仿真整车振动环境的实现方法

0.引言

        目前，中国的汽车工业正处于蓬勃发展的时期，厂商间的竞争愈发激烈和日趋白热化，汽车工业对于缩短开发周期，减少部件测试费用的需求迫在眉睫。然而同发达国家相比，中国在模拟仿真技术这一重要领域的应用水平落后于发达国家，这大大制约了我国汽车业的发展，所以如何构建理想的仿真测试环境，更好的对车载电子设备进行测试，成为了困扰厂商的一大技术难关。

        本文提供了一种方法，通过原始行车间振动信号的采集、特定算法分析、振动台振动信号输入等步骤，实现了在试验环境中完全仿真真实的整车振动环境。24位动态信号采集卡配合高精度的传感器，充分的保证了测得数据的精准性。设备核心部分应用程序使用了LabVIEW开发环境进行开发，其强大的调试功能和灵活的架构使我们可以对程序实现的功能进行修改和补充，从而更好适应测试的新需求。便携式工控机的设计，除了能更好的适应各种测量环境以外，保证了数据的可靠性以外，还为日后的扩展需求提供了可能性。

1.系统硬件设计

        如图1所示，该系统的硬件部分主要由传感器部分和数据采集部分两部分组成。

        传感器部分根据信号类别不同分为振动测试部分和油压测试部分，振动测试部分传感器选用的是IEPE型3轴加速度传感器，油压测试部分选用了IEPE型的压力传感器。IEPE型的传感器精度较高，保证了数据采集的精确性。并且其安装便捷，能够适应现场多变的环境。

        系统数据采集部分选用了NI的PCI-4472动态信号采集卡，板卡内置4~20mA的电流激励，方便了IEPE型传感器的连接，而且PCI-4472高达24bit的分辨率，110dB动态范围可以保证采集到加速度数据的精确性。系统的监控终端选用了便携式工控机，数据采集卡直接安装在工控机的PCI插槽上，工控机具有许多抗震抗干扰的设计，这使得整套系统能够适用于各种恶劣的测试环境。

2.系统软件设计

        该系统的应用软件使用 LabVIEW 开发，该程序提供了硬件配置，数据采集，信号分析到生成报表等一系列功能模块。

        在完成基本测试任务的同时，针对不同的汽车部件产品，通常还会有一些特殊的测试需求。以本次应用为例，在对汽车输油管进行振动测试的同时，还希望对输油管的油压信号进行采集分析。本套系统利用了数据采集卡多通道的特性以及应用程序配置的灵活性，很好的完成了对附加的油压信号的测试。

        PCI-4472总共支持8通道的数据采集，在通道数上能够满足附加测试的需求（加速度3通道，油压1通道），而NI 提供的驱动—DAQmx，也为实现在软件层面上配置采集参数创造了条件。应用程序提供了如图2所示的通道配置界面。

        通道配置界面中可以直接选择要使用的物理通道，配置通道的电流激励、采集信号的上下阈值、传感器的灵敏度换算或是采样率，应用程序会自动完成对硬件设备的配置。这些配置信息可以保存为配置文件，以方便在不同测试环境下进行实验。

3.信号处理方法

3.1算法及优化

        车辆在行进中产生的振动一般用一个各态历经的平稳随机信号作为模型，而要描述这样的一个随机振动，通常用频域统计的方法，即功率谱密度（Power Spectral Density，以下简称为PSD）。要在振动台上模拟真实环境中车辆的振动情况，就需要在振动台上输入振动的PSD谱。那么准确的获得车辆行进中振动信号的PSD谱就成为了仿真整车振动环境的关键。

        该系统中采用的计算功率谱的方法是周期图分析，设信号x[n]所加的窗函数为w[n]， L为加窗后截取的样本数，其傅里叶变换为

        那么作为一种功率谱估计的量

        其中常数U是预先考虑到在谱估计中为了消除偏差而进行归一化所需要的。当窗w[n]为矩形窗序列时，这种功率谱的估计器称为周期图。如果窗不是矩形的， 则称为修正周期图。

        在实际调试中发现：该种PSD谱估计的方法在L值取值较大时得到的结果并不理想，实际表现为在所有频率处均有较大的起伏，而该起伏与要得到好的功率谱估计的目标是不一致的，比较理想的情况是得到一个没有有估计过程引起随机变化的平滑谱估计。所以在系统中采用了平均周期图法进行了算法优化。具体做法是将信号x[n]分成K个等长（长度为L）的序列段，其中第r个序列段的周期图为

        周期图平均包括对K个周期图的估计 一起求平均，定义为

        从图4a和图4b可以看出，经过周期图平均法处理后的PSD谱，其平滑效果要优于处理之前。经多次实验后证明，K的取值越大，平滑效果越明显，但是相应的频域分辨率也会越低。一般根据实际需要调整K与L的取值。

3.2去噪处理

        考虑到实测环境的复杂性，以及振动信号本身的特点，该系统对可能产生的噪声从软、硬件两个方面进行了相应的处理。

        在硬件上，PCI-4472动态信号采集卡自带了抗混低通叠滤波器，能够有效滤除有效采样频率以上的噪声，使得系统从硬件层面上排除了大部分高频噪声的干扰，滤波器的频率阈值可以通过设置数据采集的采样率来控制。

        在软件上，应用程序提供了IIR与FIR两种数字滤波器，可以自定义高通、低通、带通、带阻以及梳状滤波多种滤波器类型对采集到的数据进行滤波处理，使得噪声的干扰降到最低。如图5a和图5b所示，如果采样率较高，信号仍然会混叠部分高频噪声。在用应用程序的低通滤波处理之后，获得了比较理想的结果。

4结语

        层出不穷的新技术不断地满足着新的测试需要，也使测试测量行业不得不面对新的挑战。振动测试所用的实验数据从传统的经验性的手工编辑变为了汽车行进中采集到的真实数据，测试环境从单一的实验室内测量变为了不同汽车行进中的实际测量。面对挑战，我们从测量对象和测量环境的特点出发，兼顾测量的精确性、可靠性和灵活性，提供了一套完整的测试测量的解决方案，从而为更好的对车载设备进行测试创造了条件。

参考文献：

        [1] 李行善,左毅,孙杰.自动测试系统集成技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

        [2] 孙忠元. 浅谈随机振动试验[J].中国航空学会控制与应用第八届学术年会中国航空学会控制与应用第八届学术年会论文集,1998,521-525.

        [3] Oppenheim, Alan V./ Schafer, Ronald W./ Buck, John R. Discrete-Time Signal Processing[M]. Prentice Hall,2005.