（车辆工程专业论文）发动机台架cat系统的研究.pdf

摘要 本文主要介绍发动机台架测试系统开发的整个过程。 发动机是工业生产中的主要动力机械之一它在汽车、船舶、铁路、航空等方面获得广泛的 应用。随着工业发展，发动机的性能要求越来越高，因此对发动机性能的测试手段和数据分析方 法有了进一步的要求，需要实用快捷的发动机铡试系统。内燃机专业的教学内容重中之重的就是 台架试验，它是内燃机专业学生对内燃机各种性能参数及其变化规律的宏观认识方法。本课题以 先进的数据采集设各为基础开发了实用的发动机测试系统软件，一方面供r 大的专业学生试验 使用，另一方面在提高精度的前提下供实际生产使用。 文中介绍了基于w i n d o w s 的发动机性能试验数据采集分析系统，它具有良好的人机交互界 面，精度高，数据处理及时可靠等优点利用l a b w i n d o w s c v l 软件开发的数据采集系统极大的 改善了台架性能试验的工作效率。减轻了试验人员的负担。本系统主要应用于试验教学方面，节 约了成本，提高了效率。测试结果表明该系统实现了预期的目的，并具有息好的通用性和实用价 值。 关键词：发动机，测试，数据采集 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ew h o l ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ee n g i n et e s ts y s t e m t h ee n g i n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp o w e rm a c h i n e si nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，w h i c hi s w i d e l yu s e di ns u c ha s p e c t sa sa u t o m o b i l e ，s h i p p i n g ，r a i l w a y , a v i a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , m o r ea n dm o r eh i g he x p e c t a t i o n sh a v ep u to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c e t e s tm e a n so ft h ee n g i n ea n dd a t aa n a l ) f t i a c a lm e t h o dh a v eb e e nf u r t h e rr e q u i r e d i ti sn e c e s s a r yt oh a v e p r a c t i c a la n d s w i f te n g i n et e s t s y s t e m a s t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h et e a c h i n gc o n t e n to f i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n em a j o r , e n g i n et e s te n a b l e st h es t u d e n t so ft h ei n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e m a j o rt oc o g n i z et h ev a r i o u sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dl a wo fc h a n g i n g b a s e do nt h ea d v a n c e dd a t a c o l l e c t i n ge q u i p m e n t ，t h i sp a p e rd e v e l o p sp r a c t i c a ls o f t w a r eo fe n g i n et e s t o nt h eo n eh a n d ，t h es o f t w a r e c a nb eu s e df o rt h es t u d e n t so ft h ei n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n em a j o r o nt h eo t h e rh a n d ，i ta l s oc a nb e u s e di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o no nt h ep r e m i s eo fi m p r o v i n gp r e c i s i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee n g i n ep e r f o r m a n c et a s td a t ac o l l e c t i n ga n da n a l y t i c a ls y s t e mb a s e do n w i n d o w s ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fg o o dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c e s ，h i g hp r e c i s i o n ， r e l i a b l ea n dt i m e l yd a t ap r o c e s s i n g d a t ac o l l e c t i n gs y s t e md e v e l o p e db y l a b w i n d o w s c v ls o f t w a r e h a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ee n g i n ep e r f o r m a n c et e s ta n dl i g h m n n e dt h eb u r d e no f t e s t i n g p e r s o n n e l t h i ss y s t e mi sm a i n l ya p p l y e dt ot e s tt e a c h i n g i ts a v e st h ec o s ta n dr a i s e st h ee f f i c i e n c y t h et e s t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e mr e a l i z e st h ea n t i c i p a t e d p u r p o s ea n dh a sg o o dc e m m o n a b i l i t ya n d p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ：e n g i n e ，t e s t ，d a t aa c q u i s i t i o n i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导了进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的她外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 誊延 时间：撕巾 年月跏日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 孝翘 时间：埘年岁月如日 时间：心弓月知日 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 “实践是检验真理的唯一标准”。认识来源于实践，又要得到实践的检验。科学研究的重火 理论创新往往都是从对新的试验现象的观察和分析中产生的，而且理论的可靠性又必须通过试验 来验证。正因为测试如此重要，俄国科学家门捷列也夫说过，“没有测量，就没有科学”。 试验台架作为内燃机最基本的试验平台，对内燃机各种性能参数的测量和观察有着至关重要 的指导意义，通过试验台架可以培养学生基本的试验方法和技能，使学生加深对概念、理论和规 律的理解，并且可以培养学生严谨和求实的科学态度。 内燃机测试技术水平的高低是衡量汽车工业现代程度的一个重要标志，汽车工业水平的发展 离不开发动机测试技术的提高。我国有数千家的内燃机制造企业每家企业也有数量不等的发动 机试验台架，再加上各有关科研院所和高等院校，估计全国试验台架有上万台，这些试验台架绝 大多数都是传统意义上的测试系统，需要手动调整各种工况，目测读数、手写记录状态，这些测 试方式和方法已经不能满足于现代测试的基本要求。为此，在目前计算机控制技术迅速发展的背 景下能否依靠先进的测试设备，运用先进的测试手段和方法，把原有的发动机台架的各个测试 设备联系起来组成一套完整的自动化程度高的计算机辅助测试( c a t ) 系统，且经济效益比较明 显，是一项比较有意义的课题。 近年来，我校内燃机实验室的柴油机台架基本上还是老式的测试系统，主要依靠人力进行测 量、读取、记录和处理各种数据，往往一次试验需要多人协调进行，而且试验过后的数据处理还 需要经过繁杂的数据处理过程，即浪费人力又浪费时间，效率不高，同时由于人为的因素，不可 避免地带来了各种各样的误差和错误，试验的可靠性下降。该系统已经不能很好的满足试验课程 的需要需要进一步的改进。随着电子技术的飞速发展，大规模及超大规模集成电路的出现计 算机运算速度的加快、可靠性不断的提高，特别是近几年高性能、低价格微处理器、嵌入式系统 及数字信号处理器( d s p ) 的制造商越来越多，所有这些都为我们实验室的改造提供了有利条件。 1 2 测试技术的发展状况 1 2 1 计算机测试技术“ 2 0 世纪7 0 年代以来，在迅速发展的计算机、微电子等技术的推动下，同时也是为了适应现 代化工农业生产甚至军事的需要，测试技术与仪器是在不断的发展和进步，相继诞生了智能仪器、 总线仪器、虚拟仪器及网络仪器等微机化仪器及其自动测试控制系统。网络技术的出现印发展， 正在极大的改变人们生活的各个方面。具体到计量测试技术与仪器领域：微机化的仅器联网、高 档测苗仪器设备及测量信息的地区性、全国性及全球性资源批享，远程数据采集与测控，远程设 备的故障诊断等等。继“计算机就是仪器”和“软件就是仪器”的概念之后，“网络就是仪器” 的提法也已经出现。微机化仪器利用计算机的软件和硬件的优势，既增加了仪器的功能，又提高 丁仪器的技术性能。与计算机技术的密切结合，已经是当今仪器与测控技术的发展主流。微机的 迅速发展给测试技术的进一步提高带来更为广阔的发展空间。随着计算机技术的更进一步发展， 计算机和现代测试设备间的界限会日益模糊，测试观念也会发生变化，测试领域也会不断拓宽。 基于p c 机的测试模式，它是现在计算机测试技术的发展的主要方向，结构如图1 所示。它 主要完成被测信号的采集、放大、a d ( d a ) 转换。根据不同的总线及其相应的i 0 接口。计 算机测试可分为数据采集板( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、p x i 总线仪器模块、 串口总线仪器等5 种主要类型。 ( 1 ) p c - d a o 系统 它是以数据采集扳、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式测试仪器系统。这 种系统采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，故将数据采集卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中即 可。这种接口的数据采集仪器相对独立仪器而言，成本更为低廉、操纵灵活、性能更强。由于p c 机提供了几乎全部的通信接口、供电、分析、数据处理、显示等仪器性能，这种方案以较高的性 能价格比和灵活易用性而得到广泛应用。 ( 2 )g p i b 系统 g p l b 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人j c 操作方式，可以很方便的 把多台仪器组合起来，形成大的自动测试系统。g li b 测试系统的结构和命令简单，造价较低。 适合于精度要求高，但对计算机速率要求不高的传输场合应用。 ( 3 )v x i 系统 v x l 总线是高速计算机总线v m e 在v i 领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力 和严格的r f i e m l 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精 确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。 ( 4 ) p x i 系统 p x i 总线方式是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同 步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模块的高速通信的局部 总线。p x l 有高度的可扩展性。它由8 个扩展槽，而台式机p c i 系统只有3 4 个扩展槽，通过使 用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的 扩展优势结合起来，将形成未来主流的测试平台。 ( 5 ) 串口系统 它是以s e r i a l 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的仪器测试系统。在数据通信、 计算机网络以及分布式工业控制系统中经常采罔串行通信方式来交换数据和信息。串行通信也 是测试仪器的又个应用领域。这种通讯形式与并行通讯相比，具有传输距离长、连接简单、数 据传输可靠性高等特点。 无论上述哪种计算机测试系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合，其中， p c d a o 测量系统是测试系统中域基本的方式。也是最廉价的方式。 2 田1 善于p c 机的测试模式 1 2 2 内燃机测试技术1 2 3 | 发动机工作时，气缸内部进行着极其复杂的物理化学过程，在工作循环过程中又受到多种因 素的影响对这一过程的描述，单靠数学计算永远满足不了要求在计算机飞速发展的带动下， 以计算机为基础的计算机辅助测试系统( c a t ) 就成为内燃机测试的重要发展方向早期的发动 机试验台架自动化程度较低，对人的要求较高，这样不可避免的引入了人为的误差，对测试的精 度产生影响。而且试验过程中需要大量的人员作相应的记录，极大地浪费人力物力。近年来，随 着计算机技术的发展，测试仪器和设备的自动化、智能化得到进一步的提高，高速数据采集、处 理、分析和自动控制为一体的各种翟4 试设备不断更新，测试的功能和范围也越来越大如有的厂 家在油耗仅中接入单片机，不仅能够测量油耗、转速、还能进行各种计算，通过接口直接将测试 数据输出，数据曲线输出至打印机，操作人员可以得到最终所需要的一些测试结果，省去丁不少 记录、计算、绘制图形、表格截作等工作。国外从7 0 年代就开始进行自动化的试验台架的研究。 较为先进的如奥地利的a v l 公司开发的发动机铡控系统，它的硬件和软件都是作为一个整体来开 发设计的，控制柜可以将控制台、测试技术和自动控制溶为一体，控制台的核心是个微机系统， 承担全自动或半自动的试验，包括调节、数据处理和监督 v l 公司的产品已经系列化，田内一 些厂家和研究单位已经买进，并且在试验中发挥了很大的作用到目前为止，圈内外各大发动机 厂家和研究机构都在使用自动化的试验台架，并进一步自主开发，使之功能更全、自动化程度更 高、测试结果更精确 1 2 3 内燃机台架的计算机辅助测试系统 现代自然科学的发展，多学科技术眈创新与融合，测试仪器与计算机的互动发展，使得测试 过程、测试目的、测试结果处理的观窟j ，】蹙生了改变。 发动机试验过程中，需要测量多个狸夹参数，例如，大气压力、转速、转矩、有效功率、燃 油消耗率，各个器件的温度等等，有些试验还需要增加点火提前角和排放( c o 、h c 、n 0 1 ) 等参数 的测量。很显然，整个发动机的台架试验装置完全作为一个集中的测控系统，而且是个多点采集 的控制系统。测试的过程之中，操作人员耍对各项参数进行监控，随时调控工况，并且需要在相 应的时间记录各点测试的参数值，系统参数较多，需要频繁的进行记录和调节。很明显，传统性 质的台架测试系统由于效率不高，同步性差，已经不能满足现阶段发展的需要。为提高生产和科 研中的测量与自动化水平，采用计算机技术的发动机台架测试系统是发展的必然趋势。能够自动 把精度控制在一定的范围之内，同时进行采集、显示、记录、数据处理和试验曲线绘制等工作的 试验系统是发动机台架的发展方向。 通过实际调研和文献检索的情况来看，目前发动机台架试验计算机测控系统能够根据用户的 耍求目动地调整发动机的工况，并将其控制在一定的精度范围之中，同时能够应用较为先进的控 制算法实现最优控制。系统可以根据设定的工况要求自动的更换发动机的测试工况，同时完成数 据采集、显示、记录、数据处理等，可以实时监测跟踪试验过程中发动机各性能参数的变化自 动数据存盘及打印输出数据和性能曲线，直到完成所有试验内容，从而实现发动机测试的全自动 化。在国内，多数自主开发的台架测试系统可以基本达到测试要求的条件，但系统的自动控制能 力、稳定性和扩展性能有很大的局限性。国内多家企业和科研院所正致力于计算机测控的发动机 台架试验测控系统的研制，相继开发了具有自主知识产权的高水平测控系统。如1 9 9 8 年1 月上 海交通大学开发的j 1 1 4 集散式柴油机测控系统；1 9 9 8 年3 月桂林开发了v x i 总线发动机自动测 试系统：1 9 9 9 年2 月北京工业大学研制了基于集散型控制系统的发动机台架：近几年刚刚出现的 e m e 东测科技有限责任公司研制的f 晰e - 1 0 1 发动机试验台，山东内燃机研究所研制的t o pp o w e r 内燃机性能自动化测控系统。而且内燃机台架测试也是一喜处在高速发展之中，2 0 0 3 年宝马集团 仅用1 8 个月就建成的全新发动机测试中心并正式投入使用，先进的设施和高效的工作效率将确 保宝马发动机在效率、捧放和动力性经济性等方面继续领先。在国外。已经研发了许多t l 动化很 高的计算机测控系统，如美国p o w e rt e s t 公司和日本小野公司，最为有名的是奥地利的a v l 公 司的系列产品。 1 3 本课题的主要任务和目标 本课题在国家有关标准的规定和发动机台架试验的具体要求一f ，在原有测试设备最大可能利 州的基础上，以p c 机、高精度数据采集卡及各种相关测试设备和传感器组成系统的核心结台 p c 机和自动测控技术开发出适合我们实验室现有状况的计算机自动测试系统。通过运用测试信 号处理技术和硬件的相关知识，在专用测试软件开发的环境下，进一步开发完善发动机试验台架 测控系统的功能，更好的提高实验室的测试水平。 该系统开发过程中，主要研究和设计工作如下所述： ( 1 ) 了解国家再种有关标准，深入研究发动机台架测控系统的结构、丁作原理及性能，作f i j 4 分析，明确系统的总体开发目标和方向，熟知系统开发的具体内容，为自动测试系统的开发奠定 良好的知识基础。 ( 2 ) 分忻自动测试系统的软件的具体特点研究软件开发过程的种种技术难点和关键技术的 实现方法，同时从一般的工艺要求入手，选择p c 机型和适合的数据采集板，包括系统总体方案 的设计、硬件电路的设计、软件的开发、传感器的选择、处理电路元件和系统调试。 ( 3 ) 现场调试，直至达到要求的性能指标。同时应遵循安全可靠、操作方便、实时性和通用 性强、经济节约的设计开发原则。 最后。总结课题设计开发过程中的种种难点和关键技术的实现方法，分析测试程序和设备的 不足，就有关问题进行深入探讨。 第二章c a t 系统总体设计分析 对于不同的应用对象，系统设计具体要求是不同的。各种不同的技术方案一般情况下都应 该对测试对象的工作过程进行深入的调查、分析，熟悉其工艺过程，这样才能根据实际应用中 的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的任务。 2 1 系统设计的基本原则和背景 一个完整的测试系统过程一般应包括： 信息的采集用传感器来完成； 信息的变换和传输用中间变换装置来完成： 信息的处理和分析用信息处理设备和计算机软件米完成； 信息的显示和记录用信息显示记录装置或计算机外围设备来完成。 由上可知，作为一个完整的内燃机测试系统( c a t ) ，是计算机和测试技术相结合的产物， 测试过程的各个环节应该尽可能的采用现代化的新技术。 针对落后的内燃机实验室的测试系统，作必要的改造，通过合理的计算机技术的应用，提 高测试系统的测试水平和技术含量，进而为实验教学希i 科研做好基础准备。 实验室中现有浙江遂昌动力测试设备厂生产的c w 3 7 电涡流测功机一台，配备c w k l 型控 制器。控制器中有三种控制系统，即恒电流控制、恒转速控制和综合控制。另外测量油耗的油 耗仪是小野公司的f c - 0 2 4 型，仪器背面有个转速模拟量信号的输出，为计算机采集创造了条 件。现场测温点有三个，分别是捧气温度、机油温度和冷却水温度，测温传感器均为w r n k 型铠装热电偶。转速的测量是一支磁电式传感器，输出信号直接输入到f c - 0 2 4 油耗仪，测量 转速可以直接接速度信号输出接口。测量缸压需要的压力传感器和相配套的电荷放大器需要购 置，另外还需要角标器等。 有些仪器具有供采集的模拟输出接口。方便数据的计算机采集，但大部分没有数据输出接 口，从尽量利用原有测试设备的原则出发，对相关的测试软件进行适当的改造和设计，以满足 自动测试的需要 2 2o 玎系统的基本功能和特点 内燃机c a t 系统的基本功能就是提供一种可靠性高操作简单明了，较完整地实现发动机 台架试验测量、记录、分析处理数据的半自动化测试条件它最终的目的就是减轻操作人员的 苛动强度，改善操作环境，而且提高试验效率和测试精度 该内燃机c a t 系统是基于数据采集板、油耗仪和测功机等外阐硬件设备，完成各种发动机 常规性能试验测量和处理的计算机系统。 6 通过对发动机油门和测功机的励磁系统实施控制，该系统能够独立完成计算机数据采集、 数据处理、图形的自动绘制、打印输出数据和曲线等功能。自动采集显示和存储发动机的常规 性能参数如表2 - 1 所示： 序号测量参数 1 大气压力 ( m p a ) 2 环境温度 ( o c ) 3 环境干湿度 ( ) 4 内燃机转速( f r a i n ) 5 内燃机转矩 ( n m ) 6 燃油消耗量和相应的时间( 1 【g ，h s ) 7 燃油消耗率( g k w h ) 8气缸压力( k p a ) 9 机油温度 ( o c ) 1 0捧气温度( o c ) 1 1冷却水温度( o c ) 1 2 功率 ( k w ) 1 3 h c 、c o 、n o x 及烟度 表2 - 1 发动机常规性能测试参敷 另外内燃机的缸压是个表征内燃机性能的重要参数，是研究发动机燃烧放热过程的重 要的技术指标。发动机的动力性、经济性及排放特性与其燃烧有着密切的关系，燃烧过程的不 断完善在改进发动机性能方面占有极其重要的地位。因此，为便于更直观的观测示功图，气缸 的压力也是被测项目，但是鉴于条件限制，测试的数据的试验可靠性不是太强，仅能够用于本 科生的日常教学工作，不便用于科学研究。 系统功能完善后，可以根据g b l l 0 5 1 一g b l l 0 5 3 - 8 7 内燃机台架性能试验方法完成速 度特性、负荷特性、调速特性等发动机常规性能试验的自动测量过程，并且能够自动处理数据。 自动给出输出结果和分析曲线。备类试验数据按规定格式打印报表及各种特性曲线。曲线可以 调整视图范围和绘制方式( 折线、二乘法、三次样条等) 。对于各种变工况的试验也可以提高试 验效率。 2 3 系统设计的总体方案分析 在根据全匝调研和分析之后，确定内燃机c a t 系统的结构框图如图2 - 1 。 2 3 1 硬件的选用方案 硬件设计方案要考虑以下兰个方面：第一是经济合理系统硬件设计中耍做到满足任务 的前提下降低价格，提高性价比，这是最为重要的一个因素，也是市场经济的基本原则。例如， 微机是硬件投资的主要部分。是测试系统的核心，它的选择应该对整个系统产生决定性的影响； 第二是安全可靠。选用设备要考虑设备的使用环境、温度、压力、振动、噪声等等因素。以保 7 证在规定的工作环境下系统的工作稳定和可靠性。要有超负荷、过量程等等保护措施，注意对 强弱电的隔离。保证连接件的接触的可靠：第三是足够的抗干扰能力。测试的主要对象就是传 感器的弱小信号，因此，有完善的抗干扰措施。是保证系统精度、工作正常的必要条件。 图2 - 1 内燃机c a t 系统的结构框田 针对以上几个设计方案的注意事项。结合自身的特点，硬件的选用火体如下： ( 1 ) p c 机的选择。选用现有的青衿台式机，奔腾1 8 gh z 。 ( 2 ) 数据采集扳选用a m p c i 9 1 1 5 型，它是p c i 总线的数据采集板该板可以直接插 入具备p c i 插槽的个人计算机或工控机中。 a m p c i - 9 1 1 5 数据采集板为用户提供了1 6 位单端1 6 路双端8 路模拟量输入通道，且模拟 量通道具有程控放大功能，a m p c i 9 1 1 5 型为1 t 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 倍的放大比例，2 路1 2 b i t 模拟量 电压输出1 6 b i tr i l 数字量输入和1 6 b i tr r l 数字量输出，3 路1 6 位定时器，计数器( 8 2 c 5 4 芯片) ，基准时钟4 m h z ，其通道0 保留用户自己使用，构成脉冲计数、频率测量、脉冲信号发 生器等电路。 对a m p c i - 9 1 1 5 板的所有读写操作均为1 6 b i t ，即d 1 5 一d 0 0 ，当对8 2 c 5 4 进行读写时只有 d 0 7 一d 0 0 有效，同样a d 转换数据一次读入的为b 1 5 一b 0 0 。 板卡的性能和技术指标如下： 模拟信号输八a d 分辩率： 模拟辅出d a 分辩率： 输入模拟信号通道： 1 6 b i t 1 2 b i t 1 6 路单端8 路取端 8 程控放大： a m p c i 一9 1 1 5 为1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 倍 模拟电压信号输入范围：4 - 1 0 v 模拟信号输出通道： 2 路 模拟信号输出范围： 1 0 r 4 - 5 v o l o y 模拟信号输出上电自动清零 1 6 b i td i 1 6 b i td o 数字量输入输出 l 路1 6 b i t 计数定时通道 a d 转换触发工作方式： 程序触发或外部触发 a d 转换数据传输方式：查询方式 板卡具有i d 号 输入电压范围：i o v 、i v 、4 - l o o m y 、l o m v ( 对应1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 倍时) 输入阻抗： 1 0m q a d 转换时间： 8 5 u s a d 转换精度： 4 l s b 程控放大器建立时间： 3u s 程控放大器增益误差：0 0 5 ( 增益小于1 0 0 0 倍时) 模拟输出电压范围：4 - 5 v 、4 - 1 0 r 、o - i o v d a 转换精度：优于0 1 ( 满量程) 数字量输入输出电平：t t l c o 黔兼容 计数定时部分：i 通道 ( 3 ) 温度传感器，速度传感器等。利用原有的设备，另外设计专用信号调理电路。把热电 偶的毫伏级信号放大到0 l o v ，利于数据采集板采集。 ( 4 ) 转矩。所采用的拉压传感器需要专门的信号处理电路，拉压传感器用来测量测功机的 受力，在定力臂的条件下即可测量得到转矩的大小。 ( 5 ) 油耗仪。采用仪器后端的信号输出，直接采集到计算机中加以处理。油耗仪是日本小 野公司f c - 0 2 4 。油耗仪有外部控制和内部控制两种测量方式，信号输出也有两种方式，一个是 直接在前面板数字显示输出，另一个是在后面板有5 0 针的i o 接口直接输出相应的订l 电 平。本油耗仪可以后段输出并测量得到的参数有两个，转速和油耗时间。 ( 6 ) 缸压。采用上海内燃机研究所生产的s y c 2 5 0 1 0 0 0 压力传感器。测量内燃机压力还 有相配套的电荷放大器、曲轴转角信号发生器等。电荷放大器选秦皇岛协力科技开发有限公司 生产的d h f - 1 2 型，其嫩大输出电压为l o v p ，晟大输入电荷量为l o s p c ，频响( - 3 d b ) h z 为 0 1 2 0 0 k ，精度( 1 5 ，其性能指标可以满足要求。角标器选用长春光机所的z i s 型增量式 角位移编码器，其输出信号有三个，一个是零位信号z ，另两个是脉冲信号a 、b 。 2 3 2 软件的选用和设计方案 构造一个测试系统的基本硬件后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和，如完成管理、监控、操作、控制、计算 和诊断等功能的程序。因此软件是测试系统的另外一个核心，我们是利用计算机技术实现和扩 9 展传统的仪器功能，既然是使用计算机就应该有适当的软件开发环境，编程实现c a t 软件的 功能。适台测试软件开发的有c 语言、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 、l a b v i e w 等。美国n i 公司针对测试仪器的开发，率先推出l a b w i r j o v ，s ，c 开发平台，主要适用于各种 测试、控制、故障分析及信息处理软件的开发，尤其是大型、复杂的测试软件，使用 l a b w i n d o w s c v l 开发可以获得优良的测试性能。l a b w i n d o w s c v l 是教学和科研过程中有效的 硬件调试软件工具，是帮助相关专业的本科生、研究生和教师完成科研工作的有力工具。 相对于其他开发工具( v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等) 而言，l a b w i n d o w s c v i 的优点是在其 硬件的控制和数据处理能力上。它使用灵活的c 语言平台与数据采集、分析等测试专业工具有 机地结台起来。为此，软件开发平台选用l a b w i n d o w s c h 1 ”。 考虑好开发平台后，最为重要的就是设计良好的软件设计方案。软件的设计方案要考虑的 内容是：第一、结构合理，程序因该采用模块化设计，这不仅有利于功能程序的进一步扩充， 而且便于修改和维护；第二、操作性能好，具有良好的人机界面，作为应用软件，最为重要的 就是方便人们使用，而良好的操作界面是人们正常使用和操作的基础，因此，在程序的设计和 开发中尽量实现操作人员的专业知识要求，提高工作效率和程序的易操作性；第三、提高测试 速度，减少系统的内存开销，对于测试就是要保持实时性的要求。因此提高速度必须得到足够 的重视；第四、给出必要的程序说明和操作指南。软件的程序设计步骤如图2 - 2 所示。 对于测试仪器来讲，它对应用软件的要求具体由以下几个方面： ( 1 )实时性 在许多情况f ，要求测试系统能够实时进行数据采集和处理，特别是对于具有监控功能的 系统，实时性更应该引起高度注意。为此，在满足要求的情况下尽可能采用高级语言编写程序， 以提高软件的性能并缩短开发周期：同时还尽可能的降低采样频率，以减轻整个系统的负担。 ( 2 )针对性 应埘程序最大的特点就是具有很强的针对性，每个应用程序都应该根据具体的系统特性和 检测要求来设计。对于内燃机c a t 系统来说，主要就是几个特性试验( 负荷特性试验、速度特 性试验、调速特性试验) 另外还有内燃机缸内压力的测量。本软件主要就是满足以上几个测试 内容的要求，然后根据各个试验要求，得出被测发动机的试验结论。 ( 3 ) 可靠性 在计算机测试系统中软件的可靠性和硬件的可靠性同等的重要。为此，一方面应该在软 件的设计方面采用模块化设计，以利于调试；另外也应该设计错误诊断程序，使其具有自动识 错功能。一旦程序运行出错可咀及时处理。 ( 4 ) 有效性 有效性指对系统资源的使用效率。这些资源不仅包括中央处理机、存储设备，也包括输入 输出时间、程序运行时间等等。 程序采用模块化程序设计。模块化程序设计就是把一个复杂的系统任务分成若干个模块， 以便进行独立的设计、编程、测试差错等工作，最终配置在一起，由主控制模块控制此程序 设计方法使得模块在逻辑复杂性上都相对简化，程序缩小提高设计效率。 模块化程序设计的优点如一f ： ( 1 ) 单个程序模块易于编写、调试及修改： 1 0 第步 圈2 - 2 软件的程序设计步舅 圈2 - 3c a t 系统模块化程序结构 ( 2 )程序构易读性好，便于程序扩充功能，满足程序扩展的要求； ( 3 ) 对程序的修改可以局部化； ( 4 ) 频繁使用的任务模块可以编制通用的模块供其它模块调用。 模块化程序设计大大简化了大型复杂程序的编写，推动了计算机技术的发展。内燃机。玎 系统的模块化程序软件结构如图2 - 3 所示。该系统可以分为6 个模块，即主控模块、启动初始 化模块、信号采集模块、信号处理模块、结果显示模块、关闭模块等。各个模块相对功能独立， 但与主控模块之间存在必要的数据共享通道。 2 4 系统总体方案的可行性分析 内燃机c a t 系统是应用电子技术，计算机技术和各种信息处理技术的综合开发结果。电子 技术和计算机技术的飞速发展和不断成熟，为计算机辅助内燃机测试提供了可能性。本课题的 最终目标是要改造内燃机实验室的单缸柴油机试验台架，改善试验条件。考虑到资金和其它条 件的限制。本系统采用数据采集卡，构成价格比较便宜的p c - d q 系统。需要部分传感器、屏蔽 电缆等。利用这些设备，绝大多数参数都能够测量。而且原有的测试设备和条件为进行下一步 课题研究打下了良好的基础。无论外部仪器设备还是自身知识水平，都可以保证基本实现内燃 机测试的功能，达到预期的课题设计目标。 2 5 本章小结 本章从设计背景、设计原则，到系统功能等等各个方面逐一分析和考虑，根据实际情况制 定可行方案，选用合适的硬件和软件，从整体把握摧个c a t 系统的开发过程，做到有重点的突 破，有目的分析，为以后的开发和研究打下良好的理论基础。 第三章c a t 系统设计开发 3 1 数据采集和内燃机测试的理论基础 本c a t 系统作为内燃机试验台架和计算机技术的综合应用开发实例，基本的知识点运用上 包括数据采集、信号处理和专业的内燃机测试领域中的基础知识。 3 1 1 数据采集和数字信号处理的基本理论 数据采集中采用计算机作为处理机。众所周知，计算机内部参与运算的信号是二进制的离散 数字信号，而采集的各种物理量一般都是连续模拟信号。因此，在数据采集系统中同时存在着两 种不同形式的信号：离散的数字信号和连续的模拟信号。在研究开发数据采集系统时，首先遇到 的问题是传感器所测量的连续模拟信号怎样转换成离散的数字信号。 连续的模拟信号转换成离散的数字信号，经历两个断续的过程： ( t ) 时间断续 对连续的模拟信号x ( f ) ，按一定的时间间隔l ，抽取相应的瞬时值( 通常说的离散化) ，这 个过程叫采样。连续的模拟信号x ( r ) 经过连续的采样后转换为时间上离散的模拟信号】( 1 ( n 瓦) ( 即幅值仍是连续的模拟信号) ，简称为采样信号。 ( 2 ) 数值断续 把采样信号x ，( h 五) 以某个最小单位的整数倍来度量，这个过程称为量化。采样信号x l ( n 瓦) 经过量化后变换为量化信号x d ( n 五) ，再经过编码，转换为离散的数字信号x ( n ) ( 即时间和幅 值是离散的信号) ，简称数字信号。 以上转换过程如图3 1 所示。 采样过程是在时间和幅值上连续的模拟信号x ( f ) ，通过一个餍飙性开阕( 周期已，开关闭 合时间为r ) 的采样开关s 之后在开关输出端输出一串在时间上离散的脉冲信号x 。( n 瓦) ，把 这一过程称为采样过程， 采样过程可以看作脉冲调制过程，采样开关可以看作调制器。这种脉冲调制过程是将输入的 连续模拟信号x ( f ) 的波形转换为非常窄而幅度由输入信号确定的脉冲序列，脉冲调制过程如图 3 - 2 所示。输入信号与输出信号之间的关系可表达为： t “t ) = z o p 。0 ) 或 t 铷) 一x ( t 匦( f n t ) ( 3 _ t ) 式中x ( f ) 采样开关输入的连续模拟信号： 6 b 采样开关控制信号。 其中， 6 t s ；6 ( f 一行t ) 瓦采样周期；f 采样时间。 l c i ) i 采样脚l i - 门t i 量化 i z 4 m j i 缉码 l i i n ) 计茸帆 i l 图3 - 1 信号转换过程 采样周期t l 决定了采样信号的质量和数量：t i 太小。会使x 。( n 瓦) 的数量增加，占用大量 的内存单元：t | 太大，会使模拟信号的某些信息丢失，若将采样后的信号恢复成原来的信号就 会出现失真现象影响数据处理的糖度。因此，必须有一个选择周期t s 的依据。以确保使x i ( 瓦) 不失真地恢复原来的信号x ( f ) 这个依据就是采样定理。 设有连续的信号x ( f ) ，其频谱为x ，以采样周期采得的离故信号为x s ( h 五) 。如果频 4 谱x ( ，) 和采样周期满足下列条件： ( 1 ) 频谱x ( ，) 为有限频谱，即当l ，l 丘( 正为截止频率) 时，x ( ，) = 0 ； ( 2 ) t 董1 2 l 。 刚连续信号 z o ) ；x x 。g l ( 3 2 ) 唯一确定。式中，n = o ，1 ，2 。正就是在采样时间间隔内能够辨认的信号的最高频率t 称之为截止频率又称为奈奎斯特频率。 采样定理表明，在一般情况下，对一个具有有限频谱x ( ，) 的连续信号x ( r ) 进行采样，当 采样频率，。2 ，c 时。采样后得到的采样信号x 。( n 正) 能无失真地恢复为原来的信号x ( f ) 。 采样定理是指导确定信号采样频率的基本原则，在一般的实际应用中，根据实际的工程应用情况， 确定的采样频辜一般为信号频率的7 8 倍以上。 模拟信号x ( t ) 的采样控制方式一般包括条件采样和无条件采样两种。a m p c i 数据采集扳 采用的是条件采样中的程序查询方式采样。 3 1 2 内燃机台架性能试验方法 内燃机台架试验的项目很多，但一般都要按照标准( 国家标准或国际标准) 进行。在这些标 准中，对各项试验最终要得到的参数、获得这些参数的环境条件以及发动机工况、具体的实验步 骤都作了明确的规定，这对实现内燃机台架试验自动化提供了必不可少的依据。根据国标 g b l l 0 5 2 - 8 7 ”i ，内燃机台架试验的基本测量参数如表3 - 1 所示具体可根据试验和检查项目的 需要以及内燃机的结构性能予以增减。 表3 - 1 内燃机台架试验的基本测量参数 序号测量参数 1 大气压、环境温度( 进气温度) 和相对湿度 2 内燃机的进气压力 3中冷器冷却介质进u 和出口温度 4 内燃帆转速 5 内燃机转矩 6内燃机有效功率 7 燃油消耗及相应的铡定时间 8 燃油消耗串 9 内燃机捧气总管或涡轮增压器后的排气温度及绝对压力 1 0 涡轮增压 燃气进u 温度和绝对压力 l l 增压器或扫气泉转速 1 2 增压器或 ：忾泵出气口卒气的绝对球力和温度 1 3 中玲器后的空气绝对压力和温度 1 4 排气支管的排气温度 1 5 汽缸压缩压力和最高爆发压力 1 6 内燃机机油压力和温度 1 7 增压器的机油进口压力和温度 1 8 机油冷却前后的机油压力和温度 1 9 内燃机冷却介质的进出口温度( 包括中冷器冷却介质进口和出口温度) 2 0 喷油泵进口处柴油压力和温度 2 l 机油消耗量，机油消耗率或机油燃油消耗百分比 2 2 内燃机噪声 2 3 柴油机的排气烟度 2 4 捧气中有害气体成分的平均地捧放量，质量捧放量。捧放浓度 2 5 机械振动与曲轴扭转振动 2 6 活塞漏气量 标准环境状况： 大气压p o = 1 0 0 k p a ( 7 5 0 m m h g ) 相对湿度九；3 0 环境温度瓦= 2 9 8 k 或2 5 c 中冷器冷却介质进口温度l o = 2 9 8 k 或2 5 c 注：当瓦- 2 9 8 k 或2 5 c - 葺3 0 r , i 水燕气分压九p 棚= 1 k p i ( 7 5 m m 啪，标准环境状况下干工期压p j o = 9 9 k 1 ， ( 7 4 2 s r o m h g ) p 删为标准耳境状况下的饱和燕汽压，单位以k h ( 爪m h 由表示 环境温度即进气温度 对于特殊使用环境的内燃帆，可以补充规定萁他的环境状况健应加以说明并经有关部门批准例如应用于- 无隈航区- 的船用 内燃杌( 主机和轴机) 应遵搪国际船摄协会( i a c s ) 规定的环境状况大气匿p ，= l o o k p a ( 7 5 0 m m h g ) 拍对湿班丸= 6 0 王f 境温度l ；3 培k 或4 5 中冷器冷却介质进l i 温度瓦= 3 0 5 k 2 3 2 c 在本课题中所涉及的试验项目：速度特性试验( 外特性) 、负荷特性试验及调速特性试验等。 其相应的试验方法和测量项目的