（机械制造及其自动化专业论文）基于labview的车用发动机测试系统设计.pdf

基于l a b v i e w 的车用发动机测试系统设计 摘要 课题的研究目的是为车用发动机的性能测试开发设计一套测试系统。该测 试系统能够完成对发动机的常规性能信号、振动信号、噪声信号的实时测试、 分析、显示和存储。 传统测试系统由多个分立的测量仪器组成。随着计算机技术的不断发展， 虚拟仪器技术得到了快速应用。本课题选用以工业计算机和数据采集设备为硬 件平台、以l a b v i e w 为软件开发平台，配合必要的传感器、信号调理设备和 数据采集卡组成了一套多通道的测试分析系统。 本文首先分析了发动机性能测试对汽车工业发展、日常生活的重要意义； 然后对虚拟技术及l a b v i e w 软件进行了简要阐述；在对系统的总体设计进行 了较详细的分析和研究的基础上，着重介绍了该系统的三个子系统的设计思想、 理论依据、软硬件构成。 本课题研究开发的测试系统方案具有良好的扩展性和较高的性价比，并且 具有速度快、精度高、界面友好的特点，适合于工程人员和实验室使用。 关键词：虚拟仪器、常规性能测试、振动测试、噪声测试 t h e d e s i g no ft e s ts y s t e mf o rv e h i c l ee n g i n e b a s e do nl a b v i e w a b s t r a c t t h er e s e a r c hp u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e s i g na p l a t f o r mo fp e r f o r m a n c et e s t f o rv e h i c l ee n g i n e t h i sp l a t f o r mc a nt e s tt h eg e n e r a lp e r f o r m a n c es i g n a l ，v i b r a t i o n s i g n a la n dn o i s es i g n a l t h ef u n c t i o no ft h i sp l a t f o r mi n c l u d e s ：r e a l t i m ed a t a a c q u i s i t i o na n da n a l y s i so fm u l t i - c h a r m e ls i g n a l ，d a t as t o r a g ea n dr e a l t i m e d i s p l a y i n ge t e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n i q u e ，t h ee n h a n c e m e n to fc o m p u t e r p e r t o r m a n c ea n dt h ep r o g r e s so np r o f e s s i o n a ls o f t w a r e v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n i q u ei sg e t t i n gad e e p e rd e v e l o p m e n t v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t a n d a n a l y s i s b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e h a sb e c o m ead e v e l o p m e n tt r e n d t h e r e f o r ， t h ea u t h o rd e v e l o p sam u l t i c h a n n e lv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t a n d a n a l y s i ss y s t e m b a s e do ni n d u s t r i a lc o m p u t e ra sh a r d w a r ew o r k b e n c h ，l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n tw o r k b e n c h ( l a b v i e w ) a s d e v e l o p m e n ts o f t w a r e ，e s s e n t i a ls e n s o r s i g n a lc o n d i t i o n e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d s i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y , t h ea u t h o ra n a l y z e st h es i g n i f i c a n c eo f p e r f o r m a n c et e s t o fv e h i c l e e n g i n ef o rt h ed e v e l o p m e n to fv e h i c h l ei n d u s t r ya n dp e o p l e ；t h e n i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya sw e l la st h el a b v e i ws o f t w a r e ，b r i e f l y ；l a t e r ，e l a b o r a t e st h ed e s i g no f t h es y s t e m t h ek e yp o i n to ft h i sp a p e ri st oi n t r o d u c et h ed e s i g ni d e a ，t h e o r e t i c a l b a s i sa n dt h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e m t h i sm e a s u r e m e n t - a n d - a n a l y s i ss y s t e mi sb a s e do nd a t aa c q u i s i t i o nc a r d sa n d l a b v i e ws o f t w a r e t h i sp l a ni sf i tf o re n g i n e ra n dl a bc a u s eo f a d v a n t a g e sa s f o l l o w s ：e x c e l l e n te x p a n d i n g p e r f o r m a n c e ，h i g hp r e c i s i o na n df r i e n d l yi n t e r f a c e k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，g e n e r a ls i g n a lt e s t ，v i b r a t i o nt e s t ，n o i s el e s t 插图清单 图2 1 常见的虚拟仪器测试系统搭建方案5 图3 1 发动机性能测试系统结构框图1 3 图3 - 2 研华p w s 1 4 0 9 工控计算机1 5 图3 3 发动机性能测试系统软件结构原理图1 7 图3 - 4 发动机性能测试系统主界面1 8 图4 1 转矩转速传感器的安装方式2 6 图4 2 发动机常规参数测试硬件结构图2 6 图4 3 发动机常规性能测试操作界面2 7 图4 4 发动机常规参数测试系统软件流程图2 8 图4 5 常规参数测试系统数据采集模块2 9 图5 1 发动机整机振动系统物理模型3 4 图5 2 发动机整机振动测点分布图3 5 图5 3 发动机振动测试系统硬件结构3 7 图5 4 发动机振动测试操作界面3 8 图5 5 发动机测试系统的测试流程图3 9 图5 - 6 振动级计算模块后面板4 0 图5 7 振动信号频域分析模块后面板4 1 图6 1 发动机噪声测试测点选择4 6 图6 2 发动机噪声测试系统硬件结构4 7 图6 3 发动机噪声测试软件结构框图4 9 图6 - 4 发动机噪声测试操作界面5 0 图6 5 发动机噪声测试系统参数设置5 1 图6 6 三种计权方式5 1 图6 7 发动机噪声信号时、频域分析程序后面板5 2 表格清单 表3 1 传感器选用类型和型号1 4 表4 1 各项试验时发动机所带附件( 国家标准) 2 1 表4 2 通用符号、名称及单位2 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 禅6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒月巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签 签字日期： 础6 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新躲胁 签字日期：勿谚年舌7 日 电话： 邮编： 致谢 在本论文完成之际，首先要衷心地感谢我的导师陈心昭教授、陈剑教授在 我的研究生学习阶段所给予我的无微不至的关怀和耐心细致的指导。导师渊博 的知识、严谨的治学态度、精辟的学术见解、高尚的师德以及和蔼可亲的态度 一直深深地影响、激励着我，成为我人生道路上最宝贵的财富之一。导师不仅 在学术上给予我悉心的指导和帮助，而且在生活上也给予我许多照顾和帮助， 在今后的学习、工作和生活中我将切实铭记导师的教诲，在这里再一次向他们 表示最真诚的感谢和最崇高的敬意。 在三年的硕士研究生的学习和工作中，我与饶建渊、韩晓峰、鲍旭清、程 昊、刘欣、王建楠、宋萍、马开柱、倪飞等同学之间互相交流、互相关心、互 相帮助。在论文的撰写期间也得到他们的帮助，在此表示感谢。 感谢我的家人和金时丽对我的支持和鼓励，我取得的每一点进步都离不开 他们的关心和帮助! 这里尤其要感谢我的母亲，感谢她给予我生命，感谢她给 予我伟大的母爱，感谢她为我付出的一切! 同时还要感谢我的朋友们，给我平淡的生活带来了很多快乐和感动。 作者：董斌 2 0 0 8 年5 月 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 进入二十一世纪以来，我国经济迅猛发展，综合国力不断增强，人民生活 水平不断提高，越来越多的汽车走进寻常百姓的家中。与此同时，人们对汽车 的要求也越来越高，不再仅仅满足于汽车的基本功能，而是更多的关注于汽车 的安全性和舒适性等性能。 发动机是汽车最主要的总成之一，为车辆行驶提供动力来源，是汽车的心 脏，汽车的一些基本技术性能( 包括舒适性) 都直接或者间接地与发动机的相 关性能相联系。因此发动机性能的检测对整车性能的了解至关重要l l 】。 随着我国汽车工业的蓬勃发展，汽车的自主研发日益成为众多汽车制造商 的工作重心，而发动机的自主研发是汽车真正实现自主研发的重要标志。在发 动机的研发过程中，需要大量的试验来测试发动机的各项性能指标，进而不断 完善发动机的设计。所以，从某种意义上说，发动机测试技术的发展状况实际 上就反映了整个汽车工业的发展状况。 在发动机的试验任务中，不仅要进行一般的性能测试和耐久性试验所要求 的常规测试，还要进行振动、噪声、燃油、机械强度等多方面的测试。同时， 随着应用研究的深入和技术的更新，对发动机的试验要求也越来越高。 传统的发动机测试设备存在着许多不足之处：一是功能比较单一，效率低 下；二是不同的设备供应商提供的测试设备有不同的数据存储格式，造成了软 件、硬件均不兼容，从而不能共享软硬件资源；三是设备的可升级性和扩展性 差。由此可以看出，传统设备未能从系统的角度来开展综合测试，使得试验数 据无法得到有效利用。 为此，利用虚拟仪器技术，结合相关的硬件设备，组成一套比较完整、自 动化程度高、扩展性强、维护方便的测试系统，克服数据格式不统一的缺陷， 为发动机的研发和改进提供便利，是一项富有意义的课题研究。 1 2 发动机测试技术的国内外研究现状 近年来，随着电子技术和计算机技术的高速发展，发动机的测试技术也在 不断的革新。早期的自动检测和手动检测相结合的方法由于自动化程度偏低、 测量精度低、实时性差等缺点，逐渐被微机化的测试系统所取代。所谓微机化 就是以微机或者单片机作为测试系统的控制单元，使系统具有了对数据的存储、 运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能性。同时，虚拟技术也 越来越多的应用于测试系统中，使测试系统大大简化，并提高了系统的可维护 性。 目前，国内许多新开发的测试系统都属于微机化系统，同时结合电子技术、 自动控制技术、传感器技术，使新型设备逐渐趋于多功能、小型化、数字化、 智能化。如北京理工大学研制的汽车发动机电子燃油喷射系统台架测试仪，主 要用于单点电控喷油的研究；西安交通大学与西安检测仪器厂联合研制的智能 化瞬时流量油耗仪；清华大学应用虚拟仪器技术构建了用于检测汽车发动机性 能的出厂检测系统，用于检测发动机的综合性能。 国外许多知名的发动机测试设备生产商也不断推出自己的发动机测试系 统，这些测试一般都具有精度高、操作简单、实时性好等特点。如德国西门子 公司开发的c a t s 系统，奥地利a v l 公司研制的p u m a i s a c 系统，德国博 世公司推出的f s a 6 0 0 0 型发动机综合检测仪等。 虽然当前国内在发动机测试技术和设备上取得了很大的进步，但是在可靠 性、系统简洁性、技术含量等方面还有待改进。而国外的相关产品虽然在品质 和服务上非常优秀，但是价格通常比较昂贵。 1 3 本课题的研究任务 本课题的主要任务就是在现有测试设备的基础上，基于虚拟仪器技术，结 合计算机、多通道高精度的数据采集板卡、传感器等设备和器件组成新的发动 机性能测试系统。 该系统首先应能实现发动机性能测试的若干功能，包括发动机常规性能参 数测试、噪声测试、振动测试等几个主要方面的测试：其次，能够根据实际情 况调整发动机的工况，能根据要求自动采集和存储发动机的性能参数；另外， 试验过程中能够对试验数据进行实时处理和显示，试验结束后能够生成报表和 性能曲线，并打印输出，对试验作出总结。 在系统的开发过程中，主要的工作分为以下几个步骤： 第一步，详细阅读国家针对发动机测试制定的各种相关标准，掌握相关的 测试规范和流程。 第二步，研究发动机测试系统的结构、工作原理以及发展动态，明确系统 的开发目标。 第三步，确定系统的硬件配置。根据测试系统的测量参数和测量要求，确 定测试所需的相关硬件设备，包括各种类型的传感器、数据采集 卡等测试设备和器件；并设计系统的硬件电路，确定硬件设备的 连接关系。 第四步，软件开发。结合测试需求和硬件设备的特征，进行应用软件的开 发，该软件应能实现发动机性能测试的测控自动化，同时具备工 况记录、数据采集、数据处理、数据存储和显示等功能。 第五步，进行系统整合。将所设计开发的软件和硬件相结合，使之成为一 2 个完整的系统。 第六步，测试系统的试验和改进。在系统整合之后，有针对性地进行一系 列性能试验，进而找出系统的缺陷并改进。 第二章虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器的概念 2 1 1 虚拟仪器的定义 测量仪器一般都是由数据采集、数据分析、数据显示三大部分组成。在传 统仪器中，这三大部分完全由硬件实现；随着微处理器的引入而出现的智能仪 器，可以通过软件使仪器实现智能化，但是依然没有摆脱硬件的束缚。在这种 情况下，一旦仪器被定型后，其功能也就被唯一确定了。这样，就会造成两种 情况：一是仪器中可能有一部分使用者不需要的功能，造成了资源浪费；二是 单台仪器的功能有限，要完成复杂的测试任务，就需要多台不同的仪器共同工 作，从而提高了测试成本。 针对上述情况，近年来提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的 概念。所谓虚拟仪器就是将计算机与仪器相结合，数据分析和数据显示完全由 软件来完成，只要提供一定的数据采集硬件，就可以组成测量仪器【2 j 。而且这 些硬件通常具有相同的接口标准，这样在硬件部分作少量改动或者不改动的情 况下，只要应用不同的软件就可以构成不同功能的测量仪器。由此可见，软件 是虚拟仪器的核心组成部分，即“软件就是仪器”【3 。4 】。虚拟仪器是测量仪器发展 的一个里程碑，为今后测量仪器的发展指明了方向。 2 1 2 虚拟仪器的特点 作为一种新型的测试方法，虚拟仪器具有许多其他仪器所不具备的特点， 具体如下： ( 1 ) 虚拟仪器系统中大部分的硬件是通用的，各种系统的主要差别在于其 软件部分； ( 2 ) 充分发挥了计算机强大的数据处理功能，大大提高了仪器的数据处理 能力； ( 3 ) 用户可根据自己的实际需要和爱好，定义、设计和制造仪器【5 1 ，这样 就可以避免仪器中出现不必要的功能，节省资源。 2 2 虚拟仪器的结构 虚拟仪器系统由硬件设备和应用软件两大部分组成。 硬件设备主要包含计算机平台和若干测控设备。计算机管理着虚拟仪器的 硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机在显示、数据存储、网络通讯、总 线标准等方面为虚拟仪器的发展提供了很大的便利。 软件是虚拟仪器的灵魂。虚拟仪器的软件框架由低到高分为：v i s a 库、 4 仪器驱动程序、应用程序三部分。 v i s a 库是标准的i o 函数库及其相关规范的总成，是一个可调用的操作函 数集，主要用于实现计算机与仪器之间的软件层连接。 仪器驱动程序是应用程序实现仪器控制的桥梁。 应用软件是操作用户直接面对和使用的程序，应具有良好的操作界面和强 大的数据分析、处理能力。 图2 1 所示的是一种常见的虚拟仪器测试系统搭建方案，其中传感器、信 号调理设备和数据采集卡由硬件来实现，数据分析和数据显示由软件来实现， 这样，在实际的测量中，只需用少量的硬件进行数据采集，其他的工作都由软 件来完成。而且这种测试系统的硬件设备大多是通用设备，只要改变应用软件 就可以得到新的测量仪器，此外，还可以根据自己的需要确定系统的功能，这 样就大大提高了设备的利用率，降低了成本。 信 数 测传号据 i 里 感 h 、 调 采 对 。 叫l 坌竺r l 三 器理集 象器设 备 图2 1 常见的虚拟仪器测试系统搭建方案 2 3 虚拟仪器的开发平台l a b v i e w 2 3 1l a b v i e w 概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美国国 家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，简称n i ) 开发的一个功能强大的虚拟仪器系 统开发平台，目前被广泛地应用于工业测试、仿真、监控、信号处理等领域， 被公认为标准的数据采集和仪器控制软件。 l a b v i e w 是一种图形化的编程语言( g 语言) 和开发环境。用g 语言进 行编程时，不需要编写复杂烦琐的程序代码，而是用技术人员、科学家、工程 师所熟悉的术语、图标和概念所构成的流程图来编程，因此，它是一种面向终 端用户的编程工具。 l a b v i e w 不仅提供了与遵从g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 等协议的硬件 及数据采集卡进行通信的全部功能，还内置了支持t c p i p 、a c t i v e x 等软件标 准的库函数，而且其图形化的编程界面使原本单调的编程过程变得生动有趣。 l a b v i e w 是一个功能强大且操作简单、灵活的软件，利用它可以方便的开发出 自己的虚拟仪器【5 】。 利用l a b v i e w 编写的程序称为虚拟仪器，或者v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。 一个完整的l a b v l e w 程序( v i ) 应该包含前面板( f r o n tp a n e l ) 、程序框图( b l o c k d i a g r a m ) 以及图标和连接器接口( i c o na n dc o n n e c t o rp a n e l ) 这三大部分。各 部分功能如下： 前面板是l a b v i e w 的图形用户界面，也就是v i 的虚拟仪器面板。该界面 与真实的物理仪器面板相似，其上有用户输入和输出显示两大类对象，分别称 为控制元件和显示元件。 程序框图中放置程序的源代码，在程序框图中对v i 进行编程，以控制和 操纵定义在前面板上的输入和输出功能。程序框图中除了包含前面板上控件的 连线端子以外，还有一些前面板上没有，但编程必须用到的东西，例如函数、 结构和连线等。 图标和连接器是指v i 具有层次化和结构化的特征。一个v i 可以作为子程 序( 又称子v i 或者s u b v i ) ，被其他v i 调用。图标与连接器在这里相当于图形 化的参数。 2 3 2l a b v l e w 的特点 1 图形化编程【6 - 8 】 l a b v l e w 最具吸引力的特点就是图形化的编程环境。使用l a b v i e w 在计 算机的显示屏上创建一个图形化的用户界面，就可以设计出符合用户要求的虚 拟仪器，即通过在v i 的前面板上自定义一些旋钮、开关、图表等器件来创建 虚拟的测试面板，以代替传统仪器的控制面板；在程序框图中按照设定的目标 要求来对前面板上的器件进行连接编程，形成一个完整的虚拟仪器。 2 仪器连接和控制功能 在l a b v l e w 自带的函数库中包含了丰富的i o 功能函数，可用于集成各种 独立台式仪器、数据采集设备、运动控制和及其视觉产品、g p i b i e e e 4 8 8 、串 口设备和p l c 等设备。此外，l a b v l e w 还支持v x i 仪器标准驱动程序， v i s a g p i b 、串口和v x i 仪器可共用标准，p x i 和基于p x i 系统联盟c o m p a c t p c i 标准的软硬件，i v i 可互换虚拟仪器驱动程序，v x ip l u g & p l a y 等主要的仪器标 准。 3 支持多平台 l a b v i e w 2 0 以前的版本都是运行在m a c i n t o s h 平台上的，l a b v i e w 2 5 开 始能够用于w i n d o w s 平台。目前，l a b v i e w 已经是能够运行于w i n d o w s n t 9 8 2 0 0 0 x p v i s t a 、l i n u x 、m a c i n t o s h 、s u n 、h p u x 等多种平台的工作标准 软件开发环境 9 】。 4 数据处理功能强大 虚拟仪器的根本特点就是数据分析、处理和显示都由计算机软件完成。为 6 了完成这些工作，l a b v i e w 中拥有非常丰富的数据分析处理函数，足以满足一 些常规的数据处理要求。此外，为了满足不同领域的特殊要求，n i 公司还开发 了许多相关的附加工具包，用于满足各个领域的不同需求，如信号处理工具包、 控制与仿真工具包、噪声与振动工具包、p i d 控制工具包等。 5 开放式环境 l a b v i e w 在提供了大量应用系统所需的工具的同时，自身还提供了一个开 放式的开发环境。l a b v i e w 与其它软件、测控设备、许多开放式工业标准都有 很好的兼容性，所以它与许多不同厂家的产品都能共用。目前，很多第三方软 硬件开发商再开发并维护成大量的函数库及仪器驱动程序以帮助用户能借助 l a b v i e w 轻松使用他们的产品。除此之外，l a b v i e w 还提供了与a c t i v e x 、动 态链接库( d l l ) 等多个开发工具的共享库之间的开放式连接，可以相互调用。 同时，l a b v i e w 还提供了广泛的通信方式和数据存储方式，如t c p i p 、o p c 、 s q l 数据库和x m l 数据存储格式。 6 分布式开发环境 l a b v i e w 可以利用服务器，将复杂的任务下载到其它机器上进行快速处 理，也可以创建远程监控应用系统。l a b v i e w 自身包含了多种标准网络技术， 如t c p i p 等。 7 可生成独立运行的可执行文件 l a b v i e w 是一种编译语言，它利用可与c 语言相媲美的执行速度来生成 优化的代码。利用l a b v i e w 编辑的程序，如果需要脱离l a b v i e w 运行环境而 独立运行的话，则可以利用应用程序生成器将其生成后缀为e x e 的可执行文件 和共享库( d l l ) 。 2 3 3l a b v i e w 的应用 目前，随着虚拟技术的飞速发展，l a b v i e w 已经广泛应用于航空航天、通 信、汽车、半导体、生物技术等众多领域。l a b v i e w 的主要应用可以体现在以 下几个方面： 1 自动化测试和测量平刨列 在测试与测量方面，l a b v i e w 已经成为该领域的工业标准，其提供的大量 的开发工具使复杂的测试与测量任务变得简单易行。l a b v i e w 可以通过p x i 、 p c i 、u s b 、e t h e m e t 等总线方式和插卡式数据采集板卡等少量硬件设备构成实 际的数据采集系统。 l a b v i e w 的仪器驱动程序库是工业界最庞大的，能够实现与众多仪器设备 的兼容。同时，它还支持通过i n t e r n e t 、a c t i v e x 、d d e 、s q l 等交互式通信方 式实现数据共享。 2 工业控制和控制平台 l a b v i e w 常常用于要求苛刻的工业应用，例如需要高级i o ，包括高速模 7 拟信号采集：振动监控、控制和机器视觉之类的高级信号处理应用；与工业硬 件的通信等应用领域。内置于l a b v i e w 的n i 可编程自动控制器( p a c ) 可以 无缝的集成于现有的系统，从而实现附加的测量和控制功能。 3 数据分析处理平台 l a b v i e w 提供了功能强大的高级数据分析库，包括统计、估计、回归分析、 线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等科学计算模块，可以满足大多数 的计算和分析需要。在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分 析领域，l a b v i e w 也提供了专门的附加软件包。 4 嵌入式设计平台 对于需要芯片中完全确定性和执行性能的应用，l a b v i e w 提供了多种解 决方案。l a b v l e wf p g a 模块同p c i 和p x i 可重复配置u o ( r i o ) 设备、 c o m p a c t r i o 或者紧凑视觉系统c v s 结合，可提供一个便捷的运行在n if p g a 上的可编程解决方案。此外，l a b v i e w 嵌入式开发模块生成可用于任何3 2 位 微处理器的代码，以用于各种嵌入式控制和分析应用。 5 原型设计平台 l a b v i e w 还可以利用高效的设计应用、仿真、以及仿真数据与真实测量 之间进行比较。将l a b v i e w 和测量工具集成至附加的设计和仿真工具中，就 可以在设计过程中轻松的将真实世界的测试工具与仿真模型进行比较，找出设 计环节中的缺陷，从而可以减少设计反复，获得高质量的产品。 2 4 虚拟仪器的发展 近年来，虚拟仪器的发展非常迅速，正朝着总线与驱动程序标准化、软硬 件模块化、硬件模块即插即用化、编程图形化等方向发展。 1 p x i 规范 为了提高虚拟仪器和基于计算机的测试系统的性能，v x i 标准被制定并且 作为计算机化仪器的一个重要发展方向。v x i 仪器是一种插卡式的仪器，每一 种仪器都是一个插卡，这些卡式仪器本身没有面板，其面板仍然通过虚拟的方 式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标注的v x i 机箱，再与计算机连接，组成 一个测试系统 10 1 。 但是v x i 仪器价格昂贵，无法实现大面积推广。为解决这个问题，n i 公 司推出了一种价格较为便宜的p x i ( 面向仪器的p c i 扩展，p c ie x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 标准仪器。p x i 在坚固的模块化结构中结合了高速度、高性能 的p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线和高级定时及触发特性。使用 p x i 系统不仅能实现所有p c i 系统的功能，而且能适合于工业环境，并获得无 与伦比的集成性。 由于结合了商业p c i 技术和面向仪器扩展的工业化坚固结构，p x i 提供完 整的基于p c 的平台，而且这种平台为高性能测量和自动化解决方案进行了优 化设计。由于p x i 是基于模块化c o m p a c t p c i 规范和高速p c i 总线架构的，使 得p x i 产品能完全和c o m p a c t p c i 产品协同工作，并且比台式计算机有更高的 机械集成度、简化的系统集成能力和更多的扩展插槽。 p x i 定义的针对软件的标准进一步简化了系统的集成，包括使用标准的操 作系统架构如w i n d o w s ，以及所有外设的驱动程序。p x i 模块化、可扩展的架 构提供了一个统一的平台，能把所有的测量设备、装置和计算机集成在同一台 机箱里，并且可以很方便的扩展到多个机箱。 因此，目前和今后的很长一段时间内，p x i 将是虚拟仪器中最完善的基于 p c 的测试平台。 2 网络化仪器控制 虚拟仪器研究的一个主要问题就是各种标准仪器的互连以及与计算机的连 接，即仪器控制。目前，随着网络技术的不断发展，出现了具备强大网络通信 功能的远程虚拟仪器，这种虚拟仪器支持t c p i p 、u d p 等协议。n i 公司还开 发了一种d a t a s o c k c t 技术，这种技术可以使虚拟仪器很容易的在互联网上实现 高速实时数据交换。 下一代虚拟仪器还将具备能够快速方便的与蓝牙( b l u c t o o t h ) 、无线以太 网及其它标准融合的网络技术。除了这些技术之外，下一代虚拟仪器还应能更 好的描述与设计分布式系统之间的定时和同步关系，以便帮助用户快速的开发 和控制所需的系统。 9 第三章系统的总体设计方案 发动机性能测试系统涉及的范围广泛，设计比较复杂。因此，在系统具体 的开发之前，应对系统进行深入分析和分解，确定系统的目标、功能、所需设 备、开发步骤等要素，为设计出高性能的测试系统奠定基础。 3 1 系统功能和设计要求 3 1 1 系统功能 通常情况下，发动机性能特性是指发动机性能指标随发动机的调整情况及 运转工况的变化关系 1 0 。1 1 1 ，所以发动机的性能测试主要就是对发动机的功率、 转矩、转速、油耗等性能参数进行测试。 但是，随着人们对汽车舒适性的要求不断提高，对汽车的噪声与振动的关 注也越来越多。而发动机是形成汽车的噪声与振动的一个主要激励源，对发动 机噪声与振动的测试是必要而且有意义的。 因此，该发动机测试系统主要进行三个方面的测试： 1 常规参数测试 与传统的发动机测试系统相同，发动机的常规性能参数是测试系统的重要 组成部分。这一部分的测试主要用于测量一些基本的发动机性能参数，诸如功 率、转速、转矩、油耗等。 2 振动测试 这一部分的测试系统主要用于测量发动机的整机振动、曲轴振动和导致这 种振动的激振力。 3 噪声测试 这一部分主要用于测试发动机在运行时产生的噪声辐射，并对该信号进行 时频域分析。 3 1 2 系统的设计要求 发动机测试系统应满足以下要求【l 2 j ： 1 发动机性能测试的试验时间比较长，系统应具有良好的稳定性，以保证 试验质量； 2 系统应具备数据记录、存储和显示功能； 3 许多发动机性能参数是由采集的相关参数进行计算获得，因此系统应具 有强大的数据处理能力； 4 为捕捉发动机性能参数的细微变化，并实时显示，系统应具有良好的实 时性； 5 系统应及时修正环境温度、湿度、环境噪声等因素的对测试结果所造成 l o 的影响： 6 系统应具有操作简单、软件界面友好等特点； 7 系统应具有可扩展性，以方便系统的扩展和维护。 3 2 发动机性能特性及其测试方法 3 2 1 发动机性能参数 1 常规性能参数测试 发动机的性能参数可以分为两大类：一是动力性性能参数，如功率、转矩、 转速等参数；二是经济性性能参数，如油耗等参数。在这一性能实验中主要测 量的发动机性能参数包括发动机的转速、转矩、排气温度、气压、油压、油耗 等；并在测得这些性能参数的基础上，按照一定的算法进行进一步计算，求得 功率、燃油消耗率、平均气压、平均排气温度等参数 ”】。 2 振动测试 发动机运转时产生的激振力和力矩主要是曲柄连杆机构的往复惯性力及 其力矩、旋转惯性力及其力矩、输出转矩不均匀性引起的倾覆力矩、曲轴和机 体弹性变形引起的力矩和工作过程中的气体脉冲力。这些周期性变化的力和力 矩如果得不到平衡，发动机将产生整机振动和曲轴的扭转振动 14 1 。因此，这一 部分的测试的主要性能参数为三个激振力( 活塞连杆等往复运动部件的往复惯 性力、由曲轴飞轮等旋转部件上不平衡质量引起的离心惯性力、燃气压力) 、发 动机整机振动和曲轴的三种振动( 扭振、轴向振动和纵向振动) 。 3 噪声测试 按照噪声辐射的方式，可将发动机的主要噪声源分为空气传递噪声和通过 结构传递噪声两大类。 空气传递噪声有进气噪声，排气噪声和风扇噪声，他们主要是由气流的振 动而产生的空气动力噪声。结构传递噪声是发动机工作时，内部结构的振动所 产生的噪声，通过发动机的外表面以及和外表面刚性连接的零部件的振动向大 气辐射的噪声，包含燃烧噪声和机械噪声 1 5 】。 该系统采取台架试验法，假想一个包络发动机主要噪声辐射部位的最小矩 形六面体作为基准体。在确定基准体时对于发动机上辐射噪声不大的凸出部位 可以不予考虑。测量表面是一个包络发动机的不包含底面的假想六面体，取9 个测点进行测量和分析 1 6 郴】。 3 2 2 发动机性能特性测试方法 对于以上三方面的测试，每个方面均有三种不同的试验项目，这三种试验 项目的试验方法及其相关规定如下： 1 负荷特性试验： ( 1 ) 试验目的 在恒定速度下，测试发动机在各种负荷下的各项性能参数。 ( 2 ) 试验方法： 人为地设定若干个转速，在不同转速下，让发动机的负荷从小到大，逐渐 加大油门，在此过程中对发动机的相关性能参数进行测试、分析、显示和存储。 ( 3 ) 相关规定： 国家颁布的汽车发动机性能试验方法中的相关规定对仪表精度及测量 部位的要求、试验一般条件的控制及其试验时发动机所带的附件都做了详细具 体的规定，该测试系统严格按照该标准执行。 2 速度特性试验 ( 1 ) 试验目的 测试在全负荷下，发动机在不同速度下的各项性能参数，找出其中规律。 ( 2 ) 试验方法： 油门全开，使发动机工作在全负荷状态下，有规律的改变转速，在此过程 中完成发动机的相关性能参数的测试。 ( 1 ) 相关规定： 相关规定同负荷特性试验。 3 调速试验 ( 1 ) 试验目的 在调速器手柄位置固定，转速和负荷按照一定规律变化的情况下，测试发 动机的各项性能参数； ( 2 ) 试验方法： 首先使发动机在空载状态下达到最高转速或者超负荷功率最高空载转速， 然后按照一定规律增加负荷，直至达到标定工况或者超负荷功率工况，在此过 程中测试发动机的相关性能参数。 ( 3 ) 相关规定： 相关规定同负荷特性试验。 3 3 系统的整体设计方案 从整体来说，系统分为硬件和软件两大部分 1 8 】，每一部分均有若干子系统 组成。其原理框图如图3 1 所示。 轳7 7 ， j 较 件 数据数据数据 都 处理存储 显示 分 图3 - 1 发动机性能测试系统结构框图 3 3 1 硬件部分 1 设计要求 硬件部分的设计涉及多个方面，除了能满足基本测试功能之外，还应考虑 以下几个方面： ( 1 ) 性能 选择的硬件设备应具有响应时间短，稳定性强，可靠性高等特点；应能够 在一定的温度、湿度、振动和压力环境下工作；应具有良好的抗干扰能力，在 存在一定强度的电磁干扰的环境中能够正常工作。 ( 2 ) 成本 选择的硬件设备应该具有较高的性价比，即在具有高性能的同时，价格不 能过高。尽量选用互补性强的设备，可以减少设备的数量；充分利用现有设备， 尽可能节约成本。 ( 3 ) 升级能力 选用的硬件设备应具有可扩充的接口，为以后系统的升级、扩展留下余地， 延长系统的使用寿命。 ( 4 ) 模块化 应尽量选用模块化的设备，为系统的维护、更新零部件、升级等提供便利。 2 硬件选用 结合以上硬件设计要求，该系统选用了以下一些硬件设备： ( 1 ) 传感器等测试前端设备 传感器位于整个测试系统的最前端，直接与发动机接触，所以其性能对整个测 试系统的影响比较大，应选择精度、灵敏度都很高的传感器。而且，由于需要 测试的参数种类繁多，针对不同的参数应采用不同的传感器，具体选用情况如 表3 1 所示。 表3 - 1 传感器选用类型和型号 用途 传感器类型型号 油温 热电阻铠装热电阻p t l 0 0 排气温度 热电偶k 型 压力 压力传感器p t p 7 0 1 压力传感器 振 动加速度传感器k i s t l e r 公司8 2 0 2 a 1 0 噪声 传声器b & k 公司4 1 5 5 油耗 油耗仪f c 2 2 1 0 系列智能油耗仪 转矩 转矩传感器湘仪动力测试j c g l 转速 转速传感器湘仪动力测试j c g 1 ( 2 ) 信号调理设备 由于各种传感器输出信号的类型、幅值和信号性质均不相同，并且存在许 多干扰信号，如果不加任何措施，直接连接到数据采集卡就会造成信号失真， 严重的会损坏数据采集卡。因此在传感器信号输入采集卡之前，应根据采集卡 的特性对各传感器的输出信号进行必要的预处理，使信号电压满足采集卡的输 入范围要求并且滤除包含在信号中的干扰波，保证系统所采集到的是纯净的标 准传感器信号，这项工作叫做信号调理 1 9 2 0 1 。 该系统中使用的信号调理设备是n i 公司的s c c 系列和s c x i 系列高性能 信号调理设备。两者都是模块化的前台信号调理，前者用于m 系列和e 系列 d a q 设备，可在传感器和信号之间自定义直接连接；后者适合于多通道采集应 用或者应用于u s bd a q 设备中。 ( 3 ) 数据采集卡 经由信号调理设备调理后的信号，经数据采集卡采集后，传输至计算机进 行处理。所以数据采集卡是一个桥梁，在计算机和传感器、信号调理设备之间 建立连接。数据采集卡一般由多路开关、放大器、采样保持器和a d 转换器组 成。其中多路开关将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信 号的分时采集；放大器将前一级多路开关切换进入的采集信号放大( 或衰减) 至 采样环节的量程范围内；采样保持器读取待测信号在某一瞬时的值( 即实现信号 的时间离散化) ，并在a d 转换过程中保持信号不变；a d 转换器将输入的模拟 量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。 该系统中使用的数据采集卡是n i 公司的动态信号采集卡p x l 4 4 7 2 和m 系 1 4 列数据采集卡，如p x l 6 2 3 0 等，其中p x l 4 4 7 2 主要用于采集振动信号。 4 ) 主控计算机 在该测试系统中，计算机是整个系统的核心，从系统的运行到数据的处理 都离不开计算机的控制。在恶劣的工业生产环境中进行试验，最好的选择就是 采用工业控制计算机。工业控制计算机的实时性强，可靠性高，能够在高温、 低温、高压、振动、冲击、潮湿、电磁干扰等恶劣环境下稳定工作，同时还具 有过压保护、过流保护、电子锁等附加功能，是工业环境中最理想的选择。 该系统中的工控计算机选用的是研华公司的研华p w s 1 4 0