虛擬儀器技術(shù)在發(fā)動機測試中的實際應(yīng)用

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

1 引言

　　傳統(tǒng)的內(nèi)燃機臺架實驗功能單一，測試效率低，實驗過程缺乏統(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)品開發(fā)周期長，設(shè)備升級能力及擴(kuò)展性差，重復(fù)勞動較多，造成了較大的資源浪費。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(jié)合起來，具有開發(fā)周期短、成本低、重復(fù)勞動少、易于應(yīng)用新算法以及便于升級等特點。已在測控領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)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(shù)開發(fā)的32位面向計算機測控領(lǐng)域虛擬儀器的軟件開發(fā)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(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(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)動機的性能參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，為了充分利用現(xiàn)有的資源，節(jié)約成本，對與轉(zhuǎn)矩和油耗等參數(shù)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(diào)理模塊的接線端子上;第二部分為信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡，其主要功能是對信號進(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算機;第三部分為計算機處理系統(tǒng)，其功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲以及圖表打印等。

　　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(shù)字信號的模擬輸出（D/A）以及定時/計數(shù)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(shù)字量I/O接口、3個16位的計數(shù)器。將數(shù)據(jù)采集卡插入計算機的PCI插槽中。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡軟件驅(qū)動前，應(yīng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置是通過NI公司提供的“Measurement & Automation”軟件實現(xiàn)的。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

　　發(fā)動機實驗臺環(huán)境中存在著許多電磁干擾源，測試系統(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。為了提高測試精度，在保證良好接地狀態(tài)的同時，將輸入信號線屏蔽，盡量縮短信號線的長度，并對轉(zhuǎn)換器采用了光電隔離技術(shù)，通過測試表明，即使不采用軟件濾波，也能達(dá)到實驗要求。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

　　軟件系統(tǒng)主要包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與存儲、實驗結(jié)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(xiàn)方法。

　　3.1 參數(shù)設(shè)置部分

　　如圖2所示。由于發(fā)動機臺架實驗一般要做負(fù)荷特性、速度特性等好幾種實驗。在進(jìn)入測試系統(tǒng)后，可以根據(jù)要求選擇所要做的實驗項目。為了保護(hù)實驗設(shè)備和人員安全，還可以根據(jù)不同的發(fā)動機設(shè)置轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)超過了所設(shè)置的報警值。就自動停機。

圖2 參數(shù)設(shè)置面板

　　3.2 數(shù)據(jù)采集與存儲

　　進(jìn)入系統(tǒng)后，程序自動執(zhí)行代碼中的ConnectToDDESevr函數(shù)，打開與數(shù)據(jù)庫的連接，以便與數(shù)據(jù)庫之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在退出系統(tǒng)之前，還必須用函數(shù)DisconnectFromDDEServer斷開與數(shù)據(jù)庫的連接。通過對數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)的設(shè)置，確定各路信號所對應(yīng)的端口號。運用Utility Library（設(shè)置庫函數(shù)）中的Input Byte From Pot函數(shù)，從各端口讀取數(shù)，并通過ClientDDEWrite函數(shù)將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并用不同的顏色來加以區(qū)分，使實驗人員很容易看出各個參數(shù)的變化情況。采集過程中，如果測得的某個數(shù)據(jù)超過了預(yù)先設(shè)置的報警值，系統(tǒng)立即進(jìn)行聲光報警。

　　3.3 實驗結(jié)果顯示與打印

　　測試完畢后，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，運用曲線擬合的最小二乘法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，并將運算的結(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)動機的特性曲線圖，可以采用隱式調(diào)用EXCEL數(shù)據(jù)表的方法，打開與數(shù)據(jù)庫的連接，然后調(diào)用函數(shù)PrintCurve打印操作面板上的Graph圖;如果要做實驗報表，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(xiàn)異?，F(xiàn)象原因，希望能夠象放電影一樣，隨時可以在計算機上再現(xiàn)實驗過程。我們設(shè)計的這套系統(tǒng)就可以實現(xiàn)這樣的功能。實驗的時候，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時，自動記錄采集所用的總時間以及每組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的采集時刻，這些信息與數(shù)據(jù)組一起寫入數(shù)據(jù)庫中。需要再次觀察測量過程時，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，以一定的間隔時間（比如0.5秒）在虛擬儀表上顯示數(shù)據(jù)，同時在Chart圖上顯示曲線的變化。

4 結(jié)束語

　　本文開發(fā)的發(fā)動機臺架實驗測試系統(tǒng)實現(xiàn)了發(fā)動機性能實驗的數(shù)據(jù)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(tǒng)可自動監(jiān)測實驗狀況，保證了實驗系統(tǒng)和操作人員的安全;

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