基于虛擬儀器技術(shù)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：為了監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。首先介紹了檢測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了一種以美國(guó)NI公司推出的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEw8．2為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用德國(guó)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。文中尤其對(duì)工控計(jì)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(cè)試結(jié)果表明，所述方法方便實(shí)用，有推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：汽車尾氣；檢測(cè)系統(tǒng)；串行通信；虛擬儀器

0 引言
    近幾年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)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?lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)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(lái)源。因此，監(jiān)測(cè)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(dòng)車的排氣污染，首先是要做好檢測(cè)工作。在我國(guó)，從1999年開(kāi)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(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中除了對(duì)汽車在怠速和高怠速工況下排氣污染物的測(cè)量方法作了要求外，還對(duì)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(cè)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(cè)系統(tǒng)的組成
   基于虛擬儀器技術(shù)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    檢測(cè)系統(tǒng)主要由尾氣分析儀、I／O接口卡、紅外對(duì)射光電開(kāi)關(guān)、LED顯示屏以及工控計(jì)算機(jī)等組成。尾氣分析儀選用德國(guó)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(cè)分析出汽車尾氣的成分和含量。該儀器可檢測(cè)汽車尾氣中CO、HC、CO2、O2、NO五種氣體的濃度和發(fā)動(dòng)機(jī)油溫、轉(zhuǎn)速等汽車工作參數(shù)，測(cè)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(jì)算機(jī)連接，通過(guò)串口可接收測(cè)量命令并輸出測(cè)試結(jié)果。[!--empirenews.page--]
    工控計(jì)算機(jī)上擴(kuò)展的I／O接口卡主要用來(lái)接收紅外對(duì)射光電開(kāi)關(guān)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，用來(lái)判斷被檢車輛是否到位。紅外對(duì)射光電開(kāi)關(guān)選用歐母龍E3JK-5M型，其紅外對(duì)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(cè)線的兩邊。當(dāng)紅外發(fā)射管沒(méi)有被遮擋時(shí)，接收光電管為常閉狀態(tài)，當(dāng)被檢車輛行駛到檢測(cè)工位遮擋住紅外發(fā)射光電管時(shí)，接收光電管為開(kāi)斷狀態(tài)，接收光電管的開(kāi)、閉狀態(tài)表示了車輛是否到位信息。
    LED顯示屏用來(lái)顯示檢測(cè)過(guò)程信息和檢測(cè)結(jié)果。引車員和尾氣排放檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：當(dāng)車輛登錄上線檢測(cè)時(shí)，工控計(jì)算機(jī)發(fā)出車輛進(jìn)線消息，提示被檢車輛進(jìn)入檢測(cè)工位。當(dāng)工控計(jì)算機(jī)檢測(cè)到接收光電管為開(kāi)斷狀態(tài)時(shí)，表示車輛到位，可開(kāi)始尾氣檢測(cè)。檢測(cè)程序?qū)磭?guó)標(biāo)GB18285-2005規(guī)定的測(cè)量方法進(jìn)行。檢測(cè)過(guò)程中，尾氣排放檢測(cè)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(cè)量鉗按要求與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部分相連接；尾氣分析儀從串口接收工控計(jì)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(cè)程序完成尾氣排放測(cè)量。

2 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)
    軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺(tái)確定之后，就可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的軟件模塊，實(shí)現(xiàn)不同的功能。汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用NI的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW8．2開(kāi)發(fā)，模塊化設(shè)計(jì)。按雙怠速法檢測(cè)尾氣排放的程序流程圖如圖2所示。
    雙怠速法尾氣檢測(cè)程序的執(zhí)行過(guò)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(guò)LED顯示屏提示受檢車輛進(jìn)入檢測(cè)工位，通過(guò)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(guó)標(biāo)規(guī)定的雙怠速測(cè)量方法進(jìn)行尾氣排放檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)由串口輸入。最后計(jì)算數(shù)據(jù)，顯示、存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果。為直觀起見(jiàn)，采集到的原始數(shù)據(jù)可用曲線圖的形式輸出。

    在檢測(cè)程序設(shè)計(jì)中，由于工控計(jì)算機(jī)和尾氣分析儀是通過(guò)串口來(lái)傳送測(cè)量命令和測(cè)量數(shù)據(jù)的，因此串行通信程序是檢測(cè)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(jì)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(wú)奇偶校驗(yàn)、1位停止位，通信命令包含：計(jì)算機(jī)控制、CAL、測(cè)量、讀數(shù)據(jù)、結(jié)束測(cè)量、手動(dòng)操作等，命令格式為多字節(jié)的ASCII碼形式，例如，“計(jì)算機(jī)控制”命令為：02H，*，S，R，E，M，20H，K，O，03H，即10個(gè)字節(jié)的ASCII碼。同樣，儀器的應(yīng)答信號(hào)也是多字節(jié)的ASCII碼，例如，對(duì)應(yīng)“計(jì)算機(jī)控制”命令的應(yīng)答信號(hào)為9個(gè)字節(jié)的ASCII碼，即：02H，*，S，R，E，M，20H，0，03H。也就是說(shuō)，工控計(jì)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(kāi)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(wèn)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(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。以發(fā)送“計(jì)算機(jī)控制”命令為例，LabVIEW8．2設(shè)計(jì)的串行通信程序如圖3所示。

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    串行通信程序的編寫過(guò)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(wú)奇偶校驗(yàn)位，選擇工控計(jì)算機(jī)的COM1口。
    2)發(fā)送測(cè)量命令
    當(dāng)工控計(jì)算機(jī)要向尾氣分析儀發(fā)送測(cè)量命令時(shí)，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(gè)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(jì)算機(jī)控制”命令的發(fā)送情況，“計(jì)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(hào)
    當(dāng)尾氣分析儀接收到工控計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的命令后，會(huì)相應(yīng)返回應(yīng)答信號(hào)，程序設(shè)計(jì)中，可利用“VISA讀取”函數(shù)接收儀器的應(yīng)答信號(hào)，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(jì)算機(jī)控制”命令后，返回的應(yīng)答信號(hào)十六進(jìn)制表示為：02H、2AH、53H、52H、45H、4DH、20H、30H、03H。如果工控計(jì)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(hào)中就包含了HC、CO、CO2、O2、NO以及轉(zhuǎn)速、油溫，λ(過(guò)量空氣系數(shù))等檢測(cè)數(shù)據(jù)。
    4)關(guān)閉串口
    當(dāng)工控計(jì)算機(jī)要停止尾氣檢測(cè)時(shí)，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(duì)基于LabVIEW8．2開(kāi)發(fā)的汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了多臺(tái)汽車的尾氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)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(yǔ)
    本系統(tǒng)以LabVIEW8．2為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以方便的對(duì)HC、CO、CO2、O2、NO等汽車排氣污染物濃度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。另外，通過(guò)在工控計(jì)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(cè)，從而很方便地將汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于新車研究開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)、新車的出廠檢驗(yàn)和交通管理部門對(duì)上路車輛定期檢驗(yàn)的汽車綜合性能檢測(cè)線中，應(yīng)用前景十分廣闊。