汽车智能一键启动按钮性能测试系统设计
汽车智能一键启动按钮性能测试系统设计电气与自动化工程[20200121193902]
摘要
随着汽车工业的发展，汽车智能一键启动装置已成为汽车的基本配置。在工业自动化生产逐渐代替人工生产的情况下，单纯的手工检测已经不能满足产品合格检测的要求，如何在保证产量的情况下确保汽车智能一键启动按钮性能的合格成为了许多测试厂商思考的问题。
首先，本文介绍了汽车智能一键启动按钮性能测试系统设计的背景与意义、以及国内外的研究现状；然后根据生产商产品性能测试的要求，设计了一套基于LabVIEW的汽车智能一键启动按钮性能测试系统的完整方案。该测试系统由工业控制计算机，气动夹具，动力输出模块，多功能数据采集卡等硬件组成，基于LabVIEW虚拟仪器开发平台设计。文章对测试系统的硬件选型和系统搭建进行了简要概述，也详细的介绍测试系统软件的设计思想和编程方法。最后，通过实际应用以及成功调试表明：本文设计的基于LabVIEW测试系统不仅能够很好实现汽车智能一键启动按钮性能测试要求，而且具备操作方便、测试精度高、检测效率高、抗干扰能力强等诸多优点。
关 键 词：虚拟仪器 一键启动按钮 LabVIEW 自动化测试系统
The Test System design of Automobile Intelligent One Key Start Button Performance
Abstract
With the development of auto industry, the automobile intelligent one key start device has become the basic configuration of cars. In the industrial automation production gradually replacing manual production situation, manual detection alone can not meet the requirements of product testing. it is a hard question for many testing manufacturers that how to make sure the performance of automobile intelligence one key starting button on the premise of ensuring quality.
First of all, this paper introduces the background, significance and research status home and abroad of automobile intelligent one key start button; then according to the product performance test requirements, the writer designs a set of car based on intelligent one key start LabVIEW complete program button performance test system. The test system is composed of industrial control computer, pneumatic fixture, a power output module, multi-function data acquisition card and other hardware components, with the development of virtual instrument platform based on software LabVIEW. The hardware selection,system based on the structure of the test system, the test system software detailed design and programming method are briefly described. Finally, through the practical application and the success of debugging indicates that: the designed test system based on the LabVIEW not only can meet the auto intelligent one key start button performance test requirements, but also has the advantages of convenient operation, high measuring accuracy, high efficiency, strong ability of anti interfere.
Key words：Virtual instrument; One key start button; LabVIEW; The automated test system
第一章 绪论 1
1.1 课题研究意义与背景 1
1.2 国内外相关研究现状 2
1.3本文主要工作及任务 3
第二章 汽车智能一键启动按钮性能测试系统总体方案 4
2.1 测试系统设计需求 4
2.2 测量功能设计方案 4
2.3 测试系统主要结构 5
2.4本章小结 5
第三章 测试系统硬件选型 6
3.1检测系统工控机的选择 6
3.2数据采集板卡的选择 6
3.2.1 ART PCI-2312输入/输出板卡介绍 6
3.3可编程电源选择 7
3.3.1 Agilent E3642A可编程电源介绍 7
3.4数字万用表选择 8
3.4.1 Fluke 8808A数字万用表介绍 8
3.5 LED测试仪选择 9
3.5.1 Feasa LED测试仪介绍 9
3.6控制切换电路简介 10
3.7通信电路简介 10
3.8本章小结 10
第四章 基于LabVIEW的测试系统软件实现 11
4.1虚拟仪器技术介绍 11
4.1.1虚拟仪器概述 11
4.1.2虚拟仪器特点 11
4.2虚拟仪器软件LabVIEW介绍 12
4.2.1 LabVIEW概述 12
4.2.2 LabVIEW组成 12
4.3测试系统软件设计 14
4.3.1软件设计思路 14
4.3.2软件设计结构 15
4.3.3软件设计流程 15
4.3.4软件设计方法 16
4.4基于Modbus RUT通信协议的软件编程 18
4.4.1 通信协议的软件编程 18
4.4.2 数据读取程序的编写 19
4.4.3 CRC校验程序的编写 21
4.5本章小结 22
第五章 测试系统的实际应用 23
5.1 汽车智能一键启动按钮性能测试要求 23
5.2 汽车智能一键启动按钮性能测试程序 24
5.2.1 检测产品放置程序设计 26
5.2.2 产品手动测试 28
5.2.3 产品合格测试 28
5.2.4 产品数据存储 29
5.2.5 产品测试数据 29
5.3本章小结 30
第六章 总结与展望 31
6.1总结 31
6.2展望 31
参考文献 33
致谢 34
第一章 绪论
1.1 课题研究意义与背景
随着中国经济的高速发展，在社会生活里汽车已经越来越普遍，汽车消费也已经迅速渗透到了普通居民的生活之中。根据中国汽车工业协会发布的相关数据显示，截止到2013年12月，汽车产销都已达到2200多万辆，同比增长了13.5%以上。如此庞大的汽车需求带来的是汽车销售行业的激烈竞争和汽车生产厂商检测技术的全面革新。对于消费者来说，激烈的竞争带来的不仅仅是汽车价格方面的优惠更多的是汽车配置方面变得更加丰富多样，而汽车智能一键启动装置正是在这样的环境下由原来的高端车型逐渐向中低端车型推广。随着消费需求的上升，一键启动装置已经成为汽车的基本配置，基于此种情况，如何在保证产量的情况下确保汽车智能一键启动按钮性能的合格成为了许多测试厂商思考的问题。
汽车智能一键启动装置是智能汽车的组成部分，而汽车一键启动按钮是实现汽车简约打火启动过程的一个按钮装置，同时也可以熄火。通常来说，单独的汽车启动按钮对于汽车来说并没有任何意义，所以汽车智能一键启动按钮通常与汽车防盗等其他功能绑定在一起，实现汽车的智能启动，智能防盗等一系列功能。通过一键启动这个按钮，车主只需要轻轻按一下按钮就可以将爱车发动或者熄火，避免了丢钥匙、找钥匙的烦恼，而与PKE（“公开秘钥加密”，Public-Keyencryption）智能系统配合使用更增加了汽车的安全性。随着人们生活水平和档次的提高，安装汽车智能一键启动装置的车型，无疑在汽车销售行业里具有更加明显的优势。
汽车智能一键启动按钮涉及到汽车最基本的点火操作等，因此要按照产品检验标准中规定的合格标准来设计系统，对启动按钮的各项指标进行出厂测试并判断是否格。安全可靠的一键启动按钮在出厂时需要经过严格的性能和技术检测，主要包括LED相对亮度的测试、开关的连续性测试、静态电流测试、引脚电压电阻测试等，在设计产品检测系统时更多的需要考虑启动按钮的引脚在开和关状态下的电流。
在现代的汽车电子生产测试中，自动化程度的提高使得人工直接参与的情况越来越少，但是产品的测试和性能评估却越来越重要。高效、准确的性能测试与分析成为了产品检测快速实现的前提条件，而虚拟仪器正是借助其直观的图形化编程语言和颠覆了传统的以硬件为基础的测试方式，在汽车电子测试领域中广受欢迎。虚拟仪器利用计算机强大的数据分析和运算能力，在硬件系统的辅助下，通过软件采集、传送、分析和处理数据，通过软、硬件的结合的方式来取代传统仪器实现相应功能，使用户对仪器进行的维护和升级变得更加方便。
汽车智能一键启动按钮性能测试系统合理地应用虚拟仪器技术和自动化测试技术，使得设备的自动化程度、可靠性和反应速度大大提高。使用LabVIEW软件设计测试系统，节省了更多的硬件，便于系统维护，降低了仪器升级的负担。使用虚拟仪器逐步取代传统测试仪器是测试领域发展的趋势，但在实际的应用中，仍需要根据实际情况进行软硬件的结合，使虚拟仪器技术发挥更加强大的作用。
1.2国内外相关研究现状
目前我国正处在生产活动的变革时期，传统的人工生产检测的方式将逐渐淘汰，自动化的测试系统将成为更加方便、快速的测试手段。国内外的工程师以及研究人员对汽车电子产品测试系统的设计方面进行了比较丰富的研究，这些研究对于本课题都具有现实的参考意义，其中部分研究结果如下：
刘关等在《基于虚拟技术的汽车组合仪表测试系统设计》一文中研究汽车组合仪表的测试问题时，选用NI公司的LabVIEW软件和USB-6008数据采集卡硬件，进行了基于LabVIEW的汽车组合仪表测试系统的设计研发；这说明基于LabVIEW的汽车组合仪表测试系统可以减少汽车组合仪表功能测试系统的成本，同时拥有高度的可扩展性和灵活性，使得测试效率大大提高；这种基于虚拟测试技术将改变传统的汽车测试手段，拥有巨大的技术潜力，应用前景十分广阔[1]。
陈福彬等在《基于LabVIEW的自动化测试平台的设计》一文中设计了一整套基于LabVIEW的自动化测试平台；该文介绍了由LabVIEW软件和程序控制仪器结合而成的自动化测试平台技术，通过PC机与程控仪器串行通信，实现信号的自动化测试以及实时数据分析和图形显示；文章同时介绍了测试平台的设计开发和使用方法，实现了测试的自动化和数据显示的实时化，后续数据的处理也更加方便；该自动化测试平台改进了以往较为烦琐的手动测试过程，节省了测试测量时间，提高了测试测量的精度，使得整个测试过程变得非常快捷[2]。
顾启民等在《基于LabVIEW的智能控制器自动测试系统的研制》中介绍了智能控制自动测试系统，该系统是采用LabVIEW虚拟仪器平台技术解决实际问题的一种尝试；测试系统具有操作方便、人机见面友好的优点；有效克服了传统测试成本高、周期长、浪费资源、维护和操作麻烦等缺点；在汽车电子生产的实际运用表明，系统的测试时间也大大缩短、抗干扰能力和稳定性大大增强，测量精度大大提高[3]。
前文已经概述了汽车智能一键启动按钮的功能及行业发展前景，而以工业控制计算机为基础，辅之以高精度的数据采集卡等硬件设备，采用虚拟仪器技术——LabVIEW软件开发平台编写具有数据的采集、分析和调理程序的汽车智能一键启动按钮性能测试系统，可很好满足汽车一键启动按钮出厂检验要求。在实际生产应用中证明，该测试系统具有测量精度高、操作方便、检测效率高、抗干扰能力强等很多优点。
1.3本文主要工作及任务
本文所设计的测试系统由工控机、数据采集板卡、数字万用表、LED测试仪等硬件，与虚拟仪器平台上的开发软件LabVIEW结合而成，实现汽车智能一键启动按钮性能测试系统的设计。本文分为了六章逐一介绍上述内容：
第一章全面介绍了汽车智能一键启动按钮的功能和发展现状，介绍了虚拟仪器技术在相关行业中的应用和发展，并阐释了利用虚拟仪器技术开发设计汽车智能一键启动按钮性能测试系统的优势。
第二章介绍了测试系统的总体结构功能及其设计要求，提出了系统的总体设计方案。
第三章介绍了汽车智能一键启动按钮性能测试系统的硬件的选型，以及各个模块所负责的具体功能。
第四章简要介绍了虚拟仪器技术和图形化的编程软件LabVIEW，使我们对其有了基本了解，然后对基于LabVIEW的汽车智能一键启动按钮性能测试系统软件设计进行简要说明，同时介绍了Modbus RTU通信协议。
第五章对汽车智能一键启动按钮性能测试系统进行实际调试运行来说明测试功能。
第六章总结了本次设计所完成的工作以及任务，取得的设计成果，以及对测试系统未来发展的展望。
第二章 汽车智能一键启动按钮性能测试系统总体方案
2.1测试系统设计需求
汽车智能一键启动按钮涉及到汽车最基本、最主要的的点火操作等，为了保证其性能合格，在一键启动按钮产品出厂前必须对其性能进行精确测试，使其主要参数维持在允许误差范围内。因此汽车智能一键启动按钮性能测试系统应该满足如下需求：
(1)测试设备应能提供产品测试所需的标准电压，使数字万用表、LED测试仪的测试设备能够进行正常工作并读取产品引脚之间的各项参数，以便进行测量。
(2)测试设备应能根据标准的Modbus RTU通信协议模式，读取被测按钮的各项参数，并使用RS485/232串行接口实现测试装置与被测产品间的数据传输。
(3)测试设备能对被测按钮引脚间实际测量值与规定值进行对比分析，并能根据分析结果自动判断是否在误差允许范围之内，以此来确定被测启动按钮性能是否合格。
(4)为了方便用户操作，应使测试装置具有良好的人机交互界面，使用户方便设定或修改相关测试参数，并能实时监控整个测试过程的进行。测试系统还可以完成自动测试与手动单一环节的测试，并在测试后自动生成报表。
图2.1 检测系统结构框图
2.2测量功能设计方案
现在普遍采用的生产测试方法为：由测试设备将测试信号（电压或电流）传送至被测产品，代替其实际工作环境来验证其能否实现测试功能。因此，本汽车智能一键启动按钮性能测试系统也利用上述方法来实现测试，测试方法如下：通过直流电源供应模块提供测试装置测试所需的测试电流与电压，然后通过控制板卡控制相应电磁阀的通断以实现不同测试环节的切换，从而对开关连续性、静态电流、引脚电压电阻等测试项目进行测试；测试设备根据标准的Modbus RTU通信协议，读取被测按钮的各项数据，与参考值进行比较，并自动判断各项数据的误差是否在合理范围内，最后将结果反馈给计算机并显示在人机交互界面上，实现汽车一键启动按钮的性能测试。
2.3 测试系统主要结构
汽车智能一键启动按钮性能测试系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要包括工控机、高精度数据采集卡、可编程电源、控制切换电路、数字万用表、LED测试仪等。软件系统是安装在工控机上的虚拟仪器软件开发平台——图形化编程语言LabVIEW。汽车智能一键启动按钮性能测试系统总体结构如图2.2所示。
图2.2 检测系统总体结构图
该测试系统以工控机为上位机和LabVIEW虚拟仪器软件平台为控制核心，主要用于实现人机交互、测量参数的设置、现场的自动控制，数据实时的显示、测量结果的存盘以及报表生成等工作。通过LabVIEW虚拟仪器软件平台编制相关程序收发工控机的控制参数和控制命令，对测试过程进行自动控制和实时监控。采用RS232/485转换接口对接被测产品与测试系统，在Modbus RTU通信协议下实现被测产品与测试系统的实时通信。可编程电源提供产品测试所需电压，为被测的启动按钮主回路提供测试电流。
2.4本章小结
本章对汽车智能一键启动按钮性能测试系统的功能需求进行了简介，根据测试系统的功能实现要求确立了测量功能测试方法以及测试系统构成，设计出了一套完整的一键启动按钮性能测试系统的总体方案，并明确了测试系统的结构组成，列出了系统总体结构框图。
第三章 测试系统硬件选型
由系统总体结构知道，硬件系统主要由工控机以及内置的高精度数据采集卡、数字万用表、可编程电源、LED测试仪、气动夹具等部分组成。以下对检测系统硬件的选型进行详细的说明。
3.1检测系统工控机的选择
工控机（Industrial Personal Computer,IPC）即工业控制计算机，是专门用于工业控制的计算机，用来监测和控制生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等；它具有实时性好，可靠性高，系统通信功能强，输入输出模板多，系统开放性和扩充性好，环境适应性强等特点[4]。
由于对整个汽车智能一键启动按钮性能测试系统来说，工控机是的核心部件，测试过程都是在工控机的控制下进行的，所以工控机性能的优劣直接决定整个测试系统性能的优劣。为了使整个测试系统能适应工业现场的恶劣环境，应该选择稳定性高、抗干扰能力强的工控机，在本系统中我选择了研华公司生产的IPC-610H型工控机。
3.2数据采集板卡的选择
数据采集(DAQ)，是指自动从待测设备的模拟和数字待测单元中采集电量或者非电量信号，然后送到上位机中进行分析，运算。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、RS232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中使用了阿尔泰公司生产的PCI-2312光电隔离16路DI/DO板卡。
3.2.1 ART PCI-2312输入/输出板卡介绍
PCI-2312是基于PCI总线的光电隔离输入输出板卡，支持多种语言平台，可与LabVIEW实现无缝连接；该板卡具有16路光电隔离输入和16路光电隔离输出，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统[5]。其光电隔离可以隔离电压2500Vrms（min）；输入输出电压为5V~24V；工作温度范围为0~+50℃；存储温度范围为-20~+70℃。该板卡使用DAM中断内存映射方式，实现实时高速不间断采集。PCI-2312板卡实物图如图3.1所示。
图3.1 PCI-2312实物图
3.3可编程电源选择
所谓的可编程电源是指电源可以通过计算机软件进行编程控制，比如设置输出电压是多少，最大输出电流是多少，超过这个值则不能正常供电等等，通过上位机设定状态字的方式控制器内部功能。
3.3.1 Agilent E3642A可编程电源介绍
Agilent E3642A 50W单路输出电源是安捷伦公司生产的基于GPIB及RS232标准的可编程电源；它可以为工作台测试和基本自动测试应用提供稳定可靠的电源支持，并内置测量和基本编程功能；电源具有0.01%的负载和电源调整率，即使在电源和负载变动时也能保持稳定的输出；电源在任何输出负载条件下的电压稳定时间小于90ms[6]。
其主要特性与技术指标如下：
（1）额定输出（0°C 至 40°C)
?量程1：0 至 8 V / 5 A
?量程2：0 至 20 V / 2.5 A
（2）编程精度（25°C ±5°C），±（% 输出 + 偏置）
?电压：<0.05% + 10 mV
?电流：<0.2% + 10 mA
（3）纹波和噪声（20 Hz 至 20 MHz）
?正常模式电压：<5 mVpp / 0.5 mVrms
?正常模式电流：<4 mArms
?共模电流：<1.5 uArms
（4）读回精度（25°C ±5°C），±（% 输出 + 偏置）
?电压：<0.05% + 5 mV
?电流：<0.15% + 5 mA
安捷伦E3642A可编程电源实物图如图3.3所示。
图3.3 Agilent E3642A可编程电源实物图
3.4数字万用表选择
数字万用表就是一种包含安培计、电压表、欧姆计等多种功能于一体的多用途电子测量仪器；万用表测量电压、电流和电阻功能是通过转换电路部分实现的，数字万用表就是在数字直流电压表的基础上扩展而成的；转换器将随时间连续变化的模拟电压量变换成数字量，再由电子计数器对数字量进行计数得到测量结果，再由译码显示电路将测量结果显示出来；逻辑控制电路控制电路的协调工作，在时钟的作用下按顺序完成整个测量过程[7]。在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中，我选用的是福禄克公司生产的8808A型号的数字万用表。
3.4.1 Fluke 8808A数字万用表介绍
Fluke 8808A数字万用表是一款5-1/2位数字双显万用表，可以测量电压、电阻和电流等，而且直流电压基本准确度高达0.015 %；其主要特性如下：
（1）200 mV～1000 V直流量程，灵敏度为1 μV
（2）200 Ω～100 MΩ量程，灵敏度为1 mΩ
（3）200 μA～10 A直流量程，灵敏度为1 nA
（4）频率测量范围为20 Hz～1 MHz
（5）测量速率为2.5、20 和100 次/秒（分别为慢、中和快）
（6）具有比对模式，可确定测量结果是否在预设的限值范围之内
福禄克8808A数字万用实物图如图3.4所示。
图3.4 Fluke 8808A数字万用表实物图
3.5 LED测试仪选择
目前LED测试的方法主要有两种，专用分析仪和人工测试。专用仪器价格昂贵，配置丰富主要面对大型企业及其研发部门；而人工测试成本低，专业性不强，普遍被一些小型企业所采用，其缺点也显而易见。人工测试要求检测人员具有丰富的检测经验，但是庞大的工作量容易造成视觉疲劳导致漏检和误判，最终导致效率低下。在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中，我选用的是Feasa LED测试仪。
3.5.1 Feasa LED测试仪介绍
Feasa LED测试仪是一个测试系统，对于LED的颜色和亮度可以实现快速和自动测试，该测试系统通过光纤处收集信号对LED的颜色和亮度进行一次学习，读取一个相对值作为标准值，并设置标准值的上下限，然后将待测的LED相对值与标准值进行比对，从而判断良品和不良品，有效地保证测试测精度。Feasa LED测试仪实物图如图3.5所示。
图3.5 Feasa LED测试仪实物图
3.6控制切换电路简介
在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中控制切换电路主要用于接收和发送工控机发出的测试控制信号。控制切换电路就是通过不同档位的开关的通断来选择测试的项目。安捷伦E3642A电源负责为测试系统提供准确稳定的测试电流，以完成接下来的测量功能；气动夹具的控制切换电路为夹具装置提供相应的控制信号，以控制夹具松开与夹紧等动作。
3.7通信电路简介
通信电路由RS232/485转换接口和通信总线组成，通信电路用于实现测试系统与被测产品的连接，从而实现测试系统与被测产品的实时数据传输、实时通讯，此通信遵循Modbus RTU协议。
3.8本章小结
本章根据汽车智能一键启动按钮性能测试系统的测试要求，对测试系统的硬件组成以及选型原则进行了介绍，简单介绍了每部分硬件在系统中的功能和用途。
第四章 基于LabVIEW的测试系统软件实现
4.1虚拟仪器技术介绍
虚拟仪器是计算机技术与仪器技术完美集合的产物，代表了未来仪器发展的方向，它实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。
4.1.1虚拟仪器概述
虚拟仪器（Virtual Insturment，简称VI)，即是在以通用计算机（PC）为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器技术就是利用性能高的模块化硬件，结合灵活高效的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能够开发出完全符合用户的自定义界面，模块化的硬件能方便灵活地提供全面的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。因为同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势就能充分发挥出来。虚拟仪器组成图如图4.1所示。
图4.1 虚拟仪器组成图
4.1.2虚拟仪器特点
虚拟仪器技术与传统仪器不同，虚拟仪器在通用计算机平台上通过数据采集设备，然后根据用户的实际需求就可以构建起不同的系统。所以虚拟仪器实际上是一个按照用户的实际需求组成的数据采集系统。虚拟仪器采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，它主要使用计算机显示器的显示功能来显示模拟传统仪器的控制面板，这就可以用多种形式输出检测结果，即实用又美观。目前，计算机和仪器的密切结合并且结合的越来越紧密是仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器技术主要有以下几个方面的特点：
(1) 改善和丰富了传统仪器的功能：虚拟仪器充分利用计算机强大的数据分析运算能力，完成信号分析、显示、存档、打印、管理等，使得测试系统更加灵活多变。
(2) 强调“软件就是仪器”的概念：虚拟仪器用软件代替了传统仪器的部分硬件，减少了许多硬件带来的问题，加上使用标准化的总线，大幅度提高了测量速度、精度。
(3) 虚拟仪器由用户自定义：用户可以灵活地修改虚拟仪器的面板和功能，给了用户很大的空间去自定义仪器的功能和特色。
(4) 开放的工业标准：虚拟仪器的软硬件都制定了统一的工业标准，用户可以用虚拟仪器的统一标准将其设计、使用和管理规范化，使资源的使用易于扩展，升级和维护费用降低。
(5) 经济性好，易于构建复杂的系统：虚拟仪器可以通过计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控、测试与故障诊断，使复杂的测试系统便于集中控制和管理。
4.2虚拟仪器软件LabVIEW介绍
LabVIEW已经被虚拟仪器设计工程师们公认为是最简单便捷、功能强大的设计平台，而且它能够与其他专业软件兼容，可以发挥每个软件独特的优势，设计出功能强大的虚拟仪器系统。
4.2.1 LabVIEW概述
LabVIEW在国内流行的时间并不长，在国外被广泛用于科研、教学、测试和工业自动化领域；LabVIEW是美国NI公司推出的一种通用虚拟仪器开发软件，它包含了丰富的功能函数库和完备的总线设备驱动程序。LabVIEW的最大特点是其基于图形(Graphics)的编程方式：采用了框图而非传统的文本方式的编程方法；利用LabVIEW组建仪器测试系统和数据采集系统可以在很大程度上简化程序的设计[10]。
4.2.2 LabVIEW组成
LabVIEW中的程序称为虚拟仪器(virtual instruments)程序，简称VI。每个VI都有前面板(front panel)、框图程序(diagram program)和图标/连接端口(icon/connector)三部分组成。
每个LabVIEW虚拟仪器(VI)都有一个前面板，用户作为开发者可利用它来显示数据或将输入控件呈现给用户。如果只用适合特定需求的相应输入控件和显示控件来创建VI，用户最终将获得更精确的结果而花更少时间设置测量并解析所测数据。LabVIEW前面板开发窗口如图4.2所示。
图4.2 前面板窗口
框图程序利用端口、节点、图框和连线等部件对定义在前面板的控制量和指示量进行编程。框图程序是程序的图形化源代码，主要由端口、节点以及连线三部分组成。其中端口是程序框图中传递数据的起点和终点，被用来同程序前面板的控制和显示传递数据；节点是程序功能的基本单元，被用来实现函数和功能调用；而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向；控件端口用来将前面板上的对象与程序框图连接。从功能模块上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递。节点是VI程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或者子程序。端口是数据在框图程序部分和前面板之间传输的通道接口，以及数据在框图程序的节点之间传输的接口。端口类似于文本程序中的参数和常数。连线是端口间的数据通道，类似于文本程序中的复制语句。功能模块上的对象包括简单的数学运算、高级数据采集和分析方法、以及网络和文件输入输出等操作。图标/连接器端口则可以把LabVIEW程序定义成一个子程序，以便在其它程序中加以调用，这使LabVIEW得以实现层次化、模块化编程。
框图程序窗口如图4.3所示。
图4.3 程序框图窗口
4.3测试系统软件设计
LabVIEW是美国NI公司的数据采集和仪器控制软件，它为工程师和科学家们提供了最有力的图形化的编程环境。通过这个图形界面，用户可设计出符合自己需求的虚拟仪器，可以将采集到的数据进行分析、结果显示；可以使用开关、转盘、图表等自定义前面板，用来代替传统仪器。由于图形化的程序流程图，它不像传统的文本语言那样抽象难懂，只需将各个VI或图标进行对应的连线，即可完成虚拟仪器程序的开发。在确保系统功能的同时，利用图形化编程方式可以提高系统的开发效率。因此采用面向图形化的LabVIEW编程软件来完成对汽车智能一键启动按钮性能测试系统的软件编写。
4.3.1软件设计思路
测试系统软件采用模块化思想进行设计，以提高测试系统的通用性和可移植性。通过构建和使用子VI能方便的实现LabVIEW的层次化和模块化编程，把复杂的编程问题划分为多个简单的任务，使程序结构变得更加清晰、层次更加分明、程序更加易读、调试更加方便。用户将常用的功能模块创建成子VI，不仅有效提高代码的使用效率，避免进行频繁的重复操作，也大大节省了编程时间。需要说明的是，一个子VI相当于一个子程序，子VI节点相当于子程序的调用语句，而不是子VI本身。子VI的控件和函数从调用该VI的程序框图中接收数据，并将数据返回至该程序框图。汽车智能一键启动按钮性能测试系统的软件部分可以分为若干个模块：
(1) 夹具控制模块：本模块的作用是实现对气动夹具的夹紧和松开动作的控制。
(2) 控制电源模块：本模块程序用于实现对检测系统中安捷伦电源的控制，给测试系统提供所需的工作电源。
(3) Modbus通信模块：本模块的程序功能是通过软件实现检测系统与被测产品之间通信，如此可以对测试系统中产品测试数据进行实时读取。
(4) 测量功能测试整体控制模块：本模块实现对控制电源模块、夹具控制模块和Modbus通信模块的综合控制，从而实现汽车智能一键启动按钮性能的完整测试。
4.3.2软件设计结构
为使软件测试系统易维护和可扩展，需考虑选择合适的软件结构对系统测试软件进行设计，使系统软件能够适应产品测量功能的扩展或升级，因此采用分层框架的处理方法。软件测试框架整体采用分层的构架，分为通用程序层、测试程序层两层。测试程序层以子VI的形式调用公用程序层来完成本身的测试功能，通用程序层为测试程序层提供服务。汽车智能一键启动按钮性能测试系统升级扩展时，由于系统软件采用分层结构，就不需要重新对全部的软件进行重复设计，只需改写某个特定功能层的软件功能即可，可以大大减化工作量，从而也体现出测试软件的易维护和易升级。整个系统软件模块结构如图4.4所示。
图4.4 系统软件结构图
4.3.3软件设计流程
汽车智能一键启动按钮性能测试系统采用虚拟仪器技术来构建，整个测量功能由工控机控制完成，其中人机交互采用图形化的LabVIEW软件界面。工控机发出控制信号给数据采集卡，经电源控制电路，使电流发生器输出相应的电流，提供给被测产品以进行测量，同时将产品各引脚实际值采集回到数据采集卡中，由数据采集卡传递给工控机中。启动按钮产品经RS232/RS485转换接口与上位工控机的串行接口连接，遵循Modbus RTU串行通信协议进行通信，通过软件的串口参数配置读取测试项数据与读取的被测数据作比较，通过程序计算自动判别被测产品的数据是否在合格范围内。其测试系统测试流程图如图4.5所示。
图4.5 检测系统测试流程图
4.3.4软件设计方法
测试系统的软件部分通过LabVIEW进行编写，采用的是以队列为基础的状态机结构。所谓的状态机，简单来说就是上一个状态决定下一个状态，从而实现程序对不同状态的自动选择。汽车智能一键启动按钮性能测试系统选用“生产者/消费者”模式的状态机为框架，在该架构中搭建测试系统的功能部分，使用条件结构来判断测试将要进行的状态，完成当前的测试环节，并在该测试环节中把将要执行的下一个测试环节写入队列，最终实现测试系统自动完成测试内容直至结束。使用以队列为基础的状态机结构如图4.6所示。
图4.6 以队列为基础的状态机结构
其中队列节点的选择和使用，直接决定了测试系统运行的流畅程度及稳定性。队列节点主要有以下几种：
获取队列引用节点：返回队列的引用，在调用其它队列操作函数时使用该引用。在测试系统中，该节点用来创建一个队列，设置队列的长度及元素类型。
元素入队列节点：向队列中端添加元素，是状态机执行跳转的关键部分。在测试系统中，该节点在上一个测试环节中把将要执行的测试步骤写入队列，以便于程序跳转至下一个测试状态。
元素出队列节点：取出队列中的元素，然后将状态送至条件结构，判断执行下一个状态。在测试系统中，该节点负责取出要执行的测试环节。
释放队列引用节点：释放获取队列引用节点创建的队列引用，释放内存空间。
在条件循环结构中，使用以上四种节点搭建了汽车智能一键启动按钮性能测试系统。在测试系统中，首先通过获取队列引用节点创建一个队列，然后在相应的测试环节中将下一个测试环节写入队列。紧接着通过条件结构判断取出来的测试状态，执行相应的测试功能，最终实现测试系统的自动化测试。测试系统测试状态选择框图如图4.7所示，测试状态写入队列如图4.8所示。
图4.7 测试状态选择框图 图4.8 测试状态写入队列框图
4.4基于Modbus RUT通信协议的软件编程
Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全世界第一个现场总线协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。在中国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。据不完全统计：截止到2007年，Modbus的节点安装数量已经超过了1000万个。有了它, 可以将不同厂商生产的控制设备连成工业网络 ，进行统一监控。
4.4.1 通信协议的软件编程
汽车智能一键启动性能测试系统通过串口来接收和发送数据，从而读取汽车智能一键启动性能测试系统实际测量值，然后根据这些数据来判断其测量功能是否合格。
汽车智能一键启动性能测试系统测量功能检测系统过对串口的初始化配置、写入串口数据、读取串口数据、CRC校验和串口关闭等软件程序来读取汽车智能一键启动性能测试系统实际测量值数据。程序中用到了LabVIEW中的以下节点：
(1) VISA配置串口(VISA Configure SerialPort.vi)
该节点使VISA资源名称指定的串口按特定设置初始化。通过连线数据至VISA资源名称输入端可确定要使用的多态实例，也可手动选择实例。包括VISA资源名称、波特率、数据比特、停止位、奇偶位、流控制等端子。
(2) VISA读取(VISA Read.vi)
该节点从VISA资源名称指定的设备或接口中读取指定数量的字节，并使数据返回至读取缓冲区。
(3) VISA写入(VISA Read.vi)
该节点使写入缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口。
(4) VISA关闭(VISA Close.vi)
该节点关闭VISA资源名称指定的设备会话句柄或事件对象。
4.4.2 数据读取程序的编写
是否正确读取产品实时测量值的关键在于读数据的程序编写和CRC校验程序的编写，下面就着重介绍如何运用LabVIEW在Modbus RTU通信协议下实现这些主要程序。
通信读取数据时需先找出通信数据起始地址和明确读取的数据量，同时还要进行CRC校验。通信数据之间是以报文形式传递的。其中主站请求报文格式如下表4-1所示。如果主站请求经校验无误，那么从站会给出应答。从站应答报文格式如表4-2所示。
表4-1 读取数据时主站请求报文格式
主站地址 功能码 数据起始地址 数据量(单位:字) 冗余校验
1字节 按要求设定 MSB LSB MSB LSB LSB MSB
表4-2 读取数据时从站应答报文格式
从站地址 功能码 字节量 数据1 … 数据n 冗余校验
1字节 按要求设定 1字节 MSB LSB … MSB LSB LSB MSB
注：LSB表示双字节的低字节；MSB表示双字节的高字节
汽车智能一键启动按钮性能测试功能测试时通信读取数据的步骤为：
(1) VISA串口初始配置 可利用VISA配置串口节点设置VISA资源名称、波特率、数据比特、停止位、奇偶位、流控制等。
(2) VISA读取操作 利用VISA Read.vi节点根据需求读取产品实际测量值。在LabVIEW平台上进行串口通信时，由于是以字符串的形式发送和接收的数据信息的，字符串中的每个字符对应相关的ASCII 码字符；因此采用Modbus RTU 模式进行通信，这样发送和接收的数据格式直接就是十六进制格式字符。所以在写入数据之前必须把要发送的十六进制字符利用字符转换函数使其转换成对应的ASCII码字符。
(3) 关闭串口 利用VISA Close.vi节点来关闭打开的串口，停止所有读写操作。否则可能导致串口数据溢出。
读取通信数据程序前面板如图4.9所示，相应的程序框图如图4.10所示。
图4.9 读取数据程序前面板
图4.10读取数据程序框图
4.4.3 CRC校验程序的编写
利用Modbus RTU模式通信读写数据时，通信总线上总会存在一些信息干扰，造成信息的丢失或误读，为了降低通信过程信息的错误率，因此使用CRC(循环冗长检测) 校验码检验接收到的信息帧是否正确，CRC校验由于实现简单，检错能力强，被广泛使用在各种数据校验应用中。占用系统资源少，用软硬件均能实现，是进行数据传输差错检测地一种很好的手段，来保证通信的准确、可靠、安全进行。
CRC-16码由两个字节构成，在开始时CRC寄存器的每一位都预置为1，然后把CRC寄存器与8-bit的数据进行异或，之后对CRC寄存器从高到低进行移位，在最高位（MSB）的位置补零，而最低位（LSB，移位后已经被移出CRC寄存器）如果为1，则把寄存器与预定义的多项式码进行异或，否则如果LSB为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，第一个8-bit数据处理完毕，用此时CRC寄存器的值与下一个8-bit数据异或并进行如前一个数据似的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC校验的LabVIEW实现程序框图如图4.11所示。
图4.11 CRC校验实现程序框图
生成CRC-16校验字节的步骤如下：
(1)装入一个16位寄存器，所有数位均为1。
(2)该16位寄存器的高位字节 与开始8位字节进行“异或”运算。运算结果放入这个16位寄存器。
(3)把这个16寄存器向右移一位。
(4)若向右（标记位）移出的数位是1，则生成多项式1010000000000001和这个寄存器进行“异或”运算；若向右移出的数位是0，则返回(3)。
(5)重复(3)和(4)，直至移出8位。
(6)另外8位与该十六位寄存器进行“异或”运算。
(7)重复(3)~(6)，直至该报文所有字节均与16位寄存器 进行“异或”运算，并移位8次。
(8)这个16位寄存器的内容即2字节CRC错误校验，被加到报文的最高有效位。
4.5本章小结
虚拟仪器技术把传统仪器与计算机技术、软件开发技术和总线技术应用于测控领域，使测试系统具有易开发易使用，可移植性高，自动化程度高，易维护等特点。
本章简要介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和用途，也对图形化编程软件LabVIEW的编程方法进行了说明，对基于LabVIEW的汽车智能一键启动按钮性能测试系统的软件设计进行了总体的介绍。测试系统软件设计采用分层框架式分层结构，使测试系统功能全面、结构分明、重用性强。测试系统软件采用模块化设计思想，使测试系统的软件易维护和可扩展。另外，系统软件也能够适应产品功能的不断更新和升级。
同时本章在简要介绍Modbus RTU通信协议的基础上，运用LabVIEW软件编制相关的读取数据软件，在Modbus RTU协议下实现对汽车智能一键启动按钮性能数据的实时读取。
第五章 测试系统的实际应用
根据企业产品相关测试要求和生产标准，安全可靠的一键启动按钮在出厂时需要经过严格的性能和技术检测，主要包括LED相对亮度的测试、开关的连续性测试、静态电流测试、引脚电压电阻测试等，由于传统的手动检测方式已经无法满足越来越多的检测要求，而采用基于LabVIEW虚拟仪器平台开发的仪器控制、数据采集、信号处理构建的一套全自动测试系统，能够很好地实现对产品的快速、精确的测试。
本文设计的汽车智能一键启动按钮性能测试系统已经对某相关企业的产品进行了实际测试和应用。实际应用表明本检测系统能产品的性能进行全面、高效、准确的测试。下面对检测系统的实际使用进行具体说明。
5.1 汽车智能一键启动按钮性能测试要求
根据产品生产者提出的要求，电源断开时，要将测试夹具与模块连接，进行系统初始化，并设置如下条件：启动按钮点火打开；LIN总线禁用；气缸回到合适位置；设定引脚电压为12V。开始测试时，用万用表测试按钮的静态输出电流，要求小于1mA；进行LED测试OFF状态下的要求如表5.1所示，按钮按下时，各引脚间的电阻如表5.2所示。
表5.1 LED OFF状态下测试要求
测试项目 电流下限 电流上限 说明 变色
a b
1 STATUS1 CON101-1 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
2 STATUS2 CON101-4 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
3 ACC CON101-5 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
4 ON CON101-8 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
5 KEY_ILLUM CON101-6 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
表5.2 各引脚间电阻测试要求
测试项 电阻下限 电阻上限 说明 变阻
A
1 SW1 CON101-9/ GND CON101-12 0 1W 测量两个引脚间的电阻 X
2 SW2 CON101-11/ BATT CON101-2 0 1W 测量两个引脚间的电阻 X
进行LED ON状态下的测试要求如表5.3所示。
测试项目电流下限电流上限亮度下限亮度上限说明变色
ab
1STATUS1 CON101-14mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
2STATUS2 CON101-44mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
3ACC CON101-54mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
4ON CON101-84mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
5KEY_ILLUM CON101-64mA15mA1.0 cd/㎡10 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
表5.3 LED ON状态下测试要求
5.2汽车智能一键启动按钮性能测试程序
使用LabVIEW编写的测试系统，具有友好的人机界面，能够方便的显示所有测试数据，便于操作人员的读取，测试系统的主界面如图5.1所示。
图5.1 汽车智能一键启动按钮性能测试系统主界面
系统设计主要采用队列的编程方式，队列采用“先入先出的规则”。使用队列可以调整生产者和消费者的速度，其程序框图如图5.2所示。
图5.2 汽车智能一键启动按钮性能测试系统程序框图（部分）
5.2.1 检测产品放置程序设计
点击系统主界面的开始按钮后，在事件结构中将“check start”写入队列，系统读取队列进入“check start”模式。程序框图如图5.3所示。
图5.3 汽车智能一键启动按钮性能测试系统程序框图（部分）
通过对输入状态的读取，判读产品是否放置到位。产品放置状态的读取程序主界面和程序框图设计如图5.4(a)和(b)所示。
图5.4(a) 产品放置状态读取程序主界面
图5.4(b) 产品放置状态读取程序框图
5.2.2产品手动测试
测试系统提供手动测试不同项目的功能，手动测试通过调用PCI-2312板卡提供的开关量测试功能，实现对不同测试项目的切换，测试系统如图6.5所示。
图5.5 测试系统手动界面
5.2.3 产品合格测试
测试系统实时读取测试数据并于给定参考值进行比较，以此判断产品生产是否合格。测试数据读取程序程序框图如图5.6所示。
图5.6 产品合格检测程序框图
5.2.4产品数据存储
产品测试的结果，随时存入数据库，以备生产厂商调取查看。产品测试数据存储程序通过调用子程序来实现。存储程序的前面板与程序框图如图5.7(a)和5.7(b)所示。
图5.7(a) 产品数据存储程序前面板
图5.7(b）产品数据存储程序程序框图
5.2.5 产品测试数据
生产测试数据是产品生产测试的最终环节，是厂商对产品进行调查的最重要的部分，所以产品测试数据的保存需要重视，产品测试部分数据如图6.8所示。
图5.8 产品测试部分数据
通过图中的数据，我们可以清楚的知道测试的产品SN码，测试时间，LED ON/OFF状态下的ACC等数据。
5.3本章小结
本章介绍了汽车智能一键启动按钮性能测试系统生产中的实际应用，详细的说明了对测试功能的实际调试运行过程，而且罗列了部分测试结果，被测的产品大部分都合格，可以出厂使用。由该检测成功的实际应用知：该检测系统能够很好满足汽车智能一键启动按钮性能测试系统测试要求，具有开发成本低、测试方便、测试精度高、易维护易扩展等优点。
第六章 总结与展望
6.1总结
虚拟仪器在各种不同的行业中广受工程应用测量及控制的用户欢迎，这得益于其直观的图形化编程语言。在各生产单位、科研院所及高校实验室，在产品自动化测试、工业过程控制等环节中LabVIEW无处不在，特别是在测试领域，LabVIEW市场的占有率高达65%，远远超过了其他同类型的测试软件，都充分说明了LabVIEW非常的广泛和实用。它很好的利用计算机系统强大的数据分析、处理能力，在基础硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、传送、数据的分析、处理以及测试结果的转化、显示等，通过软、硬件的配合使用来代替传统仪器的各种功能，突破了传统仪器在数据分析、传送、显示、保存等方面的局限，使用户可以轻松地对仪器进行维护、扩展和升级。所以，虚拟仪器技术在低压电器测试测量方面具有非常广阔的应用前景。
本文介绍了一套运用LabVIEW虚拟仪器技术并结合相关硬件设计的汽车智能一键启动按钮性能测试系统，该系统在LabVIEW 虚拟仪器平台上，采用了工控机、数据采集卡等硬件和在LabVIEW 虚拟仪器平台上开发的软件构成一套汽车智能一键启动按钮性能测试系统，通过Modbus RTU协议实现工控机与被测产品的通讯。该系统结构简单、实时性高、易于扩展，具有一定的推广价值和应用前景。
6.2展望
随着我国改革开放的发展，社会的分工进一步细化，各个生产环节的联系和合作也不断深入，集成化和模块化的设计思想正被越来越多地应用到各个工业领域。把计算机控制技术、虚拟仪器技术以及现场总线技术综合地应用到汽车智能一键启动按钮性能测试系统中， 有利于提高系统的反应速度和自动化程度、可靠性及可维护性,操作人员可方便顺利的进行操作工作。
基于LabVIEW的虚拟仪器技术也在向更广泛的领域发展，比如把LabVIEW虚拟仪器技术应用到农业领域也有很大的发展空间。国外已经有在农业上应用的成功案例，国内目前应用的还很少，大多处于研究试验阶段。例如，利用LabVIEW开发农业气象实时监测系统，可以及时采集各种气象环境数据，为农业天气及灾害预报、病虫害预测预报以及农作物的栽培管理提供及时准确的信息。自动化、智能化、网络化和数字化将是今后农业发展的主要方向之一，而基于LabVIEW的虚拟仪器技术正是适应了这种现代农业的发展要求。因此，它将会在现代农业测试、农业自动化和农业信息化方面有所突破和发展。
基于LabVIEW的虚拟仪器技术将沿着多功能、高性能、集成化、网络化方向发展。首先，目前虚拟仪器在软硬件方面都制定了开放的工业标准，使其功能易于生产、维护和扩展，开发的价格大大减少，时间大大缩短。其次，性能将进一步提高。为了满足不同用户、不同领域的需求，LabVIEW的各项性能将不断的改善，越来越强。最后，随着网络技术的发展，基于LabVIEW的虚拟仪器技术也必将朝着集成化，网络化的方向发展。在不久的将来，虚拟仪器网络化的发展前景十分广阔。目前这一技术已经取得一定成果，远程联网监测分析技术也越来越得到重视。因此纵观现在，展望未来，虚拟仪器技术一定会在现代信息社会有长远的发展和新鲜的生命力。
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致谢
光阴流转，毕业论文暂告收尾，这也意味着我四年的大学生活既将结束。总结大学四年的生活，在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅，在这里需要的感谢的人很多很多。
本毕业论文的设计研究是在邹萍老师以及企业的工程师严桂的谆谆教导下顺利进行的，从论文的开始到最后的完成老师都给了我很多的帮助，在此向导师们表示由衷的感谢和深深的敬意。毕业设计的过程中，邹萍老师和负责指导我的企业导师严桂给我提供了很多宝贵的意见。我多阅读资料文献，多借鉴前人的研究成果，然后再着手写。在毕业设计设计过程中，我经常找邹萍老师和企业的导师沟通，他们都特别关心我的进展如何，遇到哪些问题，给我细心地指导和帮助； 论文写完以后，邹萍老师还精心审阅了我的写作初稿，大到内容结构，小到论文格式、标点符号，都给我提供了宝贵的修改意见，在老师的帮助下，加上自己认真的设计，我终于完成了毕业设计的工作。
所以我的论文从选题到结构安排，从内容结构到格式修饰，都凝聚了导师们的大量的心血，他们这种平实质朴的治学态度、认认真真的负责精神、平易近人的待人之道、以及对学生的关心使我深受感动，对我做人、做事、做学问都产生了深远的影响。在此，我向邹萍老师和企业的导师再次表示诚挚的谢意。
回首从毕业设计开始到进入最后论文的顺利完成，我得到多位老师和领导的大力支持，在此表示感谢，还有好多友好互助的同学和朋友们，谢谢你们，大学生涯马上结束，在校四年学到的种种，对马上走入社会工作的我，是一笔巨大的财富，我将继续奋斗，一路前行。
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摘要
随着汽车工业的发展，汽车智能一键启动装置已成为汽车的基本配置。在工业自动化生产逐渐代替人工生产的情况下，单纯的手工检测已经不能满足产品合格检测的要求，如何在保证产量的情况下确保汽车智能一键启动按钮性能的合格成为了许多测试厂商思考的问题。
首先，本文介绍了汽车智能一键启动按钮性能测试系统设计的背景与意义、以及国内外的研究现状；然后根据生产商产品性能测试的要求，设计了一套基于LabVIEW的汽车智能一键启动按钮性能测试系统的完整方案。该测试系统由工业控制计算机，气动夹具，动力输出模块，多功能数据采集卡等硬件组成，基于LabVIEW虚拟仪器开发平台设计。文章对测试系统的硬件选型和系统搭建进行了简要概述，也详细的介绍测试系统软件的设计思想和编程方法。最后，通过实际应用以及成功调试表明：本文设计的基于LabVIEW测试系统不仅能够很好实现汽车智能一键启动按钮性能测试要求，而且具备操作方便、测试精度高、检测效率高、抗干扰能力强等诸多优点。
关 键 词：虚拟仪器 一键启动按钮 LabVIEW 自动化测试系统
The Test System design of Automobile Intelligent One Key Start Button Performance
Abstract
With the development of auto industry, the automobile intelligent one key start device has become the basic configuration of cars. In the industrial automation production gradually replacing manual production situation, manual detection alone can not meet the requirements of product testing. it is a hard question for many testing manufacturers that how to make sure the performance of automobile intelligence one key starting button on the premise of ensuring quality.
First of all, this paper introduces the background, significance and research status home and abroad of automobile intelligent one key start button; then according to the product performance test requirements, the writer designs a set of car based on intelligent one key start LabVIEW complete program button performance test system. The test system is composed of industrial control computer, pneumatic fixture, a power output module, multi-function data acquisition card and other hardware components, with the development of virtual instrument platform based on software LabVIEW. The hardware selection,system based on the structure of the test system, the test system software detailed design and programming method are briefly described. Finally, through the practical application and the success of debugging indicates that: the designed test system based on the LabVIEW not only can meet the auto intelligent one key start button performance test requirements, but also has the advantages of convenient operation, high measuring accuracy, high efficiency, strong ability of anti interfere.
Key words：Virtual instrument; One key start button; LabVIEW; The automated test system
第一章 绪论 1
1.1 课题研究意义与背景 1
1.2 国内外相关研究现状 2
1.3本文主要工作及任务 3
第二章 汽车智能一键启动按钮性能测试系统总体方案 4
2.1 测试系统设计需求 4
2.2 测量功能设计方案 4
2.3 测试系统主要结构 5
2.4本章小结 5
第三章 测试系统硬件选型 6
3.1检测系统工控机的选择 6
3.2数据采集板卡的选择 6
3.2.1 ART PCI-2312输入/输出板卡介绍 6
3.3可编程电源选择 7
3.3.1 Agilent E3642A可编程电源介绍 7
3.4数字万用表选择 8
3.4.1 Fluke 8808A数字万用表介绍 8
3.5 LED测试仪选择 9
3.5.1 Feasa LED测试仪介绍 9
3.6控制切换电路简介 10
3.7通信电路简介 10
3.8本章小结 10
第四章 基于LabVIEW的测试系统软件实现 11
4.1虚拟仪器技术介绍 11
4.1.1虚拟仪器概述 11
4.1.2虚拟仪器特点 11
4.2虚拟仪器软件LabVIEW介绍 12
4.2.1 LabVIEW概述 12
4.2.2 LabVIEW组成 12
4.3测试系统软件设计 14
4.3.1软件设计思路 14
4.3.2软件设计结构 15
4.3.3软件设计流程 15
4.3.4软件设计方法 16
4.4基于Modbus RUT通信协议的软件编程 18
4.4.1 通信协议的软件编程 18
4.4.2 数据读取程序的编写 19
4.4.3 CRC校验程序的编写 21
4.5本章小结 22
第五章 测试系统的实际应用 23
5.1 汽车智能一键启动按钮性能测试要求 23
5.2 汽车智能一键启动按钮性能测试程序 24
5.2.1 检测产品放置程序设计 26
5.2.2 产品手动测试 28
5.2.3 产品合格测试 28
5.2.4 产品数据存储 29
5.2.5 产品测试数据 29
5.3本章小结 30
第六章 总结与展望 31
6.1总结 31
6.2展望 31
参考文献 33
致谢 34
第一章 绪论
1.1 课题研究意义与背景
随着中国经济的高速发展，在社会生活里汽车已经越来越普遍，汽车消费也已经迅速渗透到了普通居民的生活之中。根据中国汽车工业协会发布的相关数据显示，截止到2013年12月，汽车产销都已达到2200多万辆，同比增长了13.5%以上。如此庞大的汽车需求带来的是汽车销售行业的激烈竞争和汽车生产厂商检测技术的全面革新。对于消费者来说，激烈的竞争带来的不仅仅是汽车价格方面的优惠更多的是汽车配置方面变得更加丰富多样，而汽车智能一键启动装置正是在这样的环境下由原来的高端车型逐渐向中低端车型推广。随着消费需求的上升，一键启动装置已经成为汽车的基本配置，基于此种情况，如何在保证产量的情况下确保汽车智能一键启动按钮性能的合格成为了许多测试厂商思考的问题。
汽车智能一键启动装置是智能汽车的组成部分，而汽车一键启动按钮是实现汽车简约打火启动过程的一个按钮装置，同时也可以熄火。通常来说，单独的汽车启动按钮对于汽车来说并没有任何意义，所以汽车智能一键启动按钮通常与汽车防盗等其他功能绑定在一起，实现汽车的智能启动，智能防盗等一系列功能。通过一键启动这个按钮，车主只需要轻轻按一下按钮就可以将爱车发动或者熄火，避免了丢钥匙、找钥匙的烦恼，而与PKE（“公开秘钥加密”，Public-Keyencryption）智能系统配合使用更增加了汽车的安全性。随着人们生活水平和档次的提高，安装汽车智能一键启动装置的车型，无疑在汽车销售行业里具有更加明显的优势。
汽车智能一键启动按钮涉及到汽车最基本的点火操作等，因此要按照产品检验标准中规定的合格标准来设计系统，对启动按钮的各项指标进行出厂测试并判断是否格。安全可靠的一键启动按钮在出厂时需要经过严格的性能和技术检测，主要包括LED相对亮度的测试、开关的连续性测试、静态电流测试、引脚电压电阻测试等，在设计产品检测系统时更多的需要考虑启动按钮的引脚在开和关状态下的电流。
在现代的汽车电子生产测试中，自动化程度的提高使得人工直接参与的情况越来越少，但是产品的测试和性能评估却越来越重要。高效、准确的性能测试与分析成为了产品检测快速实现的前提条件，而虚拟仪器正是借助其直观的图形化编程语言和颠覆了传统的以硬件为基础的测试方式，在汽车电子测试领域中广受欢迎。虚拟仪器利用计算机强大的数据分析和运算能力，在硬件系统的辅助下，通过软件采集、传送、分析和处理数据，通过软、硬件的结合的方式来取代传统仪器实现相应功能，使用户对仪器进行的维护和升级变得更加方便。
汽车智能一键启动按钮性能测试系统合理地应用虚拟仪器技术和自动化测试技术，使得设备的自动化程度、可靠性和反应速度大大提高。使用LabVIEW软件设计测试系统，节省了更多的硬件，便于系统维护，降低了仪器升级的负担。使用虚拟仪器逐步取代传统测试仪器是测试领域发展的趋势，但在实际的应用中，仍需要根据实际情况进行软硬件的结合，使虚拟仪器技术发挥更加强大的作用。
1.2国内外相关研究现状
目前我国正处在生产活动的变革时期，传统的人工生产检测的方式将逐渐淘汰，自动化的测试系统将成为更加方便、快速的测试手段。国内外的工程师以及研究人员对汽车电子产品测试系统的设计方面进行了比较丰富的研究，这些研究对于本课题都具有现实的参考意义，其中部分研究结果如下：
刘关等在《基于虚拟技术的汽车组合仪表测试系统设计》一文中研究汽车组合仪表的测试问题时，选用NI公司的LabVIEW软件和USB-6008数据采集卡硬件，进行了基于LabVIEW的汽车组合仪表测试系统的设计研发；这说明基于LabVIEW的汽车组合仪表测试系统可以减少汽车组合仪表功能测试系统的成本，同时拥有高度的可扩展性和灵活性，使得测试效率大大提高；这种基于虚拟测试技术将改变传统的汽车测试手段，拥有巨大的技术潜力，应用前景十分广阔[1]。
陈福彬等在《基于LabVIEW的自动化测试平台的设计》一文中设计了一整套基于LabVIEW的自动化测试平台；该文介绍了由LabVIEW软件和程序控制仪器结合而成的自动化测试平台技术，通过PC机与程控仪器串行通信，实现信号的自动化测试以及实时数据分析和图形显示；文章同时介绍了测试平台的设计开发和使用方法，实现了测试的自动化和数据显示的实时化，后续数据的处理也更加方便；该自动化测试平台改进了以往较为烦琐的手动测试过程，节省了测试测量时间，提高了测试测量的精度，使得整个测试过程变得非常快捷[2]。
顾启民等在《基于LabVIEW的智能控制器自动测试系统的研制》中介绍了智能控制自动测试系统，该系统是采用LabVIEW虚拟仪器平台技术解决实际问题的一种尝试；测试系统具有操作方便、人机见面友好的优点；有效克服了传统测试成本高、周期长、浪费资源、维护和操作麻烦等缺点；在汽车电子生产的实际运用表明，系统的测试时间也大大缩短、抗干扰能力和稳定性大大增强，测量精度大大提高[3]。
前文已经概述了汽车智能一键启动按钮的功能及行业发展前景，而以工业控制计算机为基础，辅之以高精度的数据采集卡等硬件设备，采用虚拟仪器技术——LabVIEW软件开发平台编写具有数据的采集、分析和调理程序的汽车智能一键启动按钮性能测试系统，可很好满足汽车一键启动按钮出厂检验要求。在实际生产应用中证明，该测试系统具有测量精度高、操作方便、检测效率高、抗干扰能力强等很多优点。
1.3本文主要工作及任务
本文所设计的测试系统由工控机、数据采集板卡、数字万用表、LED测试仪等硬件，与虚拟仪器平台上的开发软件LabVIEW结合而成，实现汽车智能一键启动按钮性能测试系统的设计。本文分为了六章逐一介绍上述内容：
第一章全面介绍了汽车智能一键启动按钮的功能和发展现状，介绍了虚拟仪器技术在相关行业中的应用和发展，并阐释了利用虚拟仪器技术开发设计汽车智能一键启动按钮性能测试系统的优势。
第二章介绍了测试系统的总体结构功能及其设计要求，提出了系统的总体设计方案。
第三章介绍了汽车智能一键启动按钮性能测试系统的硬件的选型，以及各个模块所负责的具体功能。
第四章简要介绍了虚拟仪器技术和图形化的编程软件LabVIEW，使我们对其有了基本了解，然后对基于LabVIEW的汽车智能一键启动按钮性能测试系统软件设计进行简要说明，同时介绍了Modbus RTU通信协议。
第五章对汽车智能一键启动按钮性能测试系统进行实际调试运行来说明测试功能。
第六章总结了本次设计所完成的工作以及任务，取得的设计成果，以及对测试系统未来发展的展望。
第二章 汽车智能一键启动按钮性能测试系统总体方案
2.1测试系统设计需求
汽车智能一键启动按钮涉及到汽车最基本、最主要的的点火操作等，为了保证其性能合格，在一键启动按钮产品出厂前必须对其性能进行精确测试，使其主要参数维持在允许误差范围内。因此汽车智能一键启动按钮性能测试系统应该满足如下需求：
(1)测试设备应能提供产品测试所需的标准电压，使数字万用表、LED测试仪的测试设备能够进行正常工作并读取产品引脚之间的各项参数，以便进行测量。
(2)测试设备应能根据标准的Modbus RTU通信协议模式，读取被测按钮的各项参数，并使用RS485/232串行接口实现测试装置与被测产品间的数据传输。
(3)测试设备能对被测按钮引脚间实际测量值与规定值进行对比分析，并能根据分析结果自动判断是否在误差允许范围之内，以此来确定被测启动按钮性能是否合格。
(4)为了方便用户操作，应使测试装置具有良好的人机交互界面，使用户方便设定或修改相关测试参数，并能实时监控整个测试过程的进行。测试系统还可以完成自动测试与手动单一环节的测试，并在测试后自动生成报表。
图2.1 检测系统结构框图
2.2测量功能设计方案
现在普遍采用的生产测试方法为：由测试设备将测试信号（电压或电流）传送至被测产品，代替其实际工作环境来验证其能否实现测试功能。因此，本汽车智能一键启动按钮性能测试系统也利用上述方法来实现测试，测试方法如下：通过直流电源供应模块提供测试装置测试所需的测试电流与电压，然后通过控制板卡控制相应电磁阀的通断以实现不同测试环节的切换，从而对开关连续性、静态电流、引脚电压电阻等测试项目进行测试；测试设备根据标准的Modbus RTU通信协议，读取被测按钮的各项数据，与参考值进行比较，并自动判断各项数据的误差是否在合理范围内，最后将结果反馈给计算机并显示在人机交互界面上，实现汽车一键启动按钮的性能测试。
2.3 测试系统主要结构
汽车智能一键启动按钮性能测试系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要包括工控机、高精度数据采集卡、可编程电源、控制切换电路、数字万用表、LED测试仪等。软件系统是安装在工控机上的虚拟仪器软件开发平台——图形化编程语言LabVIEW。汽车智能一键启动按钮性能测试系统总体结构如图2.2所示。
图2.2 检测系统总体结构图
该测试系统以工控机为上位机和LabVIEW虚拟仪器软件平台为控制核心，主要用于实现人机交互、测量参数的设置、现场的自动控制，数据实时的显示、测量结果的存盘以及报表生成等工作。通过LabVIEW虚拟仪器软件平台编制相关程序收发工控机的控制参数和控制命令，对测试过程进行自动控制和实时监控。采用RS232/485转换接口对接被测产品与测试系统，在Modbus RTU通信协议下实现被测产品与测试系统的实时通信。可编程电源提供产品测试所需电压，为被测的启动按钮主回路提供测试电流。
2.4本章小结
本章对汽车智能一键启动按钮性能测试系统的功能需求进行了简介，根据测试系统的功能实现要求确立了测量功能测试方法以及测试系统构成，设计出了一套完整的一键启动按钮性能测试系统的总体方案，并明确了测试系统的结构组成，列出了系统总体结构框图。
第三章 测试系统硬件选型
由系统总体结构知道，硬件系统主要由工控机以及内置的高精度数据采集卡、数字万用表、可编程电源、LED测试仪、气动夹具等部分组成。以下对检测系统硬件的选型进行详细的说明。
3.1检测系统工控机的选择
工控机（Industrial Personal Computer,IPC）即工业控制计算机，是专门用于工业控制的计算机，用来监测和控制生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等；它具有实时性好，可靠性高，系统通信功能强，输入输出模板多，系统开放性和扩充性好，环境适应性强等特点[4]。
由于对整个汽车智能一键启动按钮性能测试系统来说，工控机是的核心部件，测试过程都是在工控机的控制下进行的，所以工控机性能的优劣直接决定整个测试系统性能的优劣。为了使整个测试系统能适应工业现场的恶劣环境，应该选择稳定性高、抗干扰能力强的工控机，在本系统中我选择了研华公司生产的IPC-610H型工控机。
3.2数据采集板卡的选择
数据采集(DAQ)，是指自动从待测设备的模拟和数字待测单元中采集电量或者非电量信号，然后送到上位机中进行分析，运算。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、RS232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中使用了阿尔泰公司生产的PCI-2312光电隔离16路DI/DO板卡。
3.2.1 ART PCI-2312输入/输出板卡介绍
PCI-2312是基于PCI总线的光电隔离输入输出板卡，支持多种语言平台，可与LabVIEW实现无缝连接；该板卡具有16路光电隔离输入和16路光电隔离输出，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统[5]。其光电隔离可以隔离电压2500Vrms（min）；输入输出电压为5V~24V；工作温度范围为0~+50℃；存储温度范围为-20~+70℃。该板卡使用DAM中断内存映射方式，实现实时高速不间断采集。PCI-2312板卡实物图如图3.1所示。
图3.1 PCI-2312实物图
3.3可编程电源选择
所谓的可编程电源是指电源可以通过计算机软件进行编程控制，比如设置输出电压是多少，最大输出电流是多少，超过这个值则不能正常供电等等，通过上位机设定状态字的方式控制器内部功能。
3.3.1 Agilent E3642A可编程电源介绍
Agilent E3642A 50W单路输出电源是安捷伦公司生产的基于GPIB及RS232标准的可编程电源；它可以为工作台测试和基本自动测试应用提供稳定可靠的电源支持，并内置测量和基本编程功能；电源具有0.01%的负载和电源调整率，即使在电源和负载变动时也能保持稳定的输出；电源在任何输出负载条件下的电压稳定时间小于90ms[6]。
其主要特性与技术指标如下：
（1）额定输出（0°C 至 40°C)
?量程1：0 至 8 V / 5 A
?量程2：0 至 20 V / 2.5 A
（2）编程精度（25°C ±5°C），±（% 输出 + 偏置）
?电压：<0.05% + 10 mV
?电流：<0.2% + 10 mA
（3）纹波和噪声（20 Hz 至 20 MHz）
?正常模式电压：<5 mVpp / 0.5 mVrms
?正常模式电流：<4 mArms
?共模电流：<1.5 uArms
（4）读回精度（25°C ±5°C），±（% 输出 + 偏置）
?电压：<0.05% + 5 mV
?电流：<0.15% + 5 mA
安捷伦E3642A可编程电源实物图如图3.3所示。
图3.3 Agilent E3642A可编程电源实物图
3.4数字万用表选择
数字万用表就是一种包含安培计、电压表、欧姆计等多种功能于一体的多用途电子测量仪器；万用表测量电压、电流和电阻功能是通过转换电路部分实现的，数字万用表就是在数字直流电压表的基础上扩展而成的；转换器将随时间连续变化的模拟电压量变换成数字量，再由电子计数器对数字量进行计数得到测量结果，再由译码显示电路将测量结果显示出来；逻辑控制电路控制电路的协调工作，在时钟的作用下按顺序完成整个测量过程[7]。在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中，我选用的是福禄克公司生产的8808A型号的数字万用表。
3.4.1 Fluke 8808A数字万用表介绍
Fluke 8808A数字万用表是一款5-1/2位数字双显万用表，可以测量电压、电阻和电流等，而且直流电压基本准确度高达0.015 %；其主要特性如下：
（1）200 mV～1000 V直流量程，灵敏度为1 μV
（2）200 Ω～100 MΩ量程，灵敏度为1 mΩ
（3）200 μA～10 A直流量程，灵敏度为1 nA
（4）频率测量范围为20 Hz～1 MHz
（5）测量速率为2.5、20 和100 次/秒（分别为慢、中和快）
（6）具有比对模式，可确定测量结果是否在预设的限值范围之内
福禄克8808A数字万用实物图如图3.4所示。
图3.4 Fluke 8808A数字万用表实物图
3.5 LED测试仪选择
目前LED测试的方法主要有两种，专用分析仪和人工测试。专用仪器价格昂贵，配置丰富主要面对大型企业及其研发部门；而人工测试成本低，专业性不强，普遍被一些小型企业所采用，其缺点也显而易见。人工测试要求检测人员具有丰富的检测经验，但是庞大的工作量容易造成视觉疲劳导致漏检和误判，最终导致效率低下。在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中，我选用的是Feasa LED测试仪。
3.5.1 Feasa LED测试仪介绍
Feasa LED测试仪是一个测试系统，对于LED的颜色和亮度可以实现快速和自动测试，该测试系统通过光纤处收集信号对LED的颜色和亮度进行一次学习，读取一个相对值作为标准值，并设置标准值的上下限，然后将待测的LED相对值与标准值进行比对，从而判断良品和不良品，有效地保证测试测精度。Feasa LED测试仪实物图如图3.5所示。
图3.5 Feasa LED测试仪实物图
3.6控制切换电路简介
在汽车智能一键启动按钮性能测试系统中控制切换电路主要用于接收和发送工控机发出的测试控制信号。控制切换电路就是通过不同档位的开关的通断来选择测试的项目。安捷伦E3642A电源负责为测试系统提供准确稳定的测试电流，以完成接下来的测量功能；气动夹具的控制切换电路为夹具装置提供相应的控制信号，以控制夹具松开与夹紧等动作。
3.7通信电路简介
通信电路由RS232/485转换接口和通信总线组成，通信电路用于实现测试系统与被测产品的连接，从而实现测试系统与被测产品的实时数据传输、实时通讯，此通信遵循Modbus RTU协议。
3.8本章小结
本章根据汽车智能一键启动按钮性能测试系统的测试要求，对测试系统的硬件组成以及选型原则进行了介绍，简单介绍了每部分硬件在系统中的功能和用途。
第四章 基于LabVIEW的测试系统软件实现
4.1虚拟仪器技术介绍
虚拟仪器是计算机技术与仪器技术完美集合的产物，代表了未来仪器发展的方向，它实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。
4.1.1虚拟仪器概述
虚拟仪器（Virtual Insturment，简称VI)，即是在以通用计算机（PC）为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器技术就是利用性能高的模块化硬件，结合灵活高效的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能够开发出完全符合用户的自定义界面，模块化的硬件能方便灵活地提供全面的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。因为同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势就能充分发挥出来。虚拟仪器组成图如图4.1所示。
图4.1 虚拟仪器组成图
4.1.2虚拟仪器特点
虚拟仪器技术与传统仪器不同，虚拟仪器在通用计算机平台上通过数据采集设备，然后根据用户的实际需求就可以构建起不同的系统。所以虚拟仪器实际上是一个按照用户的实际需求组成的数据采集系统。虚拟仪器采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件，它主要使用计算机显示器的显示功能来显示模拟传统仪器的控制面板，这就可以用多种形式输出检测结果，即实用又美观。目前，计算机和仪器的密切结合并且结合的越来越紧密是仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器技术主要有以下几个方面的特点：
(1) 改善和丰富了传统仪器的功能：虚拟仪器充分利用计算机强大的数据分析运算能力，完成信号分析、显示、存档、打印、管理等，使得测试系统更加灵活多变。
(2) 强调“软件就是仪器”的概念：虚拟仪器用软件代替了传统仪器的部分硬件，减少了许多硬件带来的问题，加上使用标准化的总线，大幅度提高了测量速度、精度。
(3) 虚拟仪器由用户自定义：用户可以灵活地修改虚拟仪器的面板和功能，给了用户很大的空间去自定义仪器的功能和特色。
(4) 开放的工业标准：虚拟仪器的软硬件都制定了统一的工业标准，用户可以用虚拟仪器的统一标准将其设计、使用和管理规范化，使资源的使用易于扩展，升级和维护费用降低。
(5) 经济性好，易于构建复杂的系统：虚拟仪器可以通过计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控、测试与故障诊断，使复杂的测试系统便于集中控制和管理。
4.2虚拟仪器软件LabVIEW介绍
LabVIEW已经被虚拟仪器设计工程师们公认为是最简单便捷、功能强大的设计平台，而且它能够与其他专业软件兼容，可以发挥每个软件独特的优势，设计出功能强大的虚拟仪器系统。
4.2.1 LabVIEW概述
LabVIEW在国内流行的时间并不长，在国外被广泛用于科研、教学、测试和工业自动化领域；LabVIEW是美国NI公司推出的一种通用虚拟仪器开发软件，它包含了丰富的功能函数库和完备的总线设备驱动程序。LabVIEW的最大特点是其基于图形(Graphics)的编程方式：采用了框图而非传统的文本方式的编程方法；利用LabVIEW组建仪器测试系统和数据采集系统可以在很大程度上简化程序的设计[10]。
4.2.2 LabVIEW组成
LabVIEW中的程序称为虚拟仪器(virtual instruments)程序，简称VI。每个VI都有前面板(front panel)、框图程序(diagram program)和图标/连接端口(icon/connector)三部分组成。
每个LabVIEW虚拟仪器(VI)都有一个前面板，用户作为开发者可利用它来显示数据或将输入控件呈现给用户。如果只用适合特定需求的相应输入控件和显示控件来创建VI，用户最终将获得更精确的结果而花更少时间设置测量并解析所测数据。LabVIEW前面板开发窗口如图4.2所示。
图4.2 前面板窗口
框图程序利用端口、节点、图框和连线等部件对定义在前面板的控制量和指示量进行编程。框图程序是程序的图形化源代码，主要由端口、节点以及连线三部分组成。其中端口是程序框图中传递数据的起点和终点，被用来同程序前面板的控制和显示传递数据；节点是程序功能的基本单元，被用来实现函数和功能调用；而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向；控件端口用来将前面板上的对象与程序框图连接。从功能模块上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递。节点是VI程序中的执行元素，类似于文本编程语言程序中的语句、函数或者子程序。端口是数据在框图程序部分和前面板之间传输的通道接口，以及数据在框图程序的节点之间传输的接口。端口类似于文本程序中的参数和常数。连线是端口间的数据通道，类似于文本程序中的复制语句。功能模块上的对象包括简单的数学运算、高级数据采集和分析方法、以及网络和文件输入输出等操作。图标/连接器端口则可以把LabVIEW程序定义成一个子程序，以便在其它程序中加以调用，这使LabVIEW得以实现层次化、模块化编程。
框图程序窗口如图4.3所示。
图4.3 程序框图窗口
4.3测试系统软件设计
LabVIEW是美国NI公司的数据采集和仪器控制软件，它为工程师和科学家们提供了最有力的图形化的编程环境。通过这个图形界面，用户可设计出符合自己需求的虚拟仪器，可以将采集到的数据进行分析、结果显示；可以使用开关、转盘、图表等自定义前面板，用来代替传统仪器。由于图形化的程序流程图，它不像传统的文本语言那样抽象难懂，只需将各个VI或图标进行对应的连线，即可完成虚拟仪器程序的开发。在确保系统功能的同时，利用图形化编程方式可以提高系统的开发效率。因此采用面向图形化的LabVIEW编程软件来完成对汽车智能一键启动按钮性能测试系统的软件编写。
4.3.1软件设计思路
测试系统软件采用模块化思想进行设计，以提高测试系统的通用性和可移植性。通过构建和使用子VI能方便的实现LabVIEW的层次化和模块化编程，把复杂的编程问题划分为多个简单的任务，使程序结构变得更加清晰、层次更加分明、程序更加易读、调试更加方便。用户将常用的功能模块创建成子VI，不仅有效提高代码的使用效率，避免进行频繁的重复操作，也大大节省了编程时间。需要说明的是，一个子VI相当于一个子程序，子VI节点相当于子程序的调用语句，而不是子VI本身。子VI的控件和函数从调用该VI的程序框图中接收数据，并将数据返回至该程序框图。汽车智能一键启动按钮性能测试系统的软件部分可以分为若干个模块：
(1) 夹具控制模块：本模块的作用是实现对气动夹具的夹紧和松开动作的控制。
(2) 控制电源模块：本模块程序用于实现对检测系统中安捷伦电源的控制，给测试系统提供所需的工作电源。
(3) Modbus通信模块：本模块的程序功能是通过软件实现检测系统与被测产品之间通信，如此可以对测试系统中产品测试数据进行实时读取。
(4) 测量功能测试整体控制模块：本模块实现对控制电源模块、夹具控制模块和Modbus通信模块的综合控制，从而实现汽车智能一键启动按钮性能的完整测试。
4.3.2软件设计结构
为使软件测试系统易维护和可扩展，需考虑选择合适的软件结构对系统测试软件进行设计，使系统软件能够适应产品测量功能的扩展或升级，因此采用分层框架的处理方法。软件测试框架整体采用分层的构架，分为通用程序层、测试程序层两层。测试程序层以子VI的形式调用公用程序层来完成本身的测试功能，通用程序层为测试程序层提供服务。汽车智能一键启动按钮性能测试系统升级扩展时，由于系统软件采用分层结构，就不需要重新对全部的软件进行重复设计，只需改写某个特定功能层的软件功能即可，可以大大减化工作量，从而也体现出测试软件的易维护和易升级。整个系统软件模块结构如图4.4所示。
图4.4 系统软件结构图
4.3.3软件设计流程
汽车智能一键启动按钮性能测试系统采用虚拟仪器技术来构建，整个测量功能由工控机控制完成，其中人机交互采用图形化的LabVIEW软件界面。工控机发出控制信号给数据采集卡，经电源控制电路，使电流发生器输出相应的电流，提供给被测产品以进行测量，同时将产品各引脚实际值采集回到数据采集卡中，由数据采集卡传递给工控机中。启动按钮产品经RS232/RS485转换接口与上位工控机的串行接口连接，遵循Modbus RTU串行通信协议进行通信，通过软件的串口参数配置读取测试项数据与读取的被测数据作比较，通过程序计算自动判别被测产品的数据是否在合格范围内。其测试系统测试流程图如图4.5所示。
图4.5 检测系统测试流程图
4.3.4软件设计方法
测试系统的软件部分通过LabVIEW进行编写，采用的是以队列为基础的状态机结构。所谓的状态机，简单来说就是上一个状态决定下一个状态，从而实现程序对不同状态的自动选择。汽车智能一键启动按钮性能测试系统选用“生产者/消费者”模式的状态机为框架，在该架构中搭建测试系统的功能部分，使用条件结构来判断测试将要进行的状态，完成当前的测试环节，并在该测试环节中把将要执行的下一个测试环节写入队列，最终实现测试系统自动完成测试内容直至结束。使用以队列为基础的状态机结构如图4.6所示。
图4.6 以队列为基础的状态机结构
其中队列节点的选择和使用，直接决定了测试系统运行的流畅程度及稳定性。队列节点主要有以下几种：
获取队列引用节点：返回队列的引用，在调用其它队列操作函数时使用该引用。在测试系统中，该节点用来创建一个队列，设置队列的长度及元素类型。
元素入队列节点：向队列中端添加元素，是状态机执行跳转的关键部分。在测试系统中，该节点在上一个测试环节中把将要执行的测试步骤写入队列，以便于程序跳转至下一个测试状态。
元素出队列节点：取出队列中的元素，然后将状态送至条件结构，判断执行下一个状态。在测试系统中，该节点负责取出要执行的测试环节。
释放队列引用节点：释放获取队列引用节点创建的队列引用，释放内存空间。
在条件循环结构中，使用以上四种节点搭建了汽车智能一键启动按钮性能测试系统。在测试系统中，首先通过获取队列引用节点创建一个队列，然后在相应的测试环节中将下一个测试环节写入队列。紧接着通过条件结构判断取出来的测试状态，执行相应的测试功能，最终实现测试系统的自动化测试。测试系统测试状态选择框图如图4.7所示，测试状态写入队列如图4.8所示。
图4.7 测试状态选择框图 图4.8 测试状态写入队列框图
4.4基于Modbus RUT通信协议的软件编程
Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全世界第一个现场总线协议。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。在中国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。据不完全统计：截止到2007年，Modbus的节点
4.4.1 通信协议的软件编程
汽车智能一键启动性能测试系统通过串口来接收和发送数据，从而读取汽车智能一键启动性能测试系统实际测量值，然后根据这些数据来判断其测量功能是否合格。
汽车智能一键启动性能测试系统测量功能检测系统过对串口的初始化配置、写入串口数据、读取串口数据、CRC校验和串口关闭等软件程序来读取汽车智能一键启动性能测试系统实际测量值数据。程序中用到了LabVIEW中的以下节点：
(1) VISA配置串口(VISA Configure SerialPort.vi)
该节点使VISA资源名称指定的串口按特定设置初始化。通过连线数据至VISA资源名称输入端可确定要使用的多态实例，也可手动选择
(2) VISA读取(VISA Read.vi)
该节点从VISA资源名称指定的设备或接口中读取指定数量的字节，并使数据返回至读取缓冲区。
(3) VISA写入(VISA Read.vi)
该节点使写入缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口。
(4) VISA关闭(VISA Close.vi)
该节点关闭VISA资源名称指定的设备会话句柄或事件对象。
4.4.2 数据读取程序的编写
是否正确读取产品实时测量值的关键在于读数据的程序编写和CRC校验程序的编写，下面就着重介绍如何运用LabVIEW在Modbus RTU通信协议下实现这些主要程序。
通信读取数据时需先找出通信数据起始地址和明确读取的数据量，同时还要进行CRC校验。通信数据之间是以报文形式传递的。其中主站请求报文格式如下表4-1所示。如果主站请求经校验无误，那么从站会给出应答。从站应答报文格式如表4-2所示。
表4-1 读取数据时主站请求报文格式
主站地址 功能码 数据起始地址 数据量(单位:字) 冗余校验
1字节 按要求设定 MSB LSB MSB LSB LSB MSB
表4-2 读取数据时从站应答报文格式
从站地址 功能码 字节量 数据1 … 数据n 冗余校验
1字节 按要求设定 1字节 MSB LSB … MSB LSB LSB MSB
注：LSB表示双字节的低字节；MSB表示双字节的高字节
汽车智能一键启动按钮性能测试功能测试时通信读取数据的步骤为：
(1) VISA串口初始配置 可利用VISA配置串口节点设置VISA资源名称、波特率、数据比特、停止位、奇偶位、流控制等。
(2) VISA读取操作 利用VISA Read.vi节点根据需求读取产品实际测量值。在LabVIEW平台上进行串口通信时，由于是以字符串的形式发送和接收的数据信息的，字符串中的每个字符对应相关的ASCII 码字符；因此采用Modbus RTU 模式进行通信，这样发送和接收的数据格式直接就是十六进制格式字符。所以在写入数据之前必须把要发送的十六进制字符利用字符转换函数使其转换成对应的ASCII码字符。
(3) 关闭串口 利用VISA Close.vi节点来关闭打开的串口，停止所有读写操作。否则可能导致串口数据溢出。
读取通信数据程序前面板如图4.9所示，相应的程序框图如图4.10所示。
图4.9 读取数据程序前面板
图4.10读取数据程序框图
4.4.3 CRC校验程序的编写
利用Modbus RTU模式通信读写数据时，通信总线上总会存在一些信息干扰，造成信息的丢失或误读，为了降低通信过程信息的错误率，因此使用CRC(循环冗长检测) 校验码检验接收到的信息帧是否正确，CRC校验由于实现简单，检错能力强，被广泛使用在各种数据校验应用中。占用系统资源少，用软硬件均能实现，是进行数据传输差错检测地一种很好的手段，来保证通信的准确、可靠、安全进行。
CRC-16码由两个字节构成，在开始时CRC寄存器的每一位都预置为1，然后把CRC寄存器与8-bit的数据进行异或，之后对CRC寄存器从高到低进行移位，在最高位（MSB）的位置补零，而最低位（LSB，移位后已经被移出CRC寄存器）如果为1，则把寄存器与预定义的多项式码进行异或，否则如果LSB为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，第一个8-bit数据处理完毕，用此时CRC寄存器的值与下一个8-bit数据异或并进行如前一个数据似的8次移位。所有的字符处理完成后CRC寄存器内的值即为最终的CRC值。CRC校验的LabVIEW实现程序框图如图4.11所示。
图4.11 CRC校验实现程序框图
生成CRC-16校验字节的步骤如下：
(1)装入一个16位寄存器
(2)该16位寄存器
(3)把这个16寄存器向右移一位。
(4)若向右（标记位）移出的数位是1，则生成多项式1010000000000001和这个寄存器
(5)重复(3)和(4)，直至移出8位。
(6)另外8位与该十六位寄存器
(7)重复(3)~(6)，直至该报文
(8)这个16位寄存器的内容即2字节CRC错误校验，被加到报文
4.5本章小结
虚拟仪器技术把传统仪器与计算机技术、软件开发技术和总线技术应用于测控领域，使测试系统具有易开发易使用，可移植性高，自动化程度高，易维护等特点。
本章简要介绍了虚拟仪器技术的概念、特点和用途，也对图形化编程软件LabVIEW的编程方法进行了说明，对基于LabVIEW的汽车智能一键启动按钮性能测试系统的软件设计进行了总体的介绍。测试系统软件设计采用分层框架式分层结构，使测试系统功能全面、结构分明、重用性强。测试系统软件采用模块化设计思想，使测试系统的软件易维护和可扩展。另外，系统软件也能够适应产品功能的不断更新和升级。
同时本章在简要介绍Modbus RTU通信协议的基础上，运用LabVIEW软件编制相关的读取数据软件，在Modbus RTU协议下实现对汽车智能一键启动按钮性能数据的实时读取。
第五章 测试系统的实际应用
根据企业产品相关测试要求和生产标准，安全可靠的一键启动按钮在出厂时需要经过严格的性能和技术检测，主要包括LED相对亮度的测试、开关的连续性测试、静态电流测试、引脚电压电阻测试等，由于传统的手动检测方式已经无法满足越来越多的检测要求，而采用基于LabVIEW虚拟仪器平台开发的仪器控制、数据采集、信号处理构建的一套全自动测试系统，能够很好地实现对产品的快速、精确的测试。
本文设计的汽车智能一键启动按钮性能测试系统已经对某相关企业的产品进行了实际测试和应用。实际应用表明本检测系统能产品的性能进行全面、高效、准确的测试。下面对检测系统的实际使用进行具体说明。
5.1 汽车智能一键启动按钮性能测试要求
根据产品生产者提出的要求，电源断开时，要将测试夹具与模块连接，进行系统初始化，并设置如下条件：启动按钮点火打开；LIN总线禁用；气缸回到合适位置；设定引脚电压为12V。开始测试时，用万用表测试按钮的静态输出电流，要求小于1mA；进行LED测试OFF状态下的要求如表5.1所示，按钮按下时，各引脚间的电阻如表5.2所示。
表5.1 LED OFF状态下测试要求
测试项目 电流下限 电流上限 说明 变色
a b
1 STATUS1 CON101-1 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
2 STATUS2 CON101-4 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
3 ACC CON101-5 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
4 ON CON101-8 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
5 KEY_ILLUM CON101-6 0 75μA 测量标志的亮度和色度 X
表5.2 各引脚间电阻测试要求
测试项 电阻下限 电阻上限 说明 变阻
A
1 SW1 CON101-9/ GND CON101-12 0 1W 测量两个引脚间的电阻 X
2 SW2 CON101-11/ BATT CON101-2 0 1W 测量两个引脚间的电阻 X
进行LED ON状态下的测试要求如表5.3所示。
测试项目电流下限电流上限亮度下限亮度上限说明变色
ab
1STATUS1 CON101-14mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
2STATUS2 CON101-44mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
3ACC CON101-54mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
4ON CON101-84mA15mA500 cd/㎡5000 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
5KEY_ILLUM CON101-64mA15mA1.0 cd/㎡10 cd/㎡测量标志的亮度和色度X
表5.3 LED ON状态下测试要求
5.2汽车智能一键启动按钮性能测试程序
使用LabVIEW编写的测试系统，具有友好的人机界面，能够方便的显示所有测试数据，便于操作人员的读取，测试系统的主界面如图5.1所示。
图5.1 汽车智能一键启动按钮性能测试系统主界面
系统设计主要采用队列的编程方式，队列采用“先入先出的规则”。使用队列可以调整生产者和消费者的速度，其程序框图如图5.2所示。
图5.2 汽车智能一键启动按钮性能测试系统程序框图（部分）
5.2.1 检测产品放置程序设计
点击系统主界面的开始按钮后，在事件结构中将“check start”写入队列，系统读取队列进入“check start”模式。程序框图如图5.3所示。
图5.3 汽车智能一键启动按钮性能测试系统程序框图（部分）
通过对输入状态的读取，判读产品是否放置到位。产品放置状态的读取程序主界面和程序框图设计如图5.4(a)和(b)所示。
图5.4(a) 产品放置状态读取程序主界面
图5.4(b) 产品放置状态读取程序框图
5.2.2产品手动测试
测试系统提供手动测试不同项目的功能，手动测试通过调用PCI-2312板卡提供的开关量测试功能，实现对不同测试项目的切换，测试系统如图6.5所示。
图5.5 测试系统手动界面
5.2.3 产品合格测试
测试系统实时读取测试数据并于给定参考值进行比较，以此判断产品生产是否合格。测试数据读取程序程序框图如图5.6所示。
图5.6 产品合格检测程序框图
5.2.4产品数据存储
产品测试的结果，随时存入数据库，以备生产厂商调取查看。产品测试数据存储程序通过调用子程序来实现。存储程序的前面板与程序框图如图5.7(a)和5.7(b)所示。
图5.7(a) 产品数据存储程序前面板
图5.7(b）产品数据存储程序程序框图
5.2.5 产品测试数据
生产测试数据是产品生产测试的最终环节，是厂商对产品进行调查的最重要的部分，所以产品测试数据的保存需要重视，产品测试部分数据如图6.8所示。
图5.8 产品测试部分数据
通过图中的数据，我们可以清楚的知道测试的产品SN码，测试时间，LED ON/OFF状态下的ACC等数据。
5.3本章小结
本章介绍了汽车智能一键启动按钮性能测试系统生产中的实际应用，详细的说明了对测试功能的实际调试运行过程，而且罗列了部分测试结果，被测的产品大部分都合格，可以出厂使用。由该检测成功的实际应用知：该检测系统能够很好满足汽车智能一键启动按钮性能测试系统测试要求，具有开发成本低、测试方便、测试精度高、易维护易扩展等优点。
第六章 总结与展望
6.1总结
虚拟仪器在各种不同的行业中广受工程应用测量及控制的用户欢迎，这得益于其直观的图形化编程语言。在各生产单位、科研院所及高校实验室，在产品自动化测试、工业过程控制等环节中LabVIEW无处不在，特别是在测试领域，LabVIEW市场的占有率高达65%，远远超过了其他同类型的测试软件，都充分说明了LabVIEW非常的广泛和实用。它很好的利用计算机系统强大的数据分析、处理能力，在基础硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、传送、数据的分析、处理以及测试结果的转化、显示等，通过软、硬件的配合使用来代替传统仪器的各种功能，突破了传统仪器在数据分析、传送、显示、保存等方面的局限，使用户可以轻松地对仪器进行维护、扩展和升级。所以，虚拟仪器技术在低压电器测试测量方面具有非常广阔的应用前景。
本文介绍了一套运用LabVIEW虚拟仪器技术并结合相关硬件设计的汽车智能一键启动按钮性能测试系统，该系统在LabVIEW 虚拟仪器平台上，采用了工控机、数据采集卡等硬件和在LabVIEW 虚拟仪器平台上开发的软件构成一套汽车智能一键启动按钮性能测试系统，通过Modbus RTU协议实现工控机与被测产品的通讯。该系统结构简单、实时性高、易于扩展，具有一定的推广价值和应用前景。
6.2展望
随着我国改革开放的发展，社会的分工进一步细化，各个生产环节的联系和合作也不断深入，集成化和模块化的设计思想正被越来越多地应用到各个工业领域。把计算机控制技术、虚拟仪器技术以及现场总线技术综合地应用到汽车智能一键启动按钮性能测试系统中， 有利于提高系统的反应速度和自动化程度、可靠性及可维护性,操作人员可方便顺利的进行操作工作。
基于LabVIEW的虚拟仪器技术也在向更广泛的领域发展，比如把LabVIEW虚拟仪器技术应用到农业领域也有很大的发展空间。国外已经有在农业上应用的成功案例，国内目前应用的还很少，大多处于研究试验阶段。例如，利用LabVIEW开发农业气象实时监测系统，可以及时采集各种气象环境数据，为农业天气及灾害预报、病虫害预测预报以及农作物的栽培管理提供及时准确的信息。自动化、智能化、网络化和数字化将是今后农业发展的主要方向之一，而基于LabVIEW的虚拟仪器技术正是适应了这种现代农业的发展要求。因此，它将会在现代农业测试、农业自动化和农业信息化方面有所突破和发展。
基于LabVIEW的虚拟仪器技术将沿着多功能、高性能、集成化、网络化方向发展。首先，目前虚拟仪器在软硬件方面都制定了开放的工业标准，使其功能易于生产、维护和扩展，开发的价格大大减少，时间大大缩短。其次，性能将进一步提高。为了满足不同用户、不同领域的需求，LabVIEW的各项性能将不断的改善，越来越强。最后，随着网络技术的发展，基于LabVIEW的虚拟仪器技术也必将朝着集成化，网络化的方向发展。在不久的将来，虚拟仪器网络化的发展前景十分广阔。目前这一技术已经取得一定成果，远程联网监测分析技术也越来越得到重视。因此纵观现在，展望未来，虚拟仪器技术一定会在现代信息社会有长远的发展和新鲜的生命力。
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致谢
光阴流转，毕业论文暂告收尾，这也意味着我四年的大学生活既将结束。总结大学四年的生活，在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅，在这里需要的感谢的人很多很多。
本毕业论文的设计研究是在邹萍老师以及企业的工程师严桂的谆谆教导下顺利进行的，从论文的开始到最后的完成老师都给了我很多的帮助，在此向导师们表示由衷的感谢和深深的敬意。毕业设计的过程中，邹萍老师和负责指导我的企业导师严桂给我提供了很多宝贵的意见。我多阅读资料文献，多借鉴前人的研究成果，然后再着手写。在毕业设计设计过程中，我经常找邹萍老师和企业的导师沟通，他们都特别关心我的进展如何，遇到哪些问题，给我细心地指导和帮助； 论文写完以后，邹萍老师还精心审阅了我的写作初稿，大到内容结构，小到论文格式、标点符号，都给我提供了宝贵的修改意见，在老师的帮助下，加上自己认真的设计，我终于完成了毕业设计的工作。
所以我的论文从选题到结构安排，从内容结构到格式修饰，都凝聚了导师们的大量的心血，他们这种平实质朴的治学态度、认认真真的负责精神、平易近人的待人之道、以及对学生的关心使我深受感动，对我做人、做事、做学问都产生了深远的影响。在此，我向邹萍老师和企业的导师再次表示诚挚的谢意。
回首从毕业设计开始到进入最后论文的顺利完成，我得到多位老师和领导的大力支持，在此表示感谢，还有好多友好互助的同学和朋友们，谢谢你们，大学生涯马上结束，在校四年学到的种种，对马上走入社会工作的我，是一笔巨大的财富，我将继续奋斗，一路前行。
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