基于虚拟仪器的柴油发动机测控系统

发动机测试仪器经历了模拟仪器、数字化仪器和智能仪器三个阶段。模拟仪器的基本结构是由磁机械式的，采用模拟器件组成各种电路，精度低、速度慢、适应性差；而数字化仪器如数字转速表等，主要由数字电路来实现，在测试精度、速度和仪器寿命等方面都比模拟仪器有较大的提高。随着数字信号处理技术及大规模集成电路的发展，出现了以微机为核心的智能仪器，但由于其是以功能模拟的形式存在的，无论开发还是应用，都缺乏灵活性。20世纪80年代后期，微机性能是得到极大提高，而向测试分析的通用软件开发平台的成功应用，使得虚拟仪器应运而生。利用虚拟仪器技术，用户可以自定认义仪器的功能，创建32位编译程序，从而提高了常规数据采集和测试等任务的运行速度。

W40型电涡流测功器是华南农业大学从德国进口的测功设备。该测试设备的数字化水平较低，控制台均采用机械式按钮，且经过近二十年的连续运转，设备已严重老化，出现明显的零点漂移，部分测试电路板已出现故障，经多次修理仍不正常，严重影响了测试工作的正常进行。为此，在确保数据采集的精度和实时性、改善数据处理功能、提高易操作性和整个测试设备数字化水平的原理下，充分利用虚拟仪器的优势，对原有设备进行了更新和扩充，形成了一个测控系统。

1 系统硬件设计

1．1 系统硬件组成
测试系统的硬件组成主要包括NI公司的PCI-6024E型DAQ卡和SCXI信号调理模块。SCXI信号调理模块包括机座模块SCXI-1000、热电偶模块组SCXI-1125和SCXI-1328、应力应变模块组SCXI-1520和SCXI-1314等。系统结构图如图1所示。

测功能即为德国SCHENCK公司的W40型电涡流测功器，可测发动机最大功率40kW。测耗仪是自动设计的，利用电子天平称量燃油消耗量，通过RS232C（25芯接插件）与PC机连接。可烟度计和空气流量计均为第三方仪器，通过RS232C（9芯接插件）与PC机连接。

1．2 各组成单元功能及工况点控制 1．2．1 DQA卡

NI公司的PCI-6024E型DAQ卡是基于PCI总线的12位多功能数据采集卡，最高采样速率为200kS/s，具有16个单端模拟输入（或8个差分模拟输入），8个数字输入/输出，2个模拟输出，2个20MHz、24位计数器/定时器。

1.2.2 SCXI信号调理模块

NI公司的SCXI信号调理模块为DAQ卡提供一个完善的信号调理系统，有效高的灵活性和配置性能。

机座SCXI-1000是一个结构紧凑、低哭声的机箱，为调理模块提供电源、定时和触发等功能。

热电偶模块组SCXI-1125和SCXI-1328提供最高300Vrms的隔离、1～2000的增益、4Hz或10kHz的可编程模拟滤波器、冷端补偿等功能，终端还有铝质温板防止温度从接线紧杆传递，提高了冷端补偿的精度。

应力应变模块组SCXI-1520和SCXI-1314提供1～1000的增益、10Hz～10kHz的可编程模拟滤波器、0～10V的直流激励电压以及自动调零、桥路补偿等功能，还可以调理一般的模拟电压。

1．2．3 测功器和油门控制器

W40型电涡流测功能有四种工作方式：M方式、n方式、n-const方式和M-n2方式。最常用的是M方式和n-const方式，对应调整的对象分别为测功器的扭矩和转速。当选择external方式时，控制信号为0～10V。油门控制器由模拟电压控制的伺服电机构成，控制信号为0～10V。

1．2．4 工光点的控制

系统可根据设定的转速或扭矩通过DAQ卡输出控制电压给控制执行器和油门控制器，再通过测量结果进行反馈，即可实现试验工况点的控制，完成自定义的测试流程。其中，系统采用PID算法实现测功器的控制。

2 系统软件设计

2．1 编程思想

发动机试验需要在开始时通过怠速运转进行预热。预热完毕的标志是冷却水温度达到额定值。预热后，当速度稳定在设定值时，开始运行主程序，进行数据显示、处理和记录。运行主程序时，同时还调用烟度计和空气流量计子程序，进行同步采集、记录。当水温超过设定的极限值时，系统输出数字信号，启动扬声器报警并停机。系统程序流程图如图2所示。

2．2 用户界面

这里利用简单、易用、图形化的虚拟仪器软件LabVIEW编写操作界面。

主程序界面分为控制和显示两个区，实现对数据采集的控制和显示。显示部分包括扭矩、转速、温度、油耗等参量的显示，还包括超过极限亮灯显示、统计分析显示、日期时间显示等；控制部分包括各测量仪控制开关、采集速率、存储数据时间、PID参数值、极限值、初始值等的设置，如图3所示。

根据流程需要，编写了温度测试子程序和速度判断子程序，用于监控温度和速度状态。对于速度，用磁电和光电转速传感器同时测量，程序中设采样频率为5000Hz，采样数为5000，每秒显示、记录一个点，每8个点取一次平均，判断平均值误差是否在设定范围内而且持续一分钟以上。

2．3 功能模块

软件按功能可分为扭矩计、转速计、温度计、油耗仪、空气流量计、烟度计等测试模块，每个模块可独立使用，分别测试各单个内容。信号采集完成后，可以进行数据保存（直接存入EXCEL）、图表打印以及网页发布等操作。监控参数出现异常时，应报警并停机。

对于油耗测量，首先要在电子天平的菜单中对与外设有关的参数进行设置，如波特率、奇偶校验和握手信号等，然后用LabVIEW读取数据实现串口通讯。厂商为烟度计和空气流量计提供了相应软件，可通过LabVIEW利用system exec.vi调用流量计和烟度计的数据采集软件，并与LabVIEW主程序同步存储。另外，环境条件如大气压、温度、露点温度、相对湿度等可通过互联网从广州五山气象卫星观测站获得，而室内条件也要瑜空盒气压表、干湿球湿度计等仪器进行辅助测量。