虛擬儀器技術在發動機測試中的應用

關鍵詞：虛擬儀器，LabWindows/CVI, 發動機，測試

1 引言

　　傳統的內燃機臺架實驗功能單一，測試效率低，實驗過程缺乏統一的數據處理系統。不同廠家生產的設備有不同的數據記錄格式，無論是軟件還是硬件都不兼容，因此不能共享軟硬件資源。產品開發周期長，設備升級能力及擴展性差，重復勞動較多，造成了較大的資源浪費。虛擬儀器技術是上世紀90年代初被提出并逐步付諸實現的。該技術利用少量的標準化硬件模塊加上功能強大的圖形化編程平臺，將計算機技術同儀器技術完美的結合起來，具有開發周期短、成本低、重復勞動少、易于應用新算法以及便于升級等特點。已在測控領域里得到了廣泛的應用。

　　虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI是美國NI（National Instruments）公司利用虛擬儀器技術開發的32位面向計算機測控領域虛擬儀器的軟件開發平臺。它以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語言平臺與用數據采集、分析和表達的測控專業工具有機地結合起來。它的集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發人員建立檢測系統、自動測量環境、數據采集系統、過程監控系統等提供了一個理想的軟件開發環境。

2 硬件系統的設計

　　系統的結構如圖1所示。整個系統大致由3部分組成：第一部分為傳感器和一次儀表，其功能是把發動機的性能參數通過傳感器轉化為相應的電信號，為了充分利用現有的資源，節約成本，對與轉矩和油耗等參數的測量，我們直接從測功機和油耗儀上的輸出端口引出信號線到信號調理模塊的接線端子上;第二部分為信號調理模塊和數據采集卡，其主要功能是對信號進行采樣、放大、A/D轉換，并把采集到的數據以一定的格式傳送給上位計算機;第三部分為計算機處理系統，其功能是實現數據的處理、顯示、存儲以及圖表打印等。

　　系統采用的是NI公司的Lab-PC-1200數據采集卡，這是一種性能優良的低價位適合PC機及其兼容機的采集卡。它能夠完成信號采集（A/D）、數字信號的模擬輸出（D/A）以及定時/計數等功能;具有8個模擬量輸入通道、兩個模擬量輸出通道、24個數字量I/O接口、3個16位的計數器。將數據采集卡插入計算機的PCI插槽中。在進行數據采集卡軟件驅動前，應進行參數設置，參數設置是通過NI公司提供的“Measurement & Automation”軟件實現的。

圖1 硬件結構圖

　　發動機實驗臺環境中存在著許多電磁干擾源，測試系統能否正常工作可靠地工作，關鍵在于有效地抑制外部噪聲。為了提高測試精度，在保證良好接地狀態的同時，將輸入信號線屏蔽，盡量縮短信號線的長度，并對轉換器采用了光電隔離技術，通過測試表明，即使不采用軟件濾波，也能達到實驗要求。

3 軟件系統的設計

　　軟件系統主要包括參數設置、數據采集與存儲、實驗結果顯示與打印、實驗過程演示等四大大部分組成。在此介紹各部分的功能以及實現方法。

　　3.1 參數設置部分

　　如圖2所示。由于發動機臺架實驗一般要做負荷特性、速度特性等好幾種實驗。在進入測試系統后，可以根據要求選擇所要做的實驗項目。為了保護實驗設備和人員安全，還可以根據不同的發動機設置轉速、機油溫度、冷卻水溫度以及排氣溫度的報警值。只要測得的實驗數據超過了所設置的報警值。就自動停機。

圖2 參數設置面板

　　3.2 數據采集與存儲

　　進入系統后，程序自動執行代碼中的ConnectToDDESevr函數，打開與數據庫的連接，以便與數據庫之間進行數據交換。在退出系統之前，還必須用函數DisconnectFromDDEServer斷開與數據庫的連接。通過對數據采集卡參數的設置，確定各路信號所對應的端口號。運用Utility Library（設置庫函數）中的Input Byte From Pot函數，從各端口讀取數，并通過ClientDDEWrite函數將數據存儲到指定的文件中。如圖（2）所示，在操作面板的Chart圖（圖3右上角）上，實時地顯示出采集到的的各路數據，并用不同的顏色來加以區分，使實驗人員很容易看出各個參數的變化情況。采集過程中，如果測得的某個數據超過了預先設置的報警值，系統立即進行聲光報警。

　　3.3 實驗結果顯示與打印

　　測試完畢后，執行函數ClientDDERead，將數據從數據文件中讀入內存，運用曲線擬合的最小二乘法，對數據進行曲線擬合，并將運算的結果顯示在操作面板的Graph圖上（圖3右下角）。打印可以采用兩種方式：如果只要打印發動機的特性曲線圖，可以采用隱式調用EXCEL數據表的方法，打開與數據庫的連接，然后調用函數PrintCurve打印操作面板上的Graph圖;如果要做實驗報表，既要出圖又要出數據，可以采用顯式調用EXCEL數據表的方法，在操作系統中直接激活數據文件。

圖3 負荷特性實驗操作面板

　　3.4 實驗過程演示

　　有時為了查找實驗過程中出現異?，F象原因，希望能夠象放電影一樣，隨時可以在計算機上再現實驗過程。我們設計的這套系統就可以實現這樣的功能。實驗的時候，系統采集數據的同時，自動記錄采集所用的總時間以及每組數據所對應的采集時刻，這些信息與數據組一起寫入數據庫中。需要再次觀察測量過程時，調出數據組，調用函數Timer，按照每組數據采集的先后順序，以一定的間隔時間（比如0.5秒）在虛擬儀表上顯示數據，同時在Chart圖上顯示曲線的變化。

4 結束語

　　本文開發的發動機臺架實驗測試系統實現了發動機性能實驗的數據自動采集和處理功能，具備以下兩方面的特色：

　　（1） 聲光報警系統可自動監測實驗狀況，保證了實驗系統和操作人員的安全;

　?。?） 在計算機上實現了實驗過程的再現性，為查找實驗過程的異常工況提供了保證。

參考文獻：

　　[1] 劉君華 主編，虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI教程，電子工業出版社，2001，8

　　[2] NI公司LabWindows/CVI User Manual, 2001

　　[3] 俞卞章 主編，數字信號處理，西北工業大學出版社，2002，8