虚拟仪器在汽车发动机台架试验中的应用(毕业论文)(二)

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燃油经济性测试。美国的Tsvetozar Georgiev博士在《A Virtual Instrument for Automobiles'Fuel Comsumption Investigation》[4]一文中提出，使用Labview软件作为开发平台。这套虚拟仪器根据运动时间将汽车的燃油消耗数据化和可视化，并可以很容易的作为一个模块用于更加复杂的汽车测试系统中。
1.3.2 台架试验应用
传动系冲击性能检测系统台架。《基于虚拟仪器的汽车传动系冲击性能检测系统》[5]（陈延伟，高智，王跃光）一文中，选用研华工控机为系统的上位机，并选用用性能较好的64位RISC高性能RAID处理器。系统拥有一条全长PCI插槽可以用于数据采集卡的安装。数据采集控制卡选用研华PCI21714。该检测系统具有良好的操作界面，简单易用，检测精度较高，系统运行稳定、可靠。
混合动力汽车试验台架。《基于虚拟仪器的混合动力汽车试验台架研究》[6]（钱向明，徐澍敏）试验台架硬件部分主要由测功机、工控机、CAN卡、数据采集卡、超级电容、踏板行程传感器、油耗仪组成。软件部分用N I公司图形编程语言软件LabVIEW7.1为设计平台开发的虚拟仪器，主要包括数据采集、数字信号处理以及帧解析几大模块。试验表明，该试验台架能够实时检测出混合动力汽车工作性能状态，可以作为混合动力汽车关键技术检测的一种手段。
1.3.3 故障诊断应用
齿轮箱故障诊断仪。《基于虚拟仪器技术的汽车齿轮箱故障诊断仪》[7]（陈刚，秦树人，鞠萍华）将传统的齿轮箱故障诊断技术与现代虚拟仪器技术相结合，测试其箱体振动信号，并用时域分析、频谱分析和解调谱分析等信号处理方法，实现了对齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共振、断齿等故障的诊断。
1.3.4汽车电子系统开发应用
（1）汽车防撞报警系统。《基于LabVIEW的汽车防撞报警系统的设计》[8]（张大彪，于化龙）针对交通安全问题，设计了一种基于虚拟仪器的汽车防碰撞报警系统。给出了系统硬件、软件的设计方法和主要实验数据。该系统采用LabVIEW7.0编程，配合FMCW雷达传感器和高性能数据采集卡，实现对前方车辆距离、速度的动态监测，当预见到有碰撞危险是，自动发出警示信息。实验结果证明了系统的有效性。
（2）汽车ABS试验系统[9]。对ABS的控制策略进行了研究和分析。重点设计和开发了ABS研究试验系统，该试验系统由动力传动部分、故障诊断模块和数据采集模块组成。数据采集软件系统用N I公司的Labview编写。软件系统由数据采集模块与分析模块、制动距离测量模块和故障诊断模块组成。
1.4 本文的主要研究内容
根据发动机台架试验，结合虚拟仪器技术，选择系统的硬件组成，设计台架试验的构建方案。
使用LabVIEW完成试验系统前面板制作，确定输入输出端口和显示项目。
完成程序编制，实现测试、数据处理和图形化输出功能。
完成模拟信号产生模块，使程序可以仿真运行。
完善数据图形保存打印等功能。
运行和调试程序，完成仿真实验。
2 汽车发动机台架试验概述
2.1汽车发动机试验台架的组成和工作原理
发动机台架试验，是总成台架试验中最重要的一种试验。它将发动机安装在专门的发动机试验台上，让发动机带动测功机运转。通过改变测功机的负荷，测定发动机在各种工况下的性能和可靠性。
发动机试验台一般设在发动机试验室内，备有测功机(水力或电力)、燃油供应系统、进气系统、供水冷却系统、排气系统、隔音设施、测量仪器仪表系统及控制室。

图2.1 发动机台架简图
发动机：待测发动机，固定在台架底板上
测功仪：与发动机主轴通过万向节连接，形成发动机的负荷并能测量发动机的功率
转速表：连接在测公仪的输出端，侧量发动机输出转速
油耗仪：串联在发动机的燃油供给系统管路中，可以准确地测量出随着时间燃油的消耗量
空气流量计：在发动机的进气系统中测量发动机的空气吸入量
冷却水系统：为发动机提供冷却水的闭环循环系统
排气系统：将燃烧产生的废气直接导出试验室，并进行适当的废气处理
通过发动机台架试验，可以测定发动机的动力性能(如全负荷时的转速特性一外特性，部分负荷转速特性)、经济性能(单位燃油消耗量)、机械摩擦损耗、启动性能、可靠性等等。为了测定发动机的可靠性耐久性，通常需要对发动机进行几百小时的多次循环试验和上百小时的强化试验。
2.3 试验台架的特点
发动机台架试验是汽车发动机测试中的重要内容，通过发动机台架试验，可以测定发动机的动力性能(如全负荷时的转速特性一外特性，部分负荷转速特性)、经济性能(单位燃油消耗量)、机械摩擦损耗、启动性能、可靠性等等。
但是发动机试验台架需要设在专门的发动机试验室内，并配备测功机(水力或电力)、燃油供应系统、进气系统、供水冷却系统（包含冷却水塔）、排气系统、隔音设施、测量仪器仪表系统及控制室。结构复杂，各种管线繁多，且试验时由于关键因素较多，不容易保证多次试验条件的一致性。
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。
在使用传统方法进行发动机台架的各项试验中，在操作测功仪和油门行程机构的同时，需要对温度表、气压表、烟度计、空气流量计等多个仪表进行读取和记录，记录表格复杂，出现操作和记录误差的几率高，后期的数据处理和绘制图表过程复杂。
因此，我们需要一种准确、高效的方法，代替手工操作来进行数据读取、记录、运算的工作。虚拟仪器为我们提供了可能。
2.3 发动机负荷特性试验
2.3.1 发动机负荷特性的含义
在了解负荷特性前，首先要知道有效比燃油消耗量是什么。衡量汽车耗油量大小一般用汽车在规定的速度下行驶100公里路程的实际耗油量（升）计算。例如汽车技术参数上常见有“90公里/小时等速”时100公里耗油量的参数，这是衡量汽车经济性指标。衡量发动机经济性指标，工程技术人员用有效比燃油消耗量这一个指标，简称油耗率，用be表示，它指每小时单位有效功率消耗的燃油量，单位是g/kw·h。
发动机诸性能特性中有一个叫做负荷特性，它是指当发动机转速一定时，经济性指标的有效比燃油消耗量随发动机负荷的变化关系。利用这一变化曲线，可最全面地确定发动机在各种负荷和转速时的经济性。
2.3.2 发动机负荷特性的特点和测试方法
发动机分为汽油机和柴油机两大类。汽油机是依靠节气门调节负荷的，因此汽油机负荷特性又称节流特性；柴油机是靠改变喷油量来调节负荷的，通过喷油量变化改变混合气成份，因此柴油机负荷特性又称燃油调整特性。
由于发动机转速是经常变化的，需要测定发动机不同转速下的负荷特性，才能全面评价不同转速和不同负荷下发动机的燃油经济性。发动机负荷特性的读取在试验台架上进行。以汽油机为例，启动发动机后逐渐开启节气门，直至最大，同时调节载荷使发动机保持某一转速稳定运行，测定此工况下发动机输出功率及燃油消耗量。然后再关小节气门，调整载荷使发动机保持转速不变再测定。如此依次进行下去，直到发动机能保持稳定工作的最小节气门开度，得到不同负荷和转速下的燃油消耗量。不同转速下的发动机负荷特性曲线变化的趋势是差不多，只是具体数值的不同。
普通汽油机负荷特性曲线的特征，开始启动时be最大（此时需要浓混合气），但随节气门逐渐开启负荷增大而be减少直至最低点，此时节气门接近全开。继续开大节气门，be又会开始上升，曲线呈现一条内凹抛物线。曲线的最小be值越低越好，同时be随负荷的变化越平缓，发动机在不同负荷下工作的经济牲越好。从曲线的形状，可以分析出哪一个负荷区域是最经济的。

汽油机负荷特性曲线柴油机负荷特性曲线
图2.2 汽油机和柴油机负荷特性曲线图

3 虚拟仪器技术概述
3.1 虚拟仪器系统的组成和特点
虚拟仪器是传统仪器与计算机技术深层次结合的产物，它由计算机、软件包、仪器硬件组成。其基本思想是用计算机管理和组织仪器系统，通过应用程序将计算机与通用模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，完成数据采集、分析、显示和存储等功能。相对于传统仪器，虚拟仪器具有价格低、重复用、可重配置性强、开放、灵活等优势基于虚拟仪器的测量技术在机械测试、汽车试验等方面得到了很好的应用。
3.1.1 虚拟仪器的硬件结构
虚拟仪器测试系统是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形化用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操控的模块化仪器系统。从构成要素讲，虚拟仪器测试系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC—DAQ测试系统．以GPIB，VXI，PXI，Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式：无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台上，有了计算机硬件平台，虚拟仪器还必须配备外围硬件设备，如各种计算机内置插卡或外置测试设备以及相应的传感器，才能构成完整的硬件系统。[10]
3.1.2 虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器软件结构主要包含两个层次：用户应用程序和设备驱动程序。其中，用户应用程序是用户为实现特定的目的而编写的程序；设备驱动程序是联系用户应用程序与底层硬件设备的基础。虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通信，并以虚拟仪器面板的形式在显示器上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。在这些控件中集成了对应仪器的程控信息，所以用户用鼠标操作虚拟仪器面板就如同操作一台自己定义、自己设计的测量仪器一样真实、方便。
3.1.3 虚拟仪器的特点与应用
虚拟仪器技术使现代测控系统更灵活、更紧凑、更经济、功能更强;而图形编程方式使系统软件开发更省时、更省力、更容易；无论是测量、测试、计量，或是工业过程控制和分析处理，还是其它更为广泛的测控领域，虚拟仪器都是理想的高效率的解决方案。
随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大、设备数量繁多。然而在集成的虚拟测量系统中，测量人员不仅从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。
虚拟仪器的应用使设备成本大幅降低。一套完整的传统实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。
在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化，无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合，使数据的获取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间的宽广。
在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。极大部分闭环控制系统要求精确的采样、及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力使其在汽车测试系统、温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。
远程测控是虚拟仪器的重要发展方向
基丁lnternet的远程测控是现代测试技术和虚拟仪器技术的发展方向之一。LabVIEW具有强大的网络通信功能，这使得用户可以编写出功能强大的具有刚络通信能力的LabVIEW应用软件，以实现远程洲控。具体可以通过以下儿种方式实现网络化测控：1）利用Windows系统的远程桌面，2）利用DalaSocket技术实现数据共享，3）利用网络协议进行通信，4）最直接的NI远程发布。[11]
3.2 虚拟仪器系统的总线接口技术
3.2.1 PC总线系统虚拟仪器
基于PC的仪器在20世纪80年代后期开始流行，那时有几百家小公司为IBMPC生产各式各样的时域采集插卡，起始是为ISA总线，然后是为EISA。基于PC的仪器在价格方面比其它体系结构有明显的优势，它们能方便地使用现有的计算机主板作电源和数据传输。这种方法自然能实现高速插卡到计算机存储器的数据传输。在某些场合，PC插卡还能直接对存储器进行高速传输而不需要CPU介入。对只需较少测量通道的应用，这些插卡提供了最低价格的实现方法。PC插卡的缺点在于所处的计算机环境。这一环境决不是为要求大功率、高质量冷却、仔细考虑RFI/EMI屏蔽的复杂而精密的仪器所设计。插卡的连线也可能受所用的计算机型号的限制。[12]
3.2.2 VXI总线系统虚拟仪器
VXI是一种模块化仪器的标准。其具有稳定电源、强劲的冷却能力及严格的RFI/EMI屏幕。自测试功能使每一模块在运行前经过校验。设计良好的软件协议确保了正确的总线仲裁。主要的数据采集公司都把VXI用于它们最精确的高性能系统。在一个VXI机架上可插入多达13块插卡。VXI允许把机架连到一起，构成数千个通道的数据采集系统。带有引线连接器的VXI插卡设计，方便了接入，使它成为经常需要改变测量接线这类工作场合的普遍选择。在时间因素十分关键的应用中，VXI配置的系统能方便地断开有数百个接点的终端块，更换插卡，无需重新接线。C尺寸VXI的面积约为PC 插卡的两倍，能为更多的信号提供调节，数据转换可直接在VXI卡上进行。通过所插的信号调理子板，能在一块VXI卡上执行多种测量。HPE1419A智能测量和控制卡可不需要计算机介入而进行实时分析和判定。使用100MHz的VXI局部总线，数据可在插卡之间传输，以进行附加的处理或在其他VXI插卡上高速存储。高速总线、触发线和智能VXI插卡的组合使VXI成为实时多通道应用的一种优选方案。
3.2.3 PXI总线系统虚拟仪器
PXI标准吸取了PC机技术、Windows图形化操作系统和仪器技术的特点，把这些技术相结合并且使高速PCI技术和抗恶劣工业环境性能相适应。PXI的出现使应用PC平台组建测量与自动化系统变得轻而易举。PXI是在VXI总线技术之后出现的，它吸取了VXI总线的技术特点和优势。VXI总线技术是在工业标准VME总线和程控仪器标准IEEE488协议基础上发展起来的接口总线技术，实现了模块化仪器接口总线技术，实现了模块化仪器结构，具有数据吞吐快、模块化结构好、开放性强、即插即用等特点。
3.3 虚拟仪器软件开发平台LabVIEW
3.3.1 LabVIEW的含义
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器集成环境）是一种图形化的编程语言（又称G语言），它是由美国NI公司推出的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。
LabVIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和一起控制软件。LabVIEW集成了GPIB，VXI，RS-223C，USB的硬件和数据采集卡通信的全部功能，而且它还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。因此，LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地组建自己的虚拟仪器。

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