虛擬儀器技術(shù)在發(fā)動(dòng)機測試中的應用

摘  要：利用NI公司開(kāi)發(fā)的LabWindows/CVI作為開(kāi)發(fā)平臺，設計了一套發(fā)動(dòng)機臺架實(shí)驗的測試系統。與傳統的測試方法相比，即節省了成本，又提高了測試效率。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器，LabWindows/CVI, 發(fā)動(dòng)機，測試

1 引言

　　傳統的內燃機臺架實(shí)驗功能單一，測試效率低，實(shí)驗過(guò)程缺乏統一的數據處理系統。不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的設備有不同的數據記錄格式，無(wú)論是軟件還是硬件都不兼容，因此不能共享軟硬件資源。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，設備升級能力及擴展性差，重復勞動(dòng)較多，造成了較大的資源浪費。虛擬儀器技術(shù)是上世紀90年代初被提出并逐步付諸實(shí)現的。該技術(shù)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(shù)同儀器技術(shù)完美的結合起來(lái)，具有開(kāi)發(fā)周期短、成本低、重復勞動(dòng)少、易于應用新算法以及便于升級等特點(diǎn)。已在測控領(lǐng)域里得到了廣泛的應用。

　　虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/CVI是美國NI（National Instruments）公司利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺。它以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺與用數據采集、分析和表達的測控專(zhuān)業(yè)工具有機地結合起來(lái)。它的集成化開(kāi)發(fā)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(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立檢測系統、自動(dòng)測量環(huán)境、數據采集系統、過(guò)程監控系統等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2 硬件系統的設計

　　系統的結構如圖1所示。整個(gè)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(fā)動(dòng)機的性能參數通過(guò)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(xiàn)到信號調理模塊的接線(xiàn)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(jìn)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(shí)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(yōu)良的低價(jià)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(shí)/計數等功能;具有8個(gè)模擬量輸入通道、兩個(gè)模擬量輸出通道、24個(gè)數字量I/O接口、3個(gè)16位的計數器。將數據采集卡插入計算機的PCI插槽中。在進(jìn)行數據采集卡軟件驅動(dòng)前，應進(jìn)行參數設置，參數設置是通過(guò)NI公司提供的“Measurement & Automation”軟件實(shí)現的。

圖1 硬件結構圖

　　發(fā)動(dòng)機實(shí)驗臺環(huán)境中存在著(zhù)許多電磁干擾源，測試系統能否正常工作可靠地工作，關(guān)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(tài)的同時(shí)，將輸入信號線(xiàn)屏蔽，盡量縮短信號線(xiàn)的長(cháng)度，并對轉換器采用了光電隔離技術(shù)，通過(guò)測試表明，即使不采用軟件濾波，也能達到實(shí)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(shí)驗結果顯示與打印、實(shí)驗過(guò)程演示等四大大部分組成。在此介紹各部分的功能以及實(shí)現方法。

　　3.1 參數設置部分

　　如圖2所示。由于發(fā)動(dòng)機臺架實(shí)驗一般要做負荷特性、速度特性等好幾種實(shí)驗。在進(jìn)入測試系統后，可以根據要求選擇所要做的實(shí)驗項目。為了保護實(shí)驗設備和人員安全，還可以根據不同的發(fā)動(dòng)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(shí)驗數據超過(guò)了所設置的報警值。就自動(dòng)停機。

圖2 參數設置面板

　　3.2 數據采集與存儲

　　進(jìn)入系統后，程序自動(dòng)執行代碼中的ConnectToDDESevr函數，打開(kāi)與數據庫的連接，以便與數據庫之間進(jìn)行數據交換。在退出系統之前，還必須用函數DisconnectFromDDEServer斷開(kāi)與數據庫的連接。通過(guò)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(guò)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(shí)時(shí)地顯示出采集到的的各路數據，并用不同的顏色來(lái)加以區分，使實(shí)驗人員很容易看出各個(gè)參數的變化情況。采集過(guò)程中，如果測得的某個(gè)數據超過(guò)了預先設置的報警值，系統立即進(jìn)行聲光報警。

　　3.3 實(shí)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(xiàn)擬合的最小二乘法，對數據進(jìn)行曲線(xiàn)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(fā)動(dòng)機的特性曲線(xiàn)圖，可以采用隱式調用EXCEL數據表的方法，打開(kāi)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(shí)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(shí)驗操作面板

　　3.4 實(shí)驗過(guò)程演示

　　有時(shí)為了查找實(shí)驗過(guò)程中出現異?，F象原因，希望能夠象放電影一樣，隨時(shí)可以在計算機上再現實(shí)驗過(guò)程。我們設計的這套系統就可以實(shí)現這樣的功能。實(shí)驗的時(shí)候，系統采集數據的同時(shí)，自動(dòng)記錄采集所用的總時(shí)間以及每組數據所對應的采集時(shí)刻，這些信息與數據組一起寫(xiě)入數據庫中。需要再次觀(guān)察測量過(guò)程時(shí)，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(shí)間（比如0.5秒）在虛擬儀表上顯示數據，同時(shí)在Chart圖上顯示曲線(xiàn)的變化。

4 結束語(yǔ)

　　本文開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機臺架實(shí)驗測試系統實(shí)現了發(fā)動(dòng)機性能實(shí)驗的數據自動(dòng)采集和處理功能，具備以下兩方面的特色：

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

　?。?） 在計算機上實(shí)現了實(shí)驗過(guò)程的再現性，為查找實(shí)驗過(guò)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(yǔ)言L(fǎng)abWindows/CVI教程，電子工業(yè)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(yè)大學(xué)出版社，2002，8