10······28。
PSI5 数据消息分为三个独立的范围：
1、传感器输出信号的数据范围；
2、一系列的状态和错误信息；
3、一系列的初始化数据。
1.4 课题任务
本文所设计的系统由工控机、多功能数据采集卡、气动夹具、扫码枪、打印
机等硬件，再使用 LabVIEW 对其进行编程控制，实现控制与产品在一定振动下
的电压上下限的检测，从而判断产品是否合格。
本文将分为七章逐一阐述以上各部分的内容：
第一章 绪论 本章结合文献综述，简单介绍了振动测试的背景以及课题来
源，虚拟仪器技术的发展，相较于传统仪器的优势，PSI5 协议的简介，阐述了
基于虚拟仪器应用于振动测试分析系统设计的优势。
第二章 振动测试分析系统的设计概述 本章介绍了所设计的振动测试分
析系统的实现要求以及测试系统结构，提出总体设计方案。
第三章 测试系统硬件介绍 本章介绍了振动测试分析系统的硬件组成，以
及各组成部分的作用
第四章 测试系统的接线设计 本章介绍了硬件接线的设计以及主要电路
图。
第五章 基于虚拟仪器技术的检测系统软件实现 本章主要介绍了虚拟仪
器技术的特点，以及运用 LabVIEW 编程软件实现的手动测试软件的实现步骤。
第六章 调试 本章主要介绍了振动测试分析系统的调试过程。
第七章 结论 本章总结了本文所做的工作
摘要 :虚拟仪器是由计算机技术、仪器技术、信息技术、软件技术和总线技术紧密结合的产
物。它运用计算机强大的数字处理功能来实成仪器仪表的大多数功能，打破了传统意义上
的仪器构架，形成的一种新的仪器行式。本设计使用了两种数据采集卡，它们分别是 NI PCI-6514 数字采集卡和 NI PCI-6221
模拟量采集卡。该系统具有控制简单机械运动、采集连续信号以及打印不合格产品的错误
报告等功能。
本文首先对振动测量功能检测系统设计的意义、研究现状进行了介绍；分析了振动测
量分析系统功能需求之后，提出一套基于虚拟仪器技术的振动测试分析系统的设计方案。
测试分析系统由工控机、多功能数据采集卡、气动夹具、显示器、打印机、扫码枪等硬件
组成，然后通过 LabVIEW 编写程序对其进行控制。简要论述了测试分析系统的硬件组成
和选择原理。对测试分析系统软件的设计思想和结构进行详细的介绍。并且，经过实践的
检验，已经投入了正式的使用当中。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键词：虚拟仪器 系统集成 数据采集 振动测试
录
1.绪论 1
1.1 选题的背景与意义 1
1.2 虚拟仪器的发展趋势 2
1.3 关于 PSI5 2
1.4 课题任务 3
2.振动测试分析系统的设计概述 5
2.1 测试系统功能需求. 5
2.2 振动测试检测方法. 5
2.3 测试系统的构成. 6
2.4 本章小结. 6
3.测试系统硬件介绍. 7
3.1 工控机的选择. 7
3.2 高精度数据采集卡的选择. 8
3.2.1 NI PCI-6514 数据采集卡简介 8
3.2.2 NI PCI-6221 数据采集卡简介 8
3.3 压电传感器以及调理电路. 9
3.3.1 压电传感器简介 9
3.4 气动夹具系统. 10
3.5 通信电路. 10
3.6 本章小结. 10
4.测试系统的接线设计 11
4.1 主电路图. 11
4.2NI PCI-6514 板卡的引脚接线 12
4.3 NI PCI-6221 板卡的引脚接线. 13
4.4 连接电路. 13
4.5 本章小结. 14
5.基于虚拟仪器技术的检测系统软件实现. 15
5.1 测试系统流程图设计. 15
5.2 测试程序. 16
5.3 本章小结. 21
6.调试. 22
6.1 上电检查. 22
6.2 上电测试. 22
6.3 气动测试. 23
6.4 手动调试. 23
6.5 自动测试. 28
6.6 本章小结. 30
总结 31
参考文献 32
附录：主要电路电气图纸 33
致谢 37
1.1 选题的背景与意义
随着汽车工业的迅速发展，汽车已经进入得到普及，大部分也已经拥有私家
车，汽车也已经成为我们每个人都不可或缺的交通工具，人们对其性能的要求也
越来越高，在获得良好的动力性能、操作性能以及性价比的同时，人们还要求汽
车具有良好的平顺性。汽车的平顺性主要是表示乘车的人们对于行驶中的汽车所
带来的振动与冲击带而影响到的乘车舒适性的感受。因此乘车人员对汽车行驶时
的舒适性来评价汽车的平顺性，对于载货汽车而言还要评价货物在汽车行驶过程
中的稳定性，它是现代汽车的主要参数之一。
然而，振动是汽车在行驶时影响汽车平顺性的最主要因素，因此能否提高汽
车平顺性的重要因素在于能否更好地分析处理汽车振动信号。只有从汽车振动信
息中得到更多实用的信号，对汽车各组成和各组成之间的匹配性能作出更为详细
的分析，从而更高效的阐发和评价汽车整车的振动特性并从其中找到它振动产生
的规律和参数，因此分析汽车振动信息对分析汽车整车的振动特性、提高汽车的
平顺性具有重要的意义。
科学技术是第一生产力。随着科学技术的飞速发展，对测试用的设备和方法
的要求也越来越高，否则就跟不上技术发展的节奏。虚拟仪器的出现，大大提高
了测试的效率以及测试的精度。虚拟仪器改变了传统的测试形式和方法，测试系
统不再是互相之间不兼容的，松散复杂的单独仪器，而是紧密结合的全新的测试
系统，把仪器技术和计算机术完美地融合在一起。
振动是自然界最为普遍的现象。这种现象可能是由它自身固有的原因引起，
也可能是外部因素引起的。在设备运行的时候，振动信号是最主要的信息来源之
一。本振动测试分析系统则是对 Autoliv 公司生产出来的新型产品进行振动测试
分析的，振动会使运行中的产品的电压发生变化，而这个变化是有一定限度的。
电压的最大值和最小值，应该在一个规定的界限内，否则，则会对系统的稳定性
产生不好的影响。
信息技术和各种基础学科紧密的集合在一起，才有了现代的仪器仪表技术。
伴随着网络技术、软件技术、计算机技术、微电子技术的快速发展，新的测试原
理、测试方法、测试范畴以及新的仪器架构不断涌现，在许多的方面已然突破了
传统仪器仪表的观念，电子测试仪器仪表的功用和功能产生了质的变化。在这种
情况下，美国国家仪器（National Instrument，NI）公司于 1986 年提出了虚拟仪
器（Virtual Instrument，VI）的概念。虽然到现在为止虚拟仪器并没有形成一个
统一的规范，但是人们一般认为：虚拟仪器是在计算机的基础上通过增加相关的
硬件和软件结合组成的、拥有可视化界面的可重复使用的测试仪器分析系统。
作为一个以计算机软件为核心的新型集成系统，虚拟仪器具备功能强大、测
试精度高、测试速率快、自动化水平高、人机界面和谐优越、灵活性高等长处，
通常被人们认为是第三代自动测试分析系统。运用虚拟仪器可以省略在编程的时
候大量的重复性编程，从而大大节约了复杂程序的编写时间，而且客户还可以使
用不同的模块来制造他的虚拟仪器分析系统，选择一个统一的测试规范。
因为虚拟仪器的性能和功用已经被不断的提高，当前在很多应用中它已经取
代了传统仪器。虚拟仪器拥有传统仪器无可企及的优越性，使得人们可以放心的
使用虚拟仪器。虚拟仪器的价格取决于计算机等硬件的性价比，用户可以不再受
限于传统测试仪器的昂贵价格和繁琐的操作，用户能够在节省生产资金的情况下
能有得到更精确的测试结果。
除此之外，虚拟仪器的强大功能和便携性被个人笔记本的普及推向了一个新
的高度。所有的这些因素必将加快虚拟仪器的发展进程，使它的性能、功能以及
应用领域不断提高和扩大。已经在测量、检测、电信、监控、教育等方面得到广
泛应用。
1.3 关于 PSI5
PSI5 技术规范由大陆集团(Continental)协同协会两大成员飞思卡尔和 TRW
以及 Autoliv 和博世(Bosch)共同制订。该项目就客户是 Autoliv 公司。PSI5 通信
协议是一种开放标准，它用于外设气囊传感器接口，已经得到了广泛的应用、得
到了实践的检验。传感器的数据可通过双线接口同时进行同步和异步的数据传
输。PSI5 通信协议的技术特性和低实施成本，使它同样适合许多其他汽车传感
器应用。
PSI5 协议的通信方式一共有五种，他们分别是：A（异步方式）、P(同步并
行总线模式）、U(同步普通的运行模式）、D(同步链总线模式）、V（变量的时间
触发同步操作模式）。PSI5 的操作模式如图 1.1 所示：
图 1.1 PSI5 操作模式
dd：N°数据位；
P/CRC：错误检测，其中 P 为一个校验位，CRC 为三位循环冗余校验；
tttt：周期μS（例如 500）； n：N°的每周期时段；
L/H:为速率或比特率(L-125kbps,H-189kbps)。
每个 PSI5 数据帧的 P 位包含：1、两个起始位（S1、S2）；2、奇偶校验位
（P）或者 CRC 位（C0、C1、C2）；3、数据区域（D0······D【K-1】，K=10······28）。
PSI5 构架总长度 P=K+3（帧的校验位）或 P=K+5（CRC），K=10······28。
PSI5 数据消息分为三个独立的范围：
1、传感器输出信号的数据范围；
2、一系列的状态和错误信息；
3、一系列的初始化数据。
1.4 课题任务
本文所设计的系统由工控机、多功能数据采集卡、气动夹具、扫码枪、打印
机等硬件，再使用 LabVIEW 对其进行编程控制，实现控制与产品在一定振动下
的电压上下限的检测，从而判断产品是否合格。
本文将分为七章逐一阐述以上各部分的内容：
第一章 绪论 本章结合文献综述，简单介绍了振动测试的背景以及课题来
源，虚拟仪器技术的发展，相较于传统仪器的优势，PSI5 协议的简介，阐述了
基于虚拟仪器应用于振动测试分析系统设计的优势。
第二章 振动测试分析系统的设计概述 本章介绍了所设计的振动测试分
析系统的实现要求以及测试系统结构，提出总体设计方案。
第三章 测试系统硬件介绍 本章介绍了振动测试分析系统的硬件组成，以
及各组成部分的作用
第四章 测试系统的接线设计 本章介绍了硬件接线的设计以及主要电路
图。
第五章 基于虚拟仪器技术的检测系统软件实现 本章主要介绍了虚拟仪
器技术的特点，以及运用 LabVIEW 编程软件实现的手动测试软件的实现步骤。
第六章 调试 本章主要介绍了振动测试分析系统的调试过程。
第七章 结论 本章总结了本文所做的工作
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