虛擬儀器技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中的應(yīng)用

摘  要：利用NI公司開(kāi)發(fā)的LabWindows/CVI作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，即節(jié)省了成本，又提高了測(cè)試效率。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器，LabWindows/CVI, 發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試

1 引言

　　傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)功能單一，測(cè)試效率低，實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備有不同的數(shù)據(jù)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(zhǎng)，設(shè)備升級(jí)能力及擴(kuò)展性差，重復(fù)勞動(dòng)較多，造成了較大的資源浪費(fèi)。虛擬儀器技術(shù)是上世紀(jì)90年代初被提出并逐步付諸實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)利用少量的標(biāo)準(zhǔn)化硬件模塊加上功能強(qiáng)大的圖形化編程平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)同儀器技術(shù)完美的結(jié)合起來(lái)，具有開(kāi)發(fā)周期短、成本低、重復(fù)勞動(dòng)少、易于應(yīng)用新算法以及便于升級(jí)等特點(diǎn)。已在測(cè)控領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用。

　　虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/CVI是美國(guó)NI（National Instruments）公司利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)的32位面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它以ANSI C為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與用數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它的集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)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(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)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(jī)的性能參數(shù)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，為了充分利用現(xiàn)有的資源，節(jié)約成本，對(duì)與轉(zhuǎn)矩和油耗等參數(shù)的測(cè)量，我們直接從測(cè)功機(jī)和油耗儀上的輸出端口引出信號(hào)線到信號(hào)調(diào)理模塊的接線端子上;第二部分為信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡，其主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、放大、A/D轉(zhuǎn)換，并把采集到的數(shù)據(jù)以一定的格式傳送給上位計(jì)算機(jī);第三部分為計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，其功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲(chǔ)以及圖表打印等。

　　系統(tǒng)采用的是NI公司的Lab-PC-1200數(shù)據(jù)采集卡，這是一種性能優(yōu)良的低價(jià)位適合PC機(jī)及其兼容機(jī)的采集卡。它能夠完成信號(hào)采集（A/D）、數(shù)字信號(hào)的模擬輸出（D/A）以及定時(shí)/計(jì)數(shù)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(shù)字量I/O接口、3個(gè)16位的計(jì)數(shù)器。將數(shù)據(jù)采集卡插入計(jì)算機(jī)的PCI插槽中。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡軟件驅(qū)動(dòng)前，應(yīng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置是通過(guò)NI公司提供的“Measurement & Automation”軟件實(shí)現(xiàn)的。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

　　發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)環(huán)境中存在著許多電磁干擾源，測(cè)試系統(tǒng)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(cè)試精度，在保證良好接地狀態(tài)的同時(shí)，將輸入信號(hào)線屏蔽，盡量縮短信號(hào)線的長(zhǎng)度，并對(duì)轉(zhuǎn)換器采用了光電隔離技術(shù)，通過(guò)測(cè)試表明，即使不采用軟件濾波，也能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　軟件系統(tǒng)主要包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與打印、實(shí)驗(yàn)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(xiàn)方法。

　　3.1 參數(shù)設(shè)置部分

　　如圖2所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)一般要做負(fù)荷特性、速度特性等好幾種實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)后，可以根據(jù)要求選擇所要做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人員安全，還可以根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度、冷卻水溫度以及排氣溫度的報(bào)警值。只要測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)超過(guò)了所設(shè)置的報(bào)警值。就自動(dòng)停機(jī)。

圖2 參數(shù)設(shè)置面板

　　3.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

　　進(jìn)入系統(tǒng)后，程序自動(dòng)執(zhí)行代碼中的ConnectToDDESevr函數(shù)，打開(kāi)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，以便與數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在退出系統(tǒng)之前，還必須用函數(shù)DisconnectFromDDEServer斷開(kāi)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)的設(shè)置，確定各路信號(hào)所對(duì)應(yīng)的端口號(hào)。運(yùn)用Utility Library（設(shè)置庫(kù)函數(shù)）中的Input Byte From Pot函數(shù)，從各端口讀取數(shù)，并通過(guò)ClientDDEWrite函數(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)，并用不同的顏色來(lái)加以區(qū)分，使實(shí)驗(yàn)人員很容易看出各個(gè)參數(shù)的變化情況。采集過(guò)程中，如果測(cè)得的某個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)了預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值，系統(tǒng)立即進(jìn)行聲光報(bào)警。

　　3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與打印

　　測(cè)試完畢后，執(zhí)行函數(shù)ClientDDERead，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)文件中讀入內(nèi)存，運(yùn)用曲線擬合的最小二乘法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并將運(yùn)算的結(jié)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(jī)的特性曲線圖，可以采用隱式調(diào)用EXCEL數(shù)據(jù)表的方法，打開(kāi)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，然后調(diào)用函數(shù)PrintCurve打印操作面板上的Graph圖;如果要做實(shí)驗(yàn)報(bào)表，既要出圖又要出數(shù)據(jù)，可以采用顯式調(diào)用EXCEL數(shù)據(jù)表的方法，在操作系統(tǒng)中直接激活數(shù)據(jù)文件。

圖
3 負(fù)荷特性實(shí)驗(yàn)操作面板

　　3.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程演示

　　有時(shí)為了查找實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)異常現(xiàn)象原因，希望能夠象放電影一樣，隨時(shí)可以在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。我們?cè)O(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)這樣的功能。實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，自動(dòng)記錄采集所用的總時(shí)間以及每組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的采集時(shí)刻，這些信息與數(shù)據(jù)組一起寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。需要再次觀察測(cè)量過(guò)程時(shí)，調(diào)出數(shù)據(jù)組，調(diào)用函數(shù)Timer，按照每組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，同時(shí)在Chart圖上顯示曲線的變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理功能，具備以下兩方面的特色：

　?。?） 聲光報(bào)警系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)狀況，保證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和操作人員的安全;

　?。?） 在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的再現(xiàn)性，為查找實(shí)驗(yàn)過(guò)程的異常工況提供了保證。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 劉君華 主編，虛擬儀器編程語(yǔ)言LabWindows/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(shù)字信號(hào)處理，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002，8