虚拟仪器技术在发动机测试中的应用

摘  要：利用NI公司开发的LabWindows/CVI作为开发平台，设计了一套发动机台架实验的测试系统。与传统的测试方法相比，即节省了成本，又提高了测试效率。

关键词：虚拟仪器，LabWindows/CVI, 发动机，测试

1 引言

　　传统的内燃机台架实验功能单一，测试效率低，实验过程缺乏统一的数据处理系统。不同厂家生产的设备有不同的数据记录格式，无论是软件还是硬件都不兼容，因此不能共享软硬件资源。产品开发周期长，设备升级能力及扩展性差，重复劳动较多，造成了较大的资源浪费。虚拟仪器技术是上世纪90年代初被提出并逐步付诸实现的。该技术利用少量的标准化硬件模块加上功能强大的图形化编程平台，将计算机技术同仪器技术完美的结合起来，具有开发周期短、成本低、重复劳动少、易于应用新算法以及便于升级等特点。已在测控领域里得到了广泛的应用。

　　虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI是美国NI（National Instruments）公司利用虚拟仪器技术开发的32位面向计算机测控领域虚拟仪器的软件开发平台。它以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。

2 硬件系统的设计

　　系统的结构如图1所示。整个系统大致由3部分组成：第一部分为传感器和一次仪表，其功能是把发动机的性能参数通过传感器转化为相应的电信号，为了充分利用现有的资源，节约成本，对与转矩和油耗等参数的测量，我们直接从测功机和油耗仪上的输出端口引出信号线到信号调理模块的接线端子上;第二部分为信号调理模块和数据采集卡，其主要功能是对信号进行采样、放大、A/D转换，并把采集到的数据以一定的格式传送给上位计算机;第三部分为计算机处理系统，其功能是实现数据的处理、显示、存储以及图表打印等。

　　系统采用的是NI公司的Lab-PC-1200数据采集卡，这是一种性能优良的低价位适合PC机及其兼容机的采集卡。它能够完成信号采集（A/D）、数字信号的模拟输出（D/A）以及定时/计数等功能;具有8个模拟量输入通道、两个模拟量输出通道、24个数字量I/O接口、3个16位的计数器。将数据采集卡插入计算机的PCI插槽中。在进行数据采集卡软件驱动前，应进行参数设置，参数设置是通过NI公司提供的“Measurement & Automation”软件实现的。

图1 硬件结构图

　　发动机实验台环境中存在着许多电磁干扰源，测试系统能否正常工作可靠地工作，关键在于有效地抑制外部噪声。为了提高测试精度，在保证良好接地状态的同时，将输入信号线屏蔽，尽量缩短信号线的长度，并对转换器采用了光电隔离技术，通过测试表明，即使不采用软件滤波，也能达到实验要求。

3 软件系统的设计

　　软件系统主要包括参数设置、数据采集与存储、实验结果显示与打印、实验过程演示等四大大部分组成。在此介绍各部分的功能以及实现方法。

　　3.1 参数设置部分

　　如图2所示。由于发动机台架实验一般要做负荷特性、速度特性等好几种实验。在进入测试系统后，可以根据要求选择所要做的实验项目。为了保护实验设备和人员安全，还可以根据不同的发动机设置转速、机油温度、冷却水温度以及排气温度的报警值。只要测得的实验数据超过了所设置的报警值。就自动停机。

图2 参数设置面板

　　3.2 数据采集与存储

　　进入系统后，程序自动执行代码中的ConnectToDDESevr函数，打开与数据库的连接，以便与数据库之间进行数据交换。在退出系统之前，还必须用函数DisconnectFromDDEServer断开与数据库的连接。通过对数据采集卡参数的设置，确定各路信号所对应的端口号。运用Utility Library（设置库函数）中的Input Byte From Pot函数，从各端口读取数，并通过ClientDDEWrite函数将数据存储到指定的文件中。如图（2）所示，在操作面板的Chart图（图3右上角）上，实时地显示出采集到的的各路数据，并用不同的颜色来加以区分，使实验人员很容易看出各个参数的变化情况。采集过程中，如果测得的某个数据超过了预先设置的报警值，系统立即进行声光报警。

　　3.3 实验结果显示与打印

　　测试完毕后，执行函数ClientDDERead，将数据从数据文件中读入内存，运用曲线拟合的最小二乘法，对数据进行曲线拟合，并将运算的结果显示在操作面板的Graph图上（图3右下角）。打印可以采用两种方式：如果只要打印发动机的特性曲线图，可以采用隐式调用EXCEL数据表的方法，打开与数据库的连接，然后调用函数PrintCurve打印操作面板上的Graph图;如果要做实验报表，既要出图又要出数据，可以采用显式调用EXCEL数据表的方法，在操作系统中直接激活数据文件。

图
3 负荷特性实验操作面板

　　3.4 实验过程演示

　　有时为了查找实验过程中出现异常现象原因，希望能够象放电影一样，随时可以在计算机上再现实验过程。我们设计的这套系统就可以实现这样的功能。实验的时候，系统采集数据的同时，自动记录采集所用的总时间以及每组数据所对应的采集时刻，这些信息与数据组一起写入数据库中。需要再次观察测量过程时，调出数据组，调用函数Timer，按照每组数据采集的先后顺序，以一定的间隔时间（比如0.5秒）在虚拟仪表上显示数据，同时在Chart图上显示曲线的变化。

4 结束语

　　本文开发的发动机台架实验测试系统实现了发动机性能实验的数据自动采集和处理功能，具备以下两方面的特色：

　　（1） 声光报警系统可自动监测实验状况，保证了实验系统和操作人员的安全;

　　（2） 在计算机上实现了实验过程的再现性，为查找实验过程的异常工况提供了保证。

参考文献：

　　[1] 刘君华 主编，虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI教程，电子工业出版社，2001，8

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

　　[3] 俞卞章 主编，数字信号处理，西北工业大学出版社，2002，8