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上海交通大学工程硕士专业论文 摘要 喷油器性能试验台测控系统的设计和开发 摘要 ：在汽车行业，按发动机燃油特性分为柴油车和汽油车，而喷油器 作为柴油机燃油喷射装置的关键部分，其性能的好坏直接影响柴油机 的功率和排放等。所以有效地监控喷油器质量的好坏、提高一次装机 合格率是油泵油嘴行业的关键问题，特别是现在国家对排放制定了越 来越严格的标准。本课题正是在这样的背景下提出来的0 本文在分析和比较了国外相关产品的基础上，采用了较为先进的 虚拟仪表技术，以软件的方法代替以往需要用复杂的硬件电路的方 法，完成对喷油器各项性能指标的检测。这种计算机控制的虚拟检测 技术不仅具有广泛的适应性和柔性，而且提高了检测的可靠性。 本文阐述了整个测控系统的硬件和软件设计原理和方法，并辅助 以框图、界面和表格对软硬件进行了详细的描述，其中重点介绍了软 件设计中的建模问题。 在设计虚拟仪表中本课题采用了较为通用的语言v b 、v c 和m s a c c e s s 数据库语言等，避免了采用昂贵的专用虚拟仪表的开发软件 ( 例如l a b v i e w 等) ，这对于开发相类似的大量低成本和可扩展的虚 拟仪表软件是有借鉴意义。 同时，完全采用软件的方案来代替硬件电路中的放大、滤波、整 形和计数等典型电路，大大简化了硬件电路，降低了成本，提高了可 靠性和可调试性。 通过本课题的工作，应用虚拟仪表技术，已开发成能实现对喷油 器性能指标进行计算机化自动测量装置，实践证明本装置效果良好， 具有实际应用价值，在进一步完善的基础上，可广泛应用于生产、检 验和产品开发各部门，对油泵油嘴行业主要产品油泵油嘴的自动检测 具有重要意义，并且较国外同类产品在某些功能上有所改进。1 、 、， 关键词：喷油器，虚拟仪表，测试，性能分析。 点查奎婆盔堂王堡堕主童些堡窒 塑量 t h ed e s i g n i n ga n dd e v e l o p m e n t o ft h et e s t i n gs y s t e mf o r t h en o z z l e h o l d e ra s s e m b l yt e s tb e n c h a b s t r a c t i na u t o m o b i l ei n d u s t r y t h ee n g i n eo ft h ea u t o m o b i l ei sc l a s s i f i e db yt h ep e t r o l e n g i n ea n dd i e s e ie n g i n e a n da st h ei m p o r t a n tp a r t so ft h er u e li n j e c t i o ne q u i p m e n t ，t h e n o z z l eh o l d e ra s s e m b l ym r a ) d i r e c t l yi n f l u e n c et h ep o w e ra n dt h ee x h a u s te m i s s i o no f t h ee n g i n e s oh o wt om o n i t o rt h eq u a l i t yo f t h en h a 、i m p r o v e dt h ee x h a u s te m i s s i o ni s t h ek e yp o i n to f 也ef e wi n j e c t i o ni n d u s t r y ，e s p e c i a l l yf o rt h ec r i t e r i o no ft h ee x h a u s t e m i s s i o no f f e r e db yt h eg o v e m m e n t c o m p a r ea n da n a l y s i st h ep r o d u c t i o no ff o r e i g n e r s ，w eu s et h ev it e c h n o l o g y ，t h a t m e a n su s i n gt h es o f t w a r ei n s t e a do f t h eh a r d w a r et of i n i s ht h ei n s p e c t i o no f t h ee a c hi t e m o ft h en h a i ti st h ef i r s tp r o d u c t i o no ft h ea r e a ，a n dt h e r ea r em o r ea d v a n t a g e st h a nt h e f o r e i g n e r s t h i st h e s i si sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r et oe l a b o r a t et h ep r i n c i p l e 、t h e m e t h o dh o wt od e v e l o pt h em o n i t o rs y s t e m ，a n da l s ou s et h ed r a w i n ga n dt h et a b l et o d e t a i li n t r o d u c et h es o t w a r ea n dt h eh a r d w a r e t h es o r w a r ea st h em e a s u r ep a r to ft h e t h e s i si se l a b o r a t e dd e t a i lw i t ht h ee q u i t a t i o na n dp r o g r a m t h i st h e s i su s et h ec o m m o ns o f t w a r ev b 、v ca n dm s a c c e s s ，p r o v i d ean e w i d e ao fd e s i g n i n gt h ev i w i t h o u tt h es p e c i a ls o f t w a r es u c ha sl a b v i e w 、v e e ，s ow e c a nd e s i g nb yl o w c o s t a n dw eu s et h es o f t w a r em e t h o dt oi n s t e a do ft h eo r i g i n a la m p l i f yf i l t e ra n dc o u n t e r c i r c u i t s ot h es y s t e mh a st h eh i g hr e l i a b i l i t ya n de a s yc a l i b r a t i o na n dt h ee f f e c ti sg o o d d u r i n go n ey e a ro fd e s i g n i n g 、c o m m i t i o n ，t h ei n s t r u m e n tn o wc a na u t o m a t i c a l l yc h e c k t h ei t e mo f t h en h a i tr e a c h e st h eg o a lo f t h ee x p e c t e da n ds h o w sm o r ea d v a n t a g e st h a n t h ef o r e i g n e r s i tc a l lb eu s e di np r o d u c t i o n 、i n s p e c t i o na n dd e v e l o p m e n td e p a r t m e n t ， a n d h a sg o o ds e n s ef o rt h ef u e li n j e c t i o ni n d u s t r y k e yw o r d s ：n h a ，v i ，i n s p e c t i o n ，f u n c t i o n ，a n a l y s i s 上海交通大学工程硕士专业论文 第一章 第一章本课题研究任务 本文针对油泵油嘴行业的生产实际需要，即如何解决喷油器性能参数自动测量 的问题，结合现代测试标准和测试方法以及国外的发展状况，提出了本课题的研究 任务。 1 1 喷油器性能试验的重要性 连接喷油泵和发动机的喷油器总成由喷油嘴和喷油器各零件组成，是决定发动 机性能的重要的部件之一。其作用是将喷油泵产生的高压燃油按一定的方向和位置 定量喷入发动机燃烧室内，产生雾化，与空气进行良好的混合，实现最优的燃烧过 程，从而使发动机获得最佳的动力性、经济性和低排放。 柴油机的低排放、低油耗、高效率取决于燃烧室中燃油、空气的混合效果，而 良好的燃油、空气混合依赖于喷油嘴的喷射特性，即油束的喷射方向、贯穿能力和 雾化程度。 所以，使用一台高精度的喷油器性能实验台来快速、有效地检测喷油器总成的 性能指标、控制产品质量，对提高发动机性能、改进工艺、降低排放，都有着重要 意义。 1 2 国内外研究概况 然而，世界各发达国家的油泵油嘴行业已基本淘汰了用人工来判别喷油器好坏 的方法，而代之以用性能实验台来进行全自动检测，并定性定量判别喷油器好坏。 相对于人工判别来说有着诸多优越性，主要表现在测量准确、精度高、测量条件一 致性好，全部参数定量表示、严格且可靠，无需人工干预、效率高，在装有机械手 的生产线上更加可以实现从无人化生产制造到无人化检测的高水平的无人生产线。 较具有代表性的是德国b o s c h 公司和日本z e x e l 公司，他们都已实现了全 自动检测，但在实现方法上略有不同。 德国b o s c h 主要是将测试原理和测试条件告知专业生产测试系统的生产厂 家，并签订保密协定，由专业生产厂家为其专门设计和制造。而专业厂家又采用成 熟的商业化的测试产品进行集成和开发，其中软件是专门开发的，并严格保密。 日本z e x e l 公司正相反，整个试验台由自己的非标设计部门来设计和组织生 产，并且测控系统全部采用硬件方案，并针对该试验台需要测试的参数专门设计测 试电路甚至专用集成电路。相对来说，设计制造成本可能较低，但制造、调试的难 度很大，专用性太强，不通用，难以升级换代。 不管怎样，他们都拥有了全自动性能试验台，为其产品在全世界通行提供了可 靠的保证，但其技术对发展中国家是严格控制、甚至花大价钱也不卖给的，可见此 技术对该行业来说相当重要。因此，依靠自身力量、采用现代测试技术、开发出比 其性能更好的性能试验台，意义尤其重大。 1 3 本课题的研究任务 第1 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第一章 目前国内大部分油泵油嘴行业仍旧采用比较原始的方法，用手动泵依靠人工方 法对其加压，使其喷射，通过压力表读数以及用眼看雾化效果、耳听喷射声音、手 摸是否滴油渗油来判断每一个喷油器的好坏，这种手工方法不仅使检验工人处在恶 劣的工作环境中，而且劳动强度大，完全凭经验和劳动态度来判断产品的质量，使 产品的质量控制极不稳定。如果说对于农用车这种方法还可应付，而对于轻型客货 车和小汽车来说是很难满足性能检验的。所以为了提高产品质量，夺取轻型卡车和 小汽车的市场份额，研制和开发新一代全自动的性能试验台已刻不容缓。 1 3 1 本课题的研究任务 威孚公司早在9 8 年已开始了这方面的研制工作，并初步完成了喷油器性能 试验台的床身、喷射系统、液压气动单元的设计和制造，但整个试验台的核心部件 测控系统直未能解决( 喷油器性能试验台组成框图参见图1 1 ) 。由此可见，如 何利用传感器实现监测喷油器在喷射状态下的压力变化并通过计算机处理，从压力 信号中提取喷油器的各种特征参数，且和给定值进行比较，以综合判定喷油器的好 坏，成为解决测控系统的关键任务。 参照国外的成功经验，根据威孚公司目前的主要问题，笔者认为，本文的主要 任务就是要研究开发一套性能良好的、经济实用的、符合中国国情的喷油器性能微 机化测控系统。该系统应具有显示、观察直观明了、操作容易、维修方便等特点。 图i - 1 喷油器性能试验台组成框图 图1 一l 中，压力传感器检测出压力，信号后经放大转换成4 - 2 0 m a 的压力信 号，经采集转换成数字信号后，送m c 机进行处理，m c 机在经过相应的处理后， 将得出的性能指标显示在屏幕上，并根据数据库中存放的性能指标的标准进行判 别，同时和p c 机进行通讯，协调整个机床的运动。 1 3 2 对测控系统的基本要求 第2 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第一章 本课题根据实际生产需要，主要是解决各相关参数的自动测量问题。这些相关 参数都是通过对喷油器在测试状态的压力变化进一步分析而求出的。为满足实际生 产需求，主要针对压力信号提出了量程和精度的要求，同时对测量时间提出了要求 以满足生产效率。性能指标是针对性能的不同方面分别指出的，因此可以定量、 定性、全面地反映油嘴的工作能力，无需借助于人工的方法，以期准确、客观、高 效地反映产品的质量。下面分两方面进行介绍： 1 、基本技术指标 ( 1 ) 压力测量精度：0 1 k g ( 2 ) 压力测量范围：0 - - - 5 0 0 k g ( 3 ) 测量时间：3 4 秒 2 、测定参数 ( 1 ) 开启压力即喷油器喷射压力的峰值，开始喷射的压力值。 ( 2 ) 开启压力差即喷油器中油嘴针阀开启和关闭的压力差值。 ( 3 ) 振跳次数即在测试状态下，一次供油喷油的次数。 ( 4 ) 油密即在一次喷射结束，供油管路中压力在五秒中的压力降。 第3 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第二章 第二章系统方案确定 本文根据本课题提出的具体要求和任务，采用目前较为流行的虚拟仪表的原理 和方法，结合具体应用的实际需要，规划了本课题采用的硬件结构和软件结构。 2 1 喷油器的测定标准和测试方法 喷油器处于喷油泵和柴油发动机的结合部，由喷油嘴和喷油器各零件组成( 见 图2 - 1 ) 。其工作性能的好坏对柴油机的功率、扭矩、比油耗、排放等都有重要影 响。对于某种设计定型的喷油嘴偶件或喷油器来说，理论上可以设计出满足发动机 性能要求的产品。而在实际上，由于制造工艺的复杂性和影响因素的多样性，尤其 在大批量生产中，其质量的稳定性难以控制，导致其性能往往达不到设计要求，因 此，能够采用高精度的、全自动的性能检测将有效控制喷油器的产品的出厂质量， 并可及时反馈，暴露出生产中存在的薄弱环节，便于改进工艺或加强质量控制。 n 。z z i a n d h o l d e r a c , , r 菇m b l y w t a lh “m ，m 2 1 1 喷油器的测定标准：篇：= ：= ：篇：搿：慧” 针对喷油器的质量要求，国家在1 9 9 8 年8 月颁布了篓釜舞誉篡翌；戳：。 新的喷油器总成的出厂标准j b t 8 8 1 8 - - 1 9 9 8 ，关于喷油、p 。一q “i - 1 器” 器性能方面，主要有以下几点： ( 1 ) 喷油器应按规定程序批准的产品图样和技术要求制 造。 ( 2 ) 使用g b 2 5 2 、g b 2 0 2 l 规定的燃油时，喷油器应能 保证正常工作。 ( 3 ) 喷油器喷油嘴偶件中针阀在针阀体内应具有良好的 滑动性。 ( 4 ) 喷油器喷雾质量应符合下述要求： 喷油器喷出的燃油应成雾状，不应有明显的肉眼 可见的飞溅油粒、连续的油柱和极易判别的局部 浓稀不均匀现象。 喷油开始和终了应明显，应伴有符合喷油嘴偶件 结构特点的特有声响或针阀的颤振声响。 允许采用与用户商定的喷油器样品进行比较评 定。 ( 4 ) 喷油器中喷油嘴偶件在喷油开始和结束，针阀体端 面或头部不得出现油液积聚现象。 ( 5 ) 喷油器各密封处不得有渗油现象。 ( 6 ) 喷油器的清洁度应符合j b f f 7 6 6 1 的规定。 ( 7 1 喷油器的流量及偏差应符合经一定程序批准的技术 文件规定。 图2 - 1 喷油器剖面图 第4 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第二章 注：图2 1 中，l 进油口，2 喷油器体，3 紧帽，4 隔板，5 喷油嘴，6 高压油 管，7 滤芯，8 回油口，9 调整垫片，1 0 压力通道，1 1 压力弹簧，1 2 弹簧座，1 3 定 位销。 2 1 2 喷油器的测试方法 关于测试方法在j b 7 i 8 8 1 8 1 9 9 8 中有以下描述： f 1 ) 喷油器针阀开启压力 先泵油多次，快速冲洗喷油器，然后用手缓慢地压下泵。用手泵多次，观察 压力表指针。当喷油器开始喷油的瞬时，指针突然下降前所指示的最高压力 值，即为喷油器的针阀开启压力。 f 2 ) 喷油器各密封处的密封性试验 按j b 6 2 9 3 规定的试验台进行试验，观察各密封处是否渗油。对于针阀开启 压力小于或等于1 7 5 m p a 的喷油器，在低于规定的针阀开启压力1 m p a 时起 作用。对于针阀开启压力大于1 7 5 m p a 的喷油器，在低于规定的针阀开启 压力1 m p a 时起作用。允许的最大压力降为规定的针阀开启压力组的2 5 。 从以上抽出的有关喷油器的性能指标和试验方法，可以看出，该方法主要是针 对传统的用手动泵试验的方法而制定的。在这种方法中，主要的评判方法多为用眼 观察和用耳听等较为抽象的词，所以在大批量生产过程中，调校工人的主观性起的 作用比较大，评判的标准往往因人而异，这样就很难保证产品质量的稳定性。 目前，国外已全面采用性能试验台进行油嘴性能的全自动检测，全自动检测原 理框图参看图2 2 。 在机械部件上，其实现的方法是大同小异的，即是通过输油泵将油从油池中供 给燃油泵，在变频电机的拖动下，将试验油加压到几百公斤。压力油经高压输油管 送到喷油器，喷油器在压力作用下开启针阀，燃油通过2 5 丝左右的几个空间角度 孔喷向四周。 从外观上，有的性能试验台结构是框架型的，结构紧凑，各部分集中在一个框 架内，便于实验室用和产品开发或现场抽检。有的性能试验台是开放型的，每个部 分比较分散，突出操作部位，便于工人操作和维护，适合于大批量生产。两者主要 部件和功能大体相同，但是在测控系统上则有较大的不同。 2 2 测控系统实现方法 本系统是一个典型的数据采集系统，有多种实现方法。典型的有硬件方法和软 件方法，各有优缺点。 2 2 1 测控系统硬件实现方法 日本z e x e l 公司主要采用硬件方法完成信号的处理。硬件测控系统的测试原 理框图如图2 - 2 所示： 第5 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第二章 图2 2 采用硬件的测试原理框图 图2 2 有放大和a d 转换板对传感器采集的压力信号在该板上进行调理、放 大，并采用专用集成电路来求峰一峰值等压力信号，在p c ( 可编程序控制器) 的 控制下，将求出的最大值( 开启压力) 、峰一峰值( 开启压力差) 等读入并显示。 对于振跳次数则在计数板上，通过对压力信号的放大、整形、滤波、计数电路等一 系列的处理，求出振跳次数，并在p c 的控制下读入并显示出来。至于油密也是在 p c 内部时间控制器的控制下，通过a f d 板采集得到。整个a d 板和计数板的时序 由p c 控制，即p c 既要完成试验台的动作控制，也要完成信号采集的时序控制， 并要完成与触摸屏的通讯和显示，以完成人机交互。 从上可以看出，整个测试系统和试验台控制融为一体，缺一不可。并且硬件电 路必须定做，软件也必须配合硬件电路和试验台的运动精心设计，即硬件和软件部 分是针对这个测试系统和试验台而专门设计的。在设计、制造、安装上必须统一考 虑，并要在试验台造好后进行严格而细致的调试和标定方可工作。 从硬件来看，由于需要定做和配合传感器进行人工标定，周期长，设计成本 高，而且不容易升级。 从软件来看，由于采用p c 的编程语言来编程，必须统一考虑试验台的运动控 制和信号的采集与显示，对p c 的性能要求高。同时对软件编制者要求对试验台要 相当了解，才可能把程序编好，可靠性则依赖于软硬件的设计和制造水平。 2 2 2 虚拟仪表实现方法l i 一、v i 的概念 v l ( a p 虚拟仪表v i r t u a li n s t r u m e n t ，下同) 通过应用程序将通用计算机与仪器硬 件结合起来，用户可以通过友好的图形界面( 通常叫做虚拟前面板) 操作这台计算 机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。v i 以透明的方式 把计算机资源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字 i o 、定时器、信号调理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的 分析处理和表达以及用户接口的图形化( 见图2 - 3 ) 。 第6 贞 上海交通大学工程硕士专业论文第二章 采集与控制 数据分析 数据表达 插入式 数据信号网络 拉榍采臻仅 盘卜弹 g f | b 硬拷贝 仪器 数宇滤波 输出 v 统计 付器 文件u 0 r s - 2 3 2 图形用户 仪器 数字分析接口 图2 3v i 的内部功能划分 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、b s 2 3 2 、d a q 板) 和可重复用原码库函 数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通讯、定时与触发。原码库函数为用户 构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放性和灵活性以 及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减 硬、软件模块，或重新配置现有系统。这样，当用户从一个项目转向另一个项目 时，就能简单地构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件和软件。 二、v i 的演变与发展 v i 系统随着计算机技术的发展而突飞猛进，显示出越来越强大的生命力。它 有传统仪器无可比拟的优势，是未来仪表的发展方向。 1 、计算机是动力 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带i e e e 4 8 8 接口的智能仪器到全部可编程 v i 的发展历程。其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。近年来，计 算机的处理能力一直按指数率提高。其发展之快已把传统仪器远远抛在了后面。功 能强大的r i s c 处理器( 包括p o w e r p c ，s p a r e ，a l p h a 和p a r i s c ) 和先进的操作系 统( 如w i n d o w sn t ，s o l a r i s ，n e x ts t e p 等) 在台式机中得到了迅速发展。计算机具 有仪器所需要的、最先进及性能价格比最好的显示与存储能力。高分辨的图形显示 与数百兆的硬盘业已成为标准配置。 值得一提的是，由于计算机技术、特别是计算机总线标准的发展导致v i 在 p x i 和v x i ( v m e b u se x t e n t i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 两个领域中得到了快速的发 展，它们将成为未来仪器行业的两大主流产品。 具有上百m h z 、甚至i g h z 采样率，高达2 4 b i t s 精度的d a q 板己经面市。 a d 转换技术，仪器放大器，抗混叠滤波器与信号调理技术的进一步发展使d a q 板成为很具吸引力的v i 选件之一。模块化的d e l t a - - s i g m a a d 转换器和仪器放大 器可在3 9 s 内完成1 2 b i t s 精度下的参数设置，抗混叠滤波器可按1 6 倍频程衰减 9 0 d b ，多通道、可编程的信号调理等性能与功能仅仅是d a q 板先进技术中的几个 例子。 v x i 是结合g p i b 仪器和d a q 板的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、 开放式的工业标准。v x i 技术优化了高速a d 转换器、标准化触发协议以及共享 内存和局部总线等先进技术和性能，成为可编程仪器的新领域，并成为电子测量仪 器行业目前最热门的领域。现在，已有数百家厂商生产的上千种v 产品面市。 2 、软件是关键 第7 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第二誊 有了计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用v i 的关键在于应 用软件。这是因为软件为用户构造或使用v i 提供了集成开发环境以及高水平的仪 器硬件接口和用户接口。基于软件在v i 技术中的重要作用，美商国家仪器公司( n i ) 提出的“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的说法十分形象地描述了软件 在v i 中的重要作用。 应用软件流行趋势之一是图形化编程环境。最早应用图形化编程技术开发v i 始于n i 公司1 9 8 6 年推出的l a b - v i e w 软件包。目前面市的图形化v i 框架的n i 公 司的l a b v i e w 和h p 公司的v e e 等。应当指出，图形化开发环境与图形化v i 框 架是不同的，其主要区别在于用其v i 组件开发可复用原码模块的能力，后者的这 些原码模块必须具有被其它原码模块继承性地调用的能力( 见图2 。 图2 - 4v i 应用软件具有可被其他可复用原码模块继承性调用的能力 通过应用程序提供的仪器硬件接口，用户可以透明的方式操作仪器硬件。这 样，用户并不必成为g p i b ，v x i ，d a q 和r s 2 3 2 方面的专家，也可以方便、有效 地使用这类硬件。 控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块就是所谓的仪器驱 动程序( i n s t r u m e n td r i v e r s ) ，它现在已经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动 程序可以实现对特定仪器的控制与通讯，成为用户建立v l 系统的基础软件模块。 而以往用户必须通过学习各种仪器的命令集、编程选项和数据格式等才能进行仪器 编程。采用标准化的仪器驱动程序从根本上消除了这种仪器编程的复杂过程，使用 户能够把精力集中于仪器的使用而不是仪器的编程上。正是由于仪器驱动程序的这 些重要作用，使它成为应用软件供应商之间的一个主要竞争领域。这种竞争给用户 带来的个方便之处是几乎任何一个带标准接口的仪器都有现成的驱动程序可供利 用。如购买n i 公司l a b - v i e w 软件的用户可定期得到一张免费光盘，该光盘包括 世界上6 0 多家仪器公司的6 0 0 多种仪器的原码驱动程序。 除仪器硬件接口( 即仪器驱动程序) 是v i 应用软件的标准模块之外，用户接口 开发工具( u s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n tt o o l s ) 不仅是通用语言的标准组成部分，而且 也已成为v i 应用软件的标准组成部分。之所以对用户接口开发工具作出如此广泛 承诺，其直接原因是因为在传统的程序开发中，用户接口的开发一直是一件最耗时 的任务，而且如何编写从用户接口响应输入、输出的应用程序，其复杂程度无异于 第8 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第二章 学习一种新的语言。而现在v i 软件不仅包括诸如菜单、对话框、按钮和图形这样 的通用用户接口属性，而且还有像旋钮、开关、滑动控制条、表头、可编程光标、 纸带记录仿真窗和数字显示窗等v i 应用接口属性。这些属性即使应用像v i s u a l b a s i cf o rw i n d o w s 和v i s u a l c + + f o rw i n d o w s 这些推出不久的面向对象语言来开发 v i 的用户接口，也是非常困难的。 三、v i 的构成 从构成要素讲，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d a q 板和信号调理为仪器硬件而组成的p c d a 0 测试系统，以 g p i b 、v x i 、s e r i a l 和f i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系 统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种v i 系统，都是将仪器硬件搭 载到笔记本电脑、台式p c 或工作站等和各种计算机平台上再加上应用软件而构成 的。因此，v i 的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出v i 的灵 活性与强大生命力。 四、v i 的特点 l 、虚拟仪器的优点 虚拟仪器有如下优点： ( 1 ) 在通用硬件平台确立后，可由软件而不是硬件来决定仪器的功能。 ( 2 ) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好 的。因此，用户不必购买多台不同功能的传统仪器，也不必购买最贵的多种功能的 传统仪器，因为在这种仪器中，往往只有一种功能是常用的，而其他功能却都是不 需要的。 ( 3 ) 为提高仪器性能或需要构造新的仪器功能时，可由用户自己改变软件来实 现，而不必重新购买新的仪器。 ( 4 ) 虚拟仪器技术更新周期短，一般为1 2 年；而传统仪器需要5 - 1 0 年时间。 ( 5 ) 虚拟仪器灵活、开放、可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互 联。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器 的关键是软件”。 1 、v i 与传统仪器的区别 v i 与传统仪器有如下区别： ( 1 ) 前者关键是软件，后者关键是硬件。 ( 2 ) 前者的功能由用户使用时自己定义，而后者的功能是由厂商事先定义好 的。 ( 3 ) 前者开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，而后者封闭、固定。 ( 4 ) 前者与网络和周边设备方便互联，而后者功能单一，是一种互联极其有限 的独立设备。 另外v i 仪器还具有价格低，开发和维护费用低，技术更新周期短( 1 2 年) 等特 点。有人把功能确定的计算机插卡式仪器也笼统地叫做v i ，这有背于v i 与传统仪 器本质的区别。由此可见，没有面向科学家与工程师的图形化编程平台就很难谈得 上广泛普及v i 。 2 3 本测控系统的方案组成 第9 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第二章 针对本课题，主要是对压力信号的提取、计数、显示及数据维护等工作。考 虑到c 语言对硬件有较强的处理功能，v b 能方便快捷地设计出友好的人机界面， 对于数据维护来说由于是单用户、不涉及多用户，与v b 的结合型较强等特点，因 此采用微软的m s a c c e s s 数据库，实现数据的回放、存储等功能。本文尝试用 v b 、v c 结合m s a c c e s s 数据库这些通用工具，用虚拟仪表的原理和方法，利用 v b 、v c 和m s a c c e s s 的强大资源和功能来开发这一套性能试验台的测控系统。 采用通用的压力传感器和信号采集系统、工业控制计算机等成熟产品，组成整个系 统的软硬件解决方案，是切实可行的。并且有快速、经济、可维护性强、使用方 便、升级灵活、可根据用户需求随着增加功能等特点。相对于前述硬件解决方案来 说，功能更强、可靠性更高；相对于软件试验方案来说，成本更低，维护和升级更 为方便。 2 3 1 系统硬件组成 为了提高系统的安全性、稳定性和高的测量精度以及更强的信号处理能力，在 研制喷油器性能试验台测控系统上，本文选择虚拟仪器作为研究方向，为开发新一 代的燃油喷射测控系统打下基础。要开发一个测控系统，针对喷油器的性能要求和 特点，本系统硬件框图如下( 如图2 5 所示) ： 试 ，、 工 垂嚣 显 示显 垂萋 嚣 和示 判器 别 信调 v机 v 验 蒸 号理 台 工 作 调电 在 理路 测 试 状 态 图2 - 5 系统硬件框图 ( 1 ) 压力信号的提取和信号调理 为测试一个喷油器总成的性能，必须首先将喷油器放置于试验台上。试验台对 喷油器总成以测试规定的油泵转速和供油量向喷油器供油，在供油凸轮的某一位置 机床控制系统通知测控系统开始测量。此时，装在供油管路上的压力传感器提取压 力信号，并经过信号调理，转换成可供a d 转换处理的电信号。信号采集的关键 是压力传感器的选取，要保证高压下的精度和稳定性。 ( 2 ) 信号的数字化 对压力传感器和信号调理电路产生的模拟电压或电流信号，为能用计算机对其 作进一步处理，必须进行a d 转换的数字化处理。但数字化处理的关键是选择好 数字化的精度和转换速度。 第1 0 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第二章 ( 3 ) 分析计算 这是本课题的核心。对前面数字化的信号，要能从中分析计算和提取所要求的 标准参数，并能和规定值进行比较，判别性能指标的某一项或某几项不好。并根据 实际的不同需要，能提供数据的打印和存储等项功能。这就涉及到信号处理技术、 操作界面编程技术、数据库处理技术等一系列相关部分的设计，是本课题的重点和 难点，也是本课题成败的关键。 2 3 2 测控系统软件组成 该测控系统软件由主模块、测试模块、数据设定模块、数据模块和参数模块等 组成，参见图2 - 6 。 图2 - 6 软件框图 图2 - 6 中，主模块和测试模块用于生产和检验。它显示采集信号的压力波形 和经过计算的各参数值，并在上面可以看到计算机计算机自动判别的结果，可以方 便快捷地更换产品品种。 数据设定模块用于工艺参数设定。该模块主要用于工艺人员将针对不同品种的 喷油器的参数逐一输入并存储在计算机中，在生产过程中，操作人员只需在测试画 面上调向相应的产品代号，其产品参数可以自动更改和显示出来，用于工人参数和 计算机自动评定。 数据模块用于数据管理和性能试验。主要用来根据生产需要在测试的同时，存 储每一件产品的各项指标和波形，便于永久保存，便于产品的质量跟踪、质量分 析、统计。特别是波形存储功能，可以实现波形回放，对分析产品的波形和性能指 标的关系有重要意义。 参数模块用于机床调整和传感器标定。主要用来当机床在运行一段时间后，传 感器的线性或零点如改变，可通过该界面输入新的线性值和零点，即可停止读数， 便于机床的校准和维护。这是性能试验台所必须的。 第1 1 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第三章 第三章软件设计 本章主要介绍虚拟仪表的设计原理和方法，重点介绍本课题的重点和难点即虚 拟滤波器的设计原理和方法，并给出了设计程序框图。同时还介绍了整个软件设计 的主要流程和步骤。 3 1 虚拟仪表设计原理 虚拟仪器是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传 统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。 3 , 1 1虚拟仪器的内部功能 测量仪器的内部功能可划分为输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结 果的显示四个部分。虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三 个部分来叙述。 1 、信号采集与控制功能 虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对信号的采集、测量、 转换与控制。 硬件平台由两部分组成： ( 1 ) 计算机：可以是笔记本计算机，p c 或工作站； ( 2 ) 仪器硬件：可以是必要的外围接口电路和插入式数据采集板( 含信号调理 电路、a d 转换器、数字i o 、定时器、d a 转换器等) ，或者是标准总线接口的仪 器、v x i 仪器、r s 2 3 2 仪器等。 2 、数据分析处理功能 虚拟仪器充分利用了计算机的存储、运算功能，并通过软件实现对输入信号数 据的分析处理。处理内容包括进行数字信号处理、数字滤波、统计处理、数值计算 与分折等。虚拟仪器比传统仪器以及以微处理器为核心的智能仪器有更强大的数据 分析处理功能。 3 、测量结果的表达 虚拟仪器充分利用计算机资源如内存、显示器等，对测量结果数据的表达与输 出有多种方式，这也是传统仪器远不能及的。例如，虚拟仪器可以实现： ( 1 ) 通过总线网络进行数据传播： ( 2 ) 通过磁盘、光盘硬拷贝输出； ( 3 ) 通过文件存于硬盘内存中； ( 4 ) 计算机屏幕显示或图形用户接口。 3 1 2 虚拟仪器的构成 1 、构成要素 虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。计算机与仪 器硬件又称为v i 的通用仪器硬件平台。 2 、构成方式 第1 2 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第三章 v i 系统有如下多种构成方式： ( t ) p c d a q 测量系统：是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件 平台组成的测试系统。 f 2 ) g p i b 系统：是以g p i b 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系 统。 f 3 ) v x i 系统：是以v x i 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 ( 4 ) 6 口系统：是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。 ( 5 ) 现场总线系统：是以f i e l d b u s 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试 系统。 无论上述哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合。 其中p c d a q 测试系统是构成v i 的基本方式，因为，实际上数据采集系统d a s 测试系统也是构成各种标准仪器的基础，故虚拟仪器是基于“信息的数据采集 ( a d c ) 信号的分析与处理( d s p ) 输出( d a c ) ”及显示结构模式建立的通用仪器硬件 平台。在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪 器。 目前，为不同的应用目的和环境，已设计了多种性能和精度的数据采集板 f 卡) ，从低速采集到高速同步采集板，并有成熟的商品为虚拟仪器系统的建立提供 了物质基础。 3 1 3 软件在虚拟仪器中的作用 在一定配置的计算机和仪器硬件确定下来后，软件成为构造和使用虚拟仪器的 关键。按功能分，v i 中的标准软件模块主要有两大类，它们是用户建立v i 系统的 两大基础软件模块。 一、编程设计图形化软件模块( l a b v i e w 或l a b - w i n d o w ss v i 系统开发平台) 这部分基础软件模块的作用是创建一个系统开发的软件平台，在这个软件平台 上，通过调用原码模块实现编程设计的图形化。 1 、原码模块 原码模块有如下两种形式： ( 1 ) 各种控件 这种原码模块的作用是通过软件使虚拟的图形控件如开关、旋钮、表头、 数字显示窗、图形显示窗等具有实际控件所具有的功能，这些控件的实物构成 的是传统仪器的面板，而相应的虚拟软件图形构成的则是v i 的虚拟面板，但是 二者的功能是相同的。 ( 2 ) 库函数 可供调用的库函数有基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数、文件 i o 函数、高级数字信号处理函数( 如f f t 、相关等) 、数值分析函数、统计处理函 数及各种硬件( v x i 标准总线、d a q 板、总线接口、g p i b 仪器等) 驱动程序库函 数。 2 、图形化开发环境与图形化v i 框架软件模型 目前已面市的图形化v i 框架主要有n i 美国国家仪器公司推出的l a b v i e w 软 件包和h p 公司的v e e 软件包。在这种软件模块的图形化编程环境和图形化v i 框 架内，可通过诸如菜单、对话框、按钮、图形等方式重复调用控件进行虚拟仪器面 板设计，以及调用库函数原码模块进行数据分析和仪器测量功能的设计。 第1 3 页 上海交通大学工程硕士专业论文 第三章 二、仪器驱动程序与用户接口开发工具( 标准软件模块) 系统提供的仪器硬件驱动程序使用户可以通过透明方式操作仪器硬件。这样用 户不必成为g p i b 、v x i 、d a q 或r s 2 3 2 方面的专家，就可以实现对特定仪器硬件 的使用、控制与通讯。因此，仪器驱动程序成为v i 应用软件的标准模块。成为标 准软件模块的还有用户接口开发工具，它不仅是通用语言的标准组成部分，而且也 是v i 应用软件的标准组成部分。 在仪器驱动程序与用户接口开发工具标准软件模块支持下，用户不必耗费时间 像学习一种新的语言一样来编写从用户接口的某一通道信号的读入、转换、传输至 某个通道输出的应用程序，而这一编程过程可以通过v i 软件模块提供的用户接口 属性如菜单、对话框、按钮、图形等的确定，以及对应接口属性如旋钮、开关、滑 动控制条、可编程光标等的确定来完成。这就从根本上消除了仪器编程的复杂过 程，使用户能够把精力集中于仪器的功能设计而不是编程上。正是由于仪器驱动程 序的重要作用，几乎任何一个带标准接口的仪器厂家都提供仪器驱动程序以增加产 品的竞争力。 3 2 虚拟仪表界面设计 仪表界面是人机交互的主要手段，体现了仪表的主要功能。虚拟仪表主要采用 软界面来完成人机交互。软界面具有设计方便、灵活的特点，能充分体现虚拟仪表 的特点，能根据不同用户的要求随意定制仪表界面的外观，增减界面的功能，不用 增加任何成本。在软件总体安排上，根据功能将软件分成了主模块、测试模块、参 数设定模块和数据模块。 3 2 1 主模块 主模块主要实现了虚拟示波器的功能，将采集的数据实时显示在画面中，并根 据需要决定是否存放在数据库中( 如存放在数据库中，一次最大数据存储量不大于 6 0 0 0 0 个) ，并启动其它模块完成各项参数的测试任务。图3 1 中的曲线即实际采 集到的压力曲线。从图3 - i 中可以清楚地看到一次供油产生了五次喷射。 第1 4 页 上海交通大学工程硕士专业论文第三章 图3 - i 主模块界面 3 2 2测试模块 测试模块主要完成当数据采集进来以后，在主画面显示完成时即进行开启压 力、开启压力差、振跳和油密的计算，计算的结果将立即显示出来并和给定的参数 进行比较，并根据比较结果显示相应的图标( 如图3 2 ) 。只有各项指标同时合格 了，综合判定才能通过，这样有利于操作者很直观地判别是哪一项或哪几项指标不 好，并进行进一步相应的处理，给返修提供了直接的依据。如果加上多媒体技术则 可以通过语音直接告诉操作者是什么指标不好。在计算出这些指标以后程序将根据 事先的设定决定这些数据是否存入数据库中并永久保存，可根据需要进行打印。有 关数据的进一步分类、归档、打印或处理可以在微软的m s a c c e s s 软件中进行，由 专业人员负责操作，避免了重复劳动和设计，将设计的重点集中在数据处理。数据 处理的关键在于滤波。在比较了几种滤波方案后，