基于LabVIEW的發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)設計

0 引言
    虛擬儀器是利用圖形化編程語言(G語言)在計算機上開發(fā)的一種儀器，它結(jié)合了簡單易用的圖形開發(fā)環(huán)境和靈活強大的編程語言，為用戶提供了一個直覺式環(huán)境，在數(shù)據(jù)采集、自動化測試和儀器控制等領域得到了廣泛的應用。
    在發(fā)動機測試系統(tǒng)中采用虛擬技術(shù)，以通用計算機為平臺，充分利用計算機豐富的軟硬件資源來完成數(shù)據(jù)采集、處理和結(jié)果顯示等功能；其克服了傳統(tǒng)儀器運算速度受限，開發(fā)周期較長、編程效率低、程序固化而系統(tǒng)擴展性能差、不能進行大量復雜的數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)
存儲空間小等方面的不足。
    基于LabVIEW的發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)正是充分利用了LabVIEW強大的工具、函數(shù)以及圖形化控件，實現(xiàn)了對油耗的自動測量和實時監(jiān)測，同時可實現(xiàn)自動報警。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案
    系統(tǒng)是在原發(fā)動機實驗測控臺架上設計開發(fā)了一種瞬態(tài)油耗測試系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)大致由3部分組成：第1部分為油耗傳感器，其功能是把發(fā)動機的油耗等性能參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)為相應的電信號，此處可充分的利用發(fā)動機實驗測控臺架得到轉(zhuǎn)速和扭矩等信息；第2部分為數(shù)據(jù)采集卡，NIUSB9219自帶信號調(diào)理功能，可以對信號進行采樣、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3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、顯示和存儲以及報警指示。

    系統(tǒng)采用的是美國NI公司的NI USB9219數(shù)據(jù)采集卡，是一款即插即用、具備4通道6端子連接器，可測量應變計、RTD、熱電偶、測壓元件和其他需要供電的傳感器信號的數(shù)據(jù)采集卡。每條通道都接受單獨選擇，都可以分別采集模擬信號或數(shù)字信號。借助于250 Vrms的通道間隔離，USB-9219不僅保護了周圍的模塊、機箱和經(jīng)連接的計算機系統(tǒng)，而且保護了相同模塊內(nèi)的其他通道。除提高安全性之外，通道間隔離還消除了與接地回路相關的問題。油耗傳感器輸出的信號直接輸入NIUSB9219的通道，經(jīng)上位機的LabVIEW油耗測試軟件分析處理，進行數(shù)據(jù)存儲并送給顯示器輸出實時顯示數(shù)據(jù)，為汽車發(fā)動機狀態(tài)檢測提供依據(jù)。

2 油耗測試原理
    燃油消耗率是評價發(fā)動機經(jīng)濟性的重要指標。測定燃油消耗率(簡稱耗油率)的方法通常有容積法、重量法、流量計法和流速計法等。本系統(tǒng)選用的是質(zhì)量式油耗傳感器，通過測量一段時間內(nèi)所消耗的燃油重量計算出發(fā)動機單位時間內(nèi)的油耗量，計算公式為：G=3．6ω／t。式中：ω為燃油質(zhì)量，單位：g；t為測量時間，單位：s；G為燃油消耗量，單位：kg／h。
    質(zhì)量式油耗傳感器由稱量裝置、計數(shù)裝置和控制裝置組成，如圖2所示。稱量裝置通常利用臺秤改制，量程為10kg，稱量誤差為±0.1-％。稱量裝置的秤盤上裝有油杯(圖2中的1)，燃油經(jīng)電磁閥(圖2中4)加入油杯。電磁閥的開閉由裝在平衡塊上的行程限位器(圖2中7)撥動2個微型限位開關(圖2中5和6)來控制。光電傳感器給出油耗始點和終點信號，它由2個光電二極管(圖2中8和9)裝在棱形指針上的光源10組成，光電二極管(圖2中8)為固定式，光電二極管(圖2中9)裝在活動滑塊上，滑塊通過齒輪齒條機構(gòu)移動，齒輪軸與鼓輪(圖2中12)相連，計量的燃油量通過轉(zhuǎn)動鼓輪(圖2中12)從刻度盤上讀出。計量開始時，光源(圖2中10)的光束射在光電二極管(圖2中8)上，光電二極管發(fā)出信號，使計數(shù)器(圖2中13)開始計數(shù)，隨著油杯中燃油的消耗，指針移動。當光束射到光電二極管(圖2中9)上時，光電二極管(圖2中9)發(fā)出信號，使計數(shù)器停止計數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 編程思想
    發(fā)動機試驗需要在開始時通過怠速運轉(zhuǎn)進行預熱；預熱完畢后冷卻水溫度達到額定值，當速度穩(wěn)定在設定值時，開始運行主程序，進行數(shù)據(jù)顯示、處理和記錄，如圖3。當油耗量低于預設的min值時，報警指示燈顯示為綠色；當油耗量超過預設的max值時，報警指示顯示為紅色。
3．2 用戶界面和功能
    這里利用簡單、易用、圖形化控件的虛擬儀器軟件LabVIEW編寫操作界面，如圖4所示。主操作界面分為控制和顯示2個區(qū)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制和顯示。顯示部分包括轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗等參量的顯示，還包括超過極限報警指示燈顯示；控制部分包括各測量儀控制開關、采集速率、參數(shù)值設置、極限值、初始值等的設置。

    主程序軟件按功能分為轉(zhuǎn)速計、扭矩計、油耗儀等測試模塊，每個模塊可獨立使用，測試單個內(nèi)容。當信號采集完成后，可以進行數(shù)據(jù)顯示和保存。對于設計的油耗測試可通過LabVIEW的編譯功能，把程序編成．exe文件，并生成運行包，脫離LabVIEW運行。此時，用戶將看不見源代碼，有利于操作安全和程序保護。

4 系統(tǒng)特點
    (1)系統(tǒng)基于原有的發(fā)動機測控臺架和方便快捷的LabVIEW開發(fā)平臺，與傳統(tǒng)設計相比，具有研制周期短、開發(fā)成本低、界面友好、易于搭建系統(tǒng)實驗平臺、易于功能擴展等優(yōu)點。
    (2)以便攜式筆記本為主控單元、以NI USB9219多功能數(shù)據(jù)采集卡(即插即用)進行測試，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺研制的發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)，不僅有利于減少各種控制按鈕、旋扭及功能切換開關，也大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，保證了各參數(shù)測試的精度和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語
    基于LabVIEW的發(fā)動機油耗測試系統(tǒng)，充分發(fā)揮了虛擬技術(shù)的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有人機界面友好、操作簡便、功能完善、性價比高的特點，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量和顯示、數(shù)據(jù)的監(jiān)控報警、數(shù)據(jù)的分析和自動記錄、顯示各種曲線等功能，提高了發(fā)動機臺架測試的自動化水平，為汽車發(fā)動機狀態(tài)檢測提供依據(jù)，也為發(fā)動機的研制生產(chǎn)提供了較為先進的測試手段。