基于虛擬儀器技術(shù)的汽車尾氣檢測系統(tǒng)

摘要：為了監(jiān)測和防治汽車尾氣排放所造成的環(huán)境污染，本文介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的汽車尾氣檢測系統(tǒng)。首先介紹了檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了一種以美國NI公司推出的圖形化編程語言LabVIEw8．2為開發(fā)環(huán)境，利用德國西門子公司生產(chǎn)的VS5067-5為尾氣分析儀進(jìn)行汽車尾氣檢測系統(tǒng)設(shè)計的方法。文中尤其對工控計算機(jī)和VS5067-5串行通信程序的LabVIEW8．2實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)際測試結(jié)果表明，所述方法方便實(shí)用，有推廣應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：汽車尾氣；檢測系統(tǒng)；串行通信；虛擬儀器

0 引言
    近幾年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，汽車保有量大幅度增加。汽車在給人們?nèi)粘Ｉ顜肀憷耐瑫r，也帶來了嚴(yán)峻的環(huán)境問題。汽車尾氣中的CO，HC化合物等有害氣體，已成為空氣污染的主要來源。因此，監(jiān)測與防治汽車的排氣污染，是治理環(huán)境污染的一項(xiàng)重要任務(wù)。
    要控制機(jī)動車的排氣污染，首先是要做好檢測工作。在我國，從1999年開始，就制訂了一系列相應(yīng)法規(guī)，嚴(yán)格控制汽車尾氣的排放。2005年頒布了GB 18285-2005《點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測量方法》新的國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中除了對汽車在怠速和高怠速工況下排氣污染物的測量方法作了要求外，還對每種類型的汽車排氣污染物排放限值作了明確的規(guī)定。
    汽車排氣污染物主要檢測參數(shù)有：CO(一氧化碳)，HC(碳?xì)浠衔?，CO2(二氧化碳)，O2(氧氣)，NO(一氧化氮)等。

1 檢測系統(tǒng)的組成
   基于虛擬儀器技術(shù)的汽車尾氣檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    檢測系統(tǒng)主要由尾氣分析儀、I／O接口卡、紅外對射光電開關(guān)、LED顯示屏以及工控計算機(jī)等組成。尾氣分析儀選用德國西門子公司的VS5067-5汽車尾氣分析儀，該儀器的核心部件是采用西門子公司的紅外光學(xué)傳感器，其工作原理是根據(jù)不同氣體所具有的特征吸收譜帶和特征頻率，在特征頻率附近的光譜帶產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，根據(jù)氣體紅外光譜吸收的強(qiáng)弱，檢測分析出汽車尾氣的成分和含量。該儀器可檢測汽車尾氣中CO、HC、CO2、O2、NO五種氣體的濃度和發(fā)動機(jī)油溫、轉(zhuǎn)速等汽車工作參數(shù)，測量數(shù)據(jù)由儀器面板上的液晶顯示屏顯示，并配有標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口與工控計算機(jī)連接，通過串口可接收測量命令并輸出測試結(jié)果。
    工控計算機(jī)上擴(kuò)展的I／O接口卡主要用來接收紅外對射光電開關(guān)的開、關(guān)狀態(tài)，用來判斷被檢車輛是否到位。紅外對射光電開關(guān)選用歐母龍E3JK-5M型，其紅外對射距離為5m。紅外發(fā)射光電管和紅外接收光電管分別安裝在汽車檢測線的兩邊。當(dāng)紅外發(fā)射管沒有被遮擋時，接收光電管為常閉狀態(tài)，當(dāng)被檢車輛行駛到檢測工位遮擋住紅外發(fā)射光電管時，接收光電管為開斷狀態(tài)，接收光電管的開、閉狀態(tài)表示了車輛是否到位信息。
    LED顯示屏用來顯示檢測過程信息和檢測結(jié)果。引車員和尾氣排放檢測員可在LED顯示屏的顯示信息指引下進(jìn)行相應(yīng)操作。
    尾氣檢測系統(tǒng)的工作過程為：當(dāng)車輛登錄上線檢測時，工控計算機(jī)發(fā)出車輛進(jìn)線消息，提示被檢車輛進(jìn)入檢測工位。當(dāng)工控計算機(jī)檢測到接收光電管為開斷狀態(tài)時，表示車輛到位，可開始尾氣檢測。檢測程序?qū)磭鴺?biāo)GB18285-2005規(guī)定的測量方法進(jìn)行。檢測過程中，尾氣排放檢測員按LED顯示屏的指示將取樣探頭插入被檢車輛排氣管中，將轉(zhuǎn)速測量鉗按要求與發(fā)動機(jī)相關(guān)部分相連接；尾氣分析儀從串口接收工控計算機(jī)的命令，采集排氣污染物；引車員則按LED顯示屏的指示信息操縱汽車進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速、高怠速、怠速等狀態(tài)，配合尾氣分析儀按照檢測程序完成尾氣排放測量。

2 檢測軟件設(shè)計
    軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。設(shè)計一個虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺確定之后，就可以通過設(shè)計不同的軟件模塊，實(shí)現(xiàn)不同的功能。汽車尾氣檢測系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用NI的圖形化編程語言LabVIEW8．2開發(fā)，模塊化設(shè)計。按雙怠速法檢測尾氣排放的程序流程圖如圖2所示。
    雙怠速法尾氣檢測程序的執(zhí)行過程為：首先在主程序界面上輸入被檢車輛基本信息，然后通過LED顯示屏提示受檢車輛進(jìn)入檢測工位，通過讀取紅外接收光電管的狀態(tài)判斷車輛到位情況。若車輛到位，則按照國標(biāo)規(guī)定的雙怠速測量方法進(jìn)行尾氣排放檢測，檢測數(shù)據(jù)由串口輸入。最后計算數(shù)據(jù)，顯示、存儲檢測結(jié)果。為直觀起見，采集到的原始數(shù)據(jù)可用曲線圖的形式輸出。

    在檢測程序設(shè)計中，由于工控計算機(jī)和尾氣分析儀是通過串口來傳送測量命令和測量數(shù)據(jù)的，因此串行通信程序是檢測軟件中最關(guān)鍵的模塊之一。在LabVIEW8．2中，可以利用VISA模塊編寫串行通信程序，這樣可以擺脫煩瑣的底層命令，輕松實(shí)現(xiàn)工控計算機(jī)與儀器之間的通信。
    VS5067-5汽車尾氣分析儀通信參數(shù)為：9600波特率、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)、1位停止位，通信命令包含：計算機(jī)控制、CAL、測量、讀數(shù)據(jù)、結(jié)束測量、手動操作等，命令格式為多字節(jié)的ASCII碼形式，例如，“計算機(jī)控制”命令為：02H，*，S，R，E，M，20H，K，O，03H，即10個字節(jié)的ASCII碼。同樣，儀器的應(yīng)答信號也是多字節(jié)的ASCII碼，例如，對應(yīng)“計算機(jī)控制”命令的應(yīng)答信號為9個字節(jié)的ASCII碼，即：02H，*，S，R，E，M，20H，0，03H。也就是說，工控計算機(jī)與尾氣分析儀之間的串行數(shù)據(jù)均為多字節(jié)的ASCII碼信息。由于在程序開發(fā)中，一般ASCII碼用十六進(jìn)制表示比較方便，因此，串行發(fā)送與接收數(shù)據(jù)就存在著數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的問題。在LabVIEW8．2中，ASCII碼與十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換可以很方便的用“字節(jié)數(shù)組至字符串轉(zhuǎn)換”、“字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換”兩個函數(shù)實(shí)現(xiàn)。以發(fā)送“計算機(jī)控制”命令為例，LabVIEW8．2設(shè)計的串行通信程序如圖3所示。

    串行通信程序的編寫過程如下：
    1)串口初始化
    按照VS5067-5汽車尾氣分析儀通信協(xié)議，利用LabVIEW8．2函數(shù)選板的【數(shù)據(jù)通信】→【協(xié)議】→【串口】子選板中的“VISA配置串口”函數(shù)初始化串口為波特率9600bps，數(shù)據(jù)位8位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，選擇工控計算機(jī)的COM1口。
    2)發(fā)送測量命令
    當(dāng)工控計算機(jī)要向尾氣分析儀發(fā)送測量命令時，可利用“VISA寫入”函數(shù)發(fā)送。由于尾氣分析儀的命令為多字節(jié)的ASCII格式，因此需要將命令組建成一個數(shù)組，再利用“字節(jié)數(shù)組至字符串轉(zhuǎn)換”函數(shù)將數(shù)組轉(zhuǎn)換為字符串發(fā)送。圖3中示意的是“計算機(jī)控制”命令的發(fā)送情況，“計算機(jī)控制”命令的十六進(jìn)制表示為：02H，2AH，53H，52H，45H，4DH，20H，4BH，30H，03H。
    3)接收應(yīng)答信號
    當(dāng)尾氣分析儀接收到工控計算機(jī)發(fā)來的命令后，會相應(yīng)返回應(yīng)答信號，程序設(shè)計中，可利用“VISA讀取”函數(shù)接收儀器的應(yīng)答信號，再利用“字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換”函數(shù)將接收到的ASCII數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)儀器收到“計算機(jī)控制”命令后，返回的應(yīng)答信號十六進(jìn)制表示為：02H、2AH、53H、52H、45H、4DH、20H、30H、03H。如果工控計算機(jī)向儀器發(fā)送“讀數(shù)據(jù)”命令，則儀器返回的應(yīng)答信號中就包含了HC、CO、CO2、O2、NO以及轉(zhuǎn)速、油溫，λ(過量空氣系數(shù))等檢測數(shù)據(jù)。
    4)關(guān)閉串口
    當(dāng)工控計算機(jī)要停止尾氣檢測時，可利用“VISA關(guān)閉”函數(shù)關(guān)閉串口，釋放LabVIEW占用的資源。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    我們對基于LabVIEW8．2開發(fā)的汽車尾氣檢測系統(tǒng)進(jìn)行了多臺汽車的尾氣檢測實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇了不同的汽車類型，得到了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4為一輛小客車的測量結(jié)果，圖中顯示的是怠速和高怠速HC的原始數(shù)據(jù)曲線，也可選擇顯示CO或其他參數(shù)的數(shù)據(jù)曲線。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)以LabVIEW8．2為開發(fā)平臺，可以方便的對HC、CO、CO2、O2、NO等汽車排氣污染物濃度進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和測量精度。另外，通過在工控計算機(jī)上配置網(wǎng)卡，可實(shí)現(xiàn)汽車尾氣的聯(lián)網(wǎng)檢測，從而很方便地將汽車尾氣檢測系統(tǒng)應(yīng)用于新車研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)、新車的出廠檢驗(yàn)和交通管理部門對上路車輛定期檢驗(yàn)的汽車綜合性能檢測線中，應(yīng)用前景十分廣闊。