（车辆工程专业论文）基于cvi的发动机台架cat系统的研究.pdf

摘要 随着社会经济的发展，车辆已经成为社会发展和人们日常生活中不可缺少的运输工具。发动 机作为车辆的核心部位发挥着愈来愈重要的作用。在进行发动机生产、开发、科研和教学中，发 动机试验是一个重要的环节。计算机、电子技术的发展推动了测试仪器技术和虚拟仪器技术的发 展，虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次完美结合的产物，是当今计算机辅助测试 ( c a t ) 领域的一项主要技术。将虚拟仪器技术应用于发动机测试，组建发动机c a t 系统，是一 项有意义的研究课题。 本文阐述了测试技术的应用和发展，虚拟仪器的概念、软硬件开发平台的组成及其在国内外 汽车和发动机行业中的运用情况。 本文从整体的角度分析了计算机虚拟仪器测试系统的组建，给出了具体的设计和实现方案。 根据方案利用计算机虚拟仪器技术开发了发动机台架计算机辅助测试( c a t ) 系统。该系统硬件 平台以p c 机为主控单元采用了多种传感器，而以l a b w m d o w h c v i 搭建数据采集分析的软件平 台。系统可实现数据采集显示，数据自动记录和分析，对发动机运行状态的实时监控报警，并且 可以自动生成和绘制各种特性曲线，实现了对瞬时气缸压力数据的测试和示功图的分析处理。 利用所开发的c a t 系统进行了多次发动机台架试验，试验结果表明该系统实现了对发动机 数据即时采集与分析的目的，可应用于科研教学和生产中，具有通用性和实用价值。 关键词：发动机。虚拟仪器，数据采集，测试，示功图 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y , v e h i c l eh a sb e e nt h ei n d i s p e n s a b l ec o n v e y a n c ef 研 s o c i e t yd e v e l o p i n ga n dl i f eo f p e o p l e e n g i n ew h i c hi st h ec o l e o f v e h i c l ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l em o r e a n dm o r e i nm a n u f a c t u r e ，e x p l o i t u r e ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dt e a c h i n go fe n g i n e ，e n g i n et e s ti sa n i m p o r t a n tt a c h e t h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n de l e c t r o nt e c h n o l o g yp r o m o t ed e v e l o p m e n to f v i r t u a l i n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n ti sap e r f e c tp r o d u c t i o nw h i c hc o m b i n e sm o d e r nc o m p u t e ra n di n s t r u m e n t d e e p l y ，a n di ti st h ep r i m a r yt e c h n o l o g yi nc a tf i e l d t od e s i g na n dc o n s t r u c tc a ts y s t e mf o re n g i n e t e s tb a s e do nc v ii sns i g n i f i c a t i v es t u d y t h ed i s c o u r s eh a si n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t e s tt e c h n o l o g y , t h ec o n c e p t i o na n d d e v e l o p i n gf l a tr o o fm a k e u po fc v i ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fc v it ov e h i c a la n de n g i n ei n d u s t r ya l lo v e r t h ew o r l d t h ed i s c o u r s eh a sd i s s e r t a t e dc o n s t r u c t i o no ft e s ts y s t e mw i t hc o m p u t e rv i r t u a li n s t r u m e n ta sa w h o l e , a n dg i v e nm a t e r i a ld e s i g na n dr e a l i z a t i o ns c h e m e a n dt h e nh a dd e v e l o p e dc a ts y s t e mf o r e n g i n et e s t - b e db a s e do nc o m p u t e rv i r t u a li n s t r u m e n t t h i sh a r d w a r es t r u c t u r eo fs y s t e mb a s e so np c w h i c hi st h em a i nc o n t r o l l i n gc e l la n da d o p t sk i n d so fs e n s o r s a n ds o f t w a r ef l a tr o o fb u i l t so nt h el a b w i n d o w s c v l w i t ht h i ss y s t e mw ec a nc a r r yo u td a t am e a s u r i n gd i s p l a y i n g , w a t c h i n g , r e c o r d i n g , a n a l y z i n g ，g i v i n ga na l a r m ，a n da l s oc a nd r a wa n de r e a tk i n d so fp a r a m e t e ra n dc h a r a c t e r i s t i cc u r v e s a u t o m a t i c a l l y e s p e c i a l l y , t h es y s t e mc a nt e s t t h ei n s t a n t a n e o u s p r e s s u r eo fc y l i n d e ra n da n a l y z e i n d i c a t i n gd i a g r a m h a v i n ge x p e r i m e n t e dw i t ht h ec a ts y s t e ms e v e r a lt i m e s ，t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e m h a sn o to n l ya c h i e v e dt h ea i mo fa c q u i r i n gd a t ai n s t a n t a n e o u s l ya n dc a nb eu s e di ns c i e n t i f i c r e s e a r c h ，t e a c h i n ga n dm a n u f a c t u r e ，b u ta l s oh a dc o s tp e r f o r m a n c e ，c u r r e n ta n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e n g i n e ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，t e s t ，i n d i c a t i n gd i a g r a m l 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下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：豸诞剑锋 时间：2 。口6 年易月1 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： 划锋 i 施崴 时间：2 0 口5 年6 月日 时间：涮年f 月日 第一章绪论 1 1 开发与研究发动机c a t 系统的意义 当今社会经济与科学技术飞速发展，同时促进了汽车工业的火力发展。据统计，2 0 0 5 年世界 汽车产量已达n 6 8 0 0 万辆，e l 2 0 0 0 年增长了2 3 7 。我国自2 0 0 1 年底加入世界贸易组织以来，中 国的汽车工业每年跨上一个百万辆级台阶，汽车市场每年1 5 以上速度的增长。2 0 0 5 年我国汽车 产量达到5 7 0 7 万辆，名列世界第三，比2 0 0 4 年增加了1 2 6 。我国汽车需求在以后的儿年内可保 持2 0 3 0 的增长率。汽车工业可谓蓬勃的朝阳产业，而在汽车产业中作为汽车的核心发 动机则起到至关重要的作用，发动机性能决定了整车的性能。因此发动机的研究开发在汽车工业 中具有重要的地位i l 心。 发动机的应用范围，品种和数量的不断扩大和增长，对发动机中各系统零件的性能、使用寿 命等技术指标的要求也愈来愈高。上世纪科研丁作者对发动机研究的主要内容基本上是开发低油 耗，大马力的发动机。随着人民生活水平的不断提高及全球环保问题的提山，科学家们提出了汽 车工业的三大主题：环保、节能与安全。这样又对发动机科技工作者提出了新的要求，即研发出 新一代的低排放、低噪声、低油耗、高效率的新型发动机p 】【”。 在进行发动机新产品生产，开发和科学研究中，发动机科学实验是不可缺少、至关重要的一 个环节。因此，进行发动机工作过程的研究，新型结构的研究，以及设计研制合乎要求的产品和 对原有产品的分析改进，以满足各种用途的需要，就成为发动机科技工作者的重要工作。在这些 工作中，试验工作具有极其重要的地位，发动机质量及性能指标，必须以试验的最终结果来评价 和确认。在发动机试验中，不仅要定性地观察一些物理和化学现象以外，更重要的是要对发动机 运行过程中许多相关的物理量和化学量进行精确的定性定量测定。这就需要有先进的测量方法和 测量仪器，先进的数据处理方法和相应的设备，采用先进的发动机试验技术，才能研制和生产出 性能良好高质量的发动机i j 。 在发动机试验的自动控制系统中，需对被控参数进行测量，将测量的结果反馈到输入端，与 假定或输入变量进行比较以达到精确控制的目的1 6 1 为了获得发动机的各项性能指标，改善发动 机性能，就必须对发动机诸多性能参数进行准确、高精度的数据采集与分析。发动机在稳定运转 工况下，各种参数可分为平均值的测量和瞬时值的测量，前者主要包括曲轴转速，输出扭矩，发 动机冷却水进出口温度，机油压力及温度，进、排气管内温度等等；而后者包括发动机在一个工作 循环下的随曲轴转角变化的气缸内介质的压力，进、排气压力波、燃料供给系统中高压油管压力， 喷油器针阀升程，气门升程，进、排气瞬时温度以及曲轴扭转振动波形的测量等等。在发动机非 稳定运转工况下的测量，目前也越来越普遍，因为这时发动机是在模拟实际工况，更接近于汽车 实际行驶，如其中的测量发动机的瞬时调速率测量，无负载测功等。通过这些数据不仅可以实现 发动机工作状况的实时监测、故障诊断，而且还可以由这些数据通过白编计算分析软件得到与发 动机工作过程，缸内烧状况相关的放热规律和喷油规律等处理结果。从而可以用来评价和确认发 动机产品的优劣程度，是否达到预期设计的目标j 。 1 通过以上分析，研制开发出高性能的发动机数据采集与分析系统是进行发动机科研及教学工 作所必需的。 1 。2 测试技术在工程技术中的应用与发展 1 2 1 测试技术在工程技术中的应用 随着近代科学技术，特别是信息科学、材料科学、微电子技术和计算机技术的迅速发展，测 试技术所涵盖的内容更加深刻、广泛。现代人类的社会生产、生活、经济交往和科学研究都与测 试技术息息相关。各个科学领域，特别是生物、海洋、航天、气象、地质、通信、控制、机械和 电子等，都离不开测试技术，测试技术在这些领域中起着越来越重要的作用。因此，测试技术己 成为人类社会进步的一个重要基础技术，是各学科高级工程技术人员必须掌握的重要的基础技 术。以下介绍测试技术在机械工程的几个主要方面的应用。 1 产品开发和性能试验 新产品的开发，从构想到占领市场，必须经过设计、试制、质量稳定的批量生产等过程。目 前，计算机数字仿真技术的逐渐普及，产品设计也日趋完美，但真实的产品性能试验。才是检验 设计正确与否的唯一依据。 2 质量控制与生产监督 产品质量是生产者关注的首要问题，机电产品的零件、组件、部件及整体的各生产环节，都 必须对产品质量加以严格控制。从技术角度而言，测试( 工业生产中常称为检测) 则是质量控制 与生产监督的基础手段。 3 机械故障诊断 机械故障诊断是工程诊断豹重要组成部分，它源于现代工业生产对机器设备及其零件的高可 靠性和高利用率要求。在设备的运行状态或不拆卸状态对其内部状况作出诊断，是利用机器在工 作或试验过程中出现的诸多现象，如温升、振动、噪声、应力应变、润滑油状况、异味等来分析、 推理、判断的。显然，完善的测试是正确诊断的基础。 1 2 2 传感与测试技术的发展 从专业角度看，测试技术应包括传感器技术、信号处理技术和仪器仪表技术三个方面。从学 科关系看，测试技术是综合运用多学科原理和技术，同时也直接为箨专业学科服务的一门技术学 科。各专业学科的发展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展，同时，测试技术 也在迅速吸取各学科的新成就中得到发展。十余年来，测试技术的发展在如下两个方面最为突出： 1 传感器技术的迅速发展 微电子学、微细加工技术及集成化工艺的发展，使传感器逐渐小型化、集成化、智能化和多 功能化。 2 测试仪器微机化、智能化 数字信号处理方法、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，使测试仪器发生了根本性的变 2 革，以微处理器为核心的数字式仪器能大大提高测试系统精度、速度、测试能力和工作效率，较 高的性能价格比及可靠性，已成为当前测试仪器的主流。目前数字式仪器正向标准接口总线的模 块化插件式发展，向具有逻辑决断、自校准、白适应控制和自动补偿能力的智能化仪器发展，向 用户自己构造所需功能的所谓虚拟仪器发展。 测试技术的先进性已是地区、国家科技发达程度的重要标志之一，是企业、国家参与国内、 国际市场竞争的一项重要基础技术，测试技术的作用和地位在今后将更加重要和突出”1 。 1 2 3 计算机测试技术 2 0 世纪7 0 年代以来，电子计算机技术和超大规模集成电路相结合产生的微处理机，以其体 积小、功能强、功耗低和和性能价格比高的突出优点，表现了强大的生命力，目前己被广泛应用 于工程技术的各个领域中，成为当今世界新技术革命的主要标志之一。在现代工程测试技术中， 计算机测试技术已成为从事测试技术的工作人员必须掌握的基本知识。 在迅速发展的计算机、微电子等技术的推动下，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。网络技术的出现和发展，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：微机化的仪器联网、高档测量仪器设备及测 量信息的地区性、全国性及全球性资源共享，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( 如 图l 一1 ) 。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，又提高了仪器的技 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。是当今计算机测试技术发展的主要方向p 1 。它主要完成被测信号的 采集、放大、a d ( d a ) 转换，通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。p c - d a q 方式 是测试系统中最基本的方式，也是最廉价的方式。 图1 - 1 现代计算机网络测试模式 1 2 4 发动机测试技术 发动机测试技术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。其中，作为发动机最基本的试验平台发动机试验台架的应用与发 展对发动机各种性能参数的测量有着至关重要的指导意义。 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 的发动机测控系统，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。a v l 公司的产品已经系列化，国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。 国内高等院校和科研机构对于应用激光技术研究缸内现象的测试技术研究发展很快，测试方 面也日趋成熟。华中理工大学应用高速摄影和激光全息技术研究柴油喷雾场，并检验了l d v 测 量中t i 0 2 散射粒子的跟随性；江苏大学应用l d v 对柴油机涡流室内流场进行实测，用计算机和 高速数据采集系统采集和处理实验数据；浙江大学在燃烧定容弹中用高速纹影和同轴远场巨脉冲 激光全息技术测定乳化油油束微观结构的动态变化过程；大连理工大学利用激光干涉层析法测量 非对称喷雾场三维浓度与温度分布，并建立了能满足图象处理要求的计算机图象处理器。到目前 为止，国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l l ”“l 。 1 2 5 计算机测试技术在发动机台架测试系统中的应用 发动机试验过程中，发动机台架试验装置作为综合的测控系统，采用多点实时采集的工作方 式。操作人员需对各项参数进行监控，随时调整工况，及时记录各点测试值。因系统测试参数较 多，需要频繁的进行记录和调节。传统的台架测试系统由于效率低，实时性差，已经不能满足现 代测试发展的需要。为提高生产、科研中的测试与自动化水平，实现自动化采集、显示、记录， 数据处理和曲线绘制，提高精度，是发动机台架测试的发展方向。因此，发动机台架测试系统采 用计算机技术是必然趋势。 1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了车辆动力性和燃油经济性的通用预测程序g p s i m 。美 国m d i 公司开发的a d a m s 软件是构造产品的虚拟原型的一个很好的平台，其中的c a r 模块是 m d i 公司与a u d i ，b mw r e n a u l t 和v o l v o 等公司合作开发的整车虚拟软件包，集成了它们在汽车设 计，开发等方面的经验。v t l ( v u t u a lt e s tl a b ) 系统是由美国m t s ( m e c h a n i c a lt e s ts y a e m ) 公司研制 的虚拟试验系统，该系统通过在产品或部件上安装虚拟传感器，并将虚拟原型安装在不同的试验环 境中，一旦虚拟模型确定，可以反复进行试验，并根据虚拟试验结果对设计进行反复修改，从而获得 最佳设计方案”q 。 近年来，我国在测试仪器的开发中广泛应用了计算机技术，许多新开发的测试仪器都采用了 微机或单片机控制系统，智能化程度不断提高。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，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合作研制出智能化瞬 时流量油耗仪，可用于车辆道路模拟实验。清华大学应用虚拟仪器技术构建的用于检测汽车发动 4 机性能的出厂检测系统：哈尔滨_ 丁业大学也推出了自己的“仪器王”虚拟仪器系统；另外上海仪 器仪表所、浙江大学、成都电子科技大学、上海同济大学、上海交通火学等单位也在不断进行虚 拟仪器的研究和应用。由于我国虚拟仪器的发展仍处于起步阶段，许多功能还不完善，所以虚拟 仪器的开发与研究仍然方兴未艾，并且必将在更宽、更广的领域得到应用和普及。 1 3 本课题的研究内容与实现目标 本课题研究内容：研究、开发基于c v i 的发动机台架c a t 系统。本系统是一种可与工业控 制计算机或p c 机兼容的测试仪器系统。 实现目标：系统将实现检测发动机的基本功能，如可测试发动机气缸压力、速度、转矩、油 耗、温度等参数，可实现数据自动化采集、显示、记录，数据处理和特性曲线绘制，对发动机运 行状况进行实时监测、报警。对其进一步开发，完善，提高测试精度，可适用于发动机的维护和 科学试验研究，并也可作为一台通用的数据采集分析系统，在高校教学试验中有一定的经济科研 价值。 因此，在目前计算机测试技术迅速发展的形势f ，开发先进的测试手段和方法，利用现有的 发动机台架测试资源与成本较低廉的辅助设备，组成一套较完整的测试系统，实现高性价比的技 术解决方案，提高经济效益，是一项较有意义的研究课题。 第二章虚拟仪器系统 随着社会信息科学与技术的不断进步和迅猛发展，在现代工业生产和科研教学中，高性价比 的解决方案和新型技术的应用一直备受青睐。人们对测试方法和测试设备的要求越来越高，采用 传统的测试方法，要求硬件仪器设备较多，成本也较高，而且很多设备不能集中在一起。自2 0 世纪9 0 年代以来，在计算机技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量 仪器及测试系统得到了迅猛发展，使得测量仪器和数据采集系统的设计方法和实现技术产生了深 刻的变化。 2 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术完美深层次结合的产物。是当今计算机辅助测试系统 ( c a t ) 领域的一项主要技术。所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上利用高性能的 模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮 助您创建完全白定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件 平台能满足对同步和定时应用的需求。其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能，以 多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利 用i o 接e l 设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。 计算机显示的虚拟面板功能同现实中仪器面板功能一致。在虚拟系统中，硬件仅仅是为了解决信号 的调理及输入和输出，整个系统的关键是软件。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。 虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集 为主的测试系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统 的概念之下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器系统的概念 是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：采集数据，对采集 来的数据进行分析处理，然后显示处理的结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪 器由用户自己定义，这意味着您可以自由地组合计算机平台、硬件、软件、以及各种完成应用系 统所需要的附件。而这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。常 用的数字万用表、示波器、信号发生器、数据记录仪，以及温度和压力监控器就是传统仪器的代 表。从传统仪器向虚拟仪器的转变，为用户带来更多实际的利益1 1 。 虚拟仪器系统技术得益于现代计算机技术的进步。所有p c 机主流技术的最新进展，不管是 c p u 的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化，不管是操作系统平台的提升还是网络乃至 i n t e m e t 的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和好处。由于虚拟仪器系统技术 的强有力支持，科学家和工程师们可以建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固 定传统仪器的狭窄天地中。 2 2 虚拟仪器的组成及分类 6 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成【1 3 】。 2 2 1 硬件平台 1 计算机是核心 硬件是虚拟仪器工作的基础，其主要功能是完成对被测信号的采集、传输和显示输出结果。 虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。对于工 业控制自动化来讲，计算机已成为一种功能强大、价格低廉的运行平台。当各种与计算机相关的 刨新技术产生时，虚拟仪器的应用便随之被推向一个新的层次。虚拟仪器借助计算机强大的图形 环境。建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。而且由于计算机的性能价 格比不断提高，使得虚拟仪器的价格更能为“大用户所接受。 2 ，模块化的i o 硬件 虚拟仪器有多种分类方法( 如图2 1 ) ，按照接口方式和采用总线方式的不同分为：p c - - d a q 插卡式虚拟仪器、串行口式虚拟仪器、并行接1 3 虚拟仪器、网络化虚拟仪器、g p i b 虚拟仪器、 v x i 虚拟仪器、和p x i 虚拟仪器等。 ( 1 ) p c - - d a q 插卡式虚拟仪器借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如 l a b w i n d o w s 相结合，通过软件中的控件设计仪器。插卡类型有i s a 卡、p c m c i a 净和p c i 卡等多 种类型。i s a 型插卡与p c m c i a 卡已经逐渐退出舞台，p c i 总线正在广泛使用。 ( 2 ) 串行口式虚拟仪器采用的总线包括r s 2 3 2 串口总线、u s b 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 和i e e e l 3 9 4 总线( 又叫f i r e w a r e 总线) ，成为廉价型虚拟仪器测试系统的主流。r s 2 3 2 串口总线 是传统的串口总线方式，技术成熟，至今仍适用于测量要求不高的仪器系统中。u s b 通用串行总 线和i e e e l 3 9 4 总线传输速率高，支持热插拔实现“即插即用”的功能，应用广泛。 ( 3 ) 并行口式虚拟仪器把仪器硬件集成在一个采集盒内，仪器软件装在计算机上，通常可以 完成各种测量测试仪器的功能。 ( 4 ) 网络化虚拟仪器：为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。各种现场总 线在不同行业均有一定应用：工业以太网也有望进入工业现场，应用前景广阔；i n t e m e t 已经深 入各行各业乃至千家万户。嵌入式智能仪器设备联网的需求将越来越广泛。 ( 5 ) g p i b 总线方式的虚拟仪器是i e e f a 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段，是现代测量技术 与计算机技术结合的一个范例。它成功地将可编程仪器和计算机紧密联系起来，从此电子测量一 起由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。用户可以充分利用自己的计算机和仪器资 源，且组建方便灵活、操作简单，在v x i 为主的体系结构中，有时也采用g p l b 作为辅助，弥补 v x i 仪器模块的不足，但数据传输率和资源利用率有所局限性。 ( 6 ) v x i 总线( 即i e e e l l 5 5 总线) 方式的虚拟仪器是一种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，依靠有效的标准化，采用模块化方式，实现了系列化，通用化以及v x i 虚拟仪器的 互换性和互操作性。其开放的体系结构和即插即用的方式完全符合信息产品的要求，得到众多仪 器厂家支持和应用，成为仪器系统发展的主流。但造价较高，推广受到一定限制， ( 7 ) p x i ( p c ie x l e n s i o n s f o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线方式的虚拟仪器是以c o m p a e t p c i 为基础， 由具有开放性的p c i 总线扩展而来。p x i 是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块 化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性，将台式p c 的性能价格比和p c i 总线 7 面向仪器领域的扩展优势完美地相结合起来。 图2 l 虚拟仪器系统分类 2 2 2 软件结构 构造一个虚拟仪器系统时，在硬件确定以后，需要通过软件实现不同的功能：完成与各种软 硬件的连接，提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示 给用户。因此软件是虚拟仪器的关键。通过修改软件程序实现功能完全不同的各种测量测试仪器 以满足各种不同的需求。当前测试系统软件技术发展的两个突出标志是：开放性测试系统软件标 准的建立和先进图形化编程开发环境的发展与应用。 虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。 1 仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持 正常的工作状态。 2 应用程序主要对采入计算机的数据进行处理，用户就是通过编制应用程序来定义虚拟仪 器的功能。 3 软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪 器面板相似的图形界面，用于显示测量的结果。同时用户还可以通过软面板上的开关和按钮，模 拟传统仪器的各种操作，通过键盘或鼠标实现对虚拟仪器的操作。 目前，虚拟仪器的开发软件有：连接设计与测试的交互式软件s i g n a l e x p r e s s 、用于传统c 语 言的l a b w i n d o w s c v l 、针对微软v i s u a ls t u d i o 的m e u r e m e ms t u d i o 等。虚拟仪器通过软件将计 算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测 量、控制能力结合在一起，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在 测试应用中的强大优势。 2 - 3 虚拟仪器的发展与特点 2 3 1 虚拟仪器的发展 电子测量仪器发展至今，人体可分为：模拟仪器、分立元件仪器、数字化仪器、智能仪器和 虚拟仪器。 8 中国农业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器系统 虚拟仪器的发展过程有两条线 2 9 1 ： 一、g p i b v s i p 总线方式( 适合大型高精度集成系统) 二、p c 插卡一并口式一串口u s b 方式( 适合丁普及型的廉价系统，有广阔的应t i j 发展前景) 目前，微电子技术和计算机技术的飞速发展测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪 器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器一虚拟仪器的出现。它是 现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器 产业发展的一个重要方向。它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。 2 3 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出特点体现在它是“用户定义的仪器”具有很大的灵活性和创造性。在当今网络 化的高速发展条件f ，虚拟仪器技术已成为多技术融合的网络平台如图2 - 2 所示。虚拟仪器与传 统仪器相比，有以下特点如表2 - 1 ： 围2 - 2 虚拟仪器系统的两络平台 表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较特点 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低 技术更新周期短( o5 1 年) 软件是关键 价格低 开放灵活与计算机同步 可重复用和重配置 可用网络联络周边各仪器 自动、智能化、远距离传输 开发和维护费用高 技术更新周期长( 5 一1 0 年) 硬件是关键 价格昂贵 固定不易改变 不可重复利用 只可连有限的设备 功能单一，操作不便，传输困难 2 4 本章小结 本章概述了虚拟仪器系统。从虚拟仪器的组成，结构，分类，发展等方面论述了虚拟仪器的 特点，为虚拟仪器系统的开发提供了理论基础。 9 第三章系统理论与开发分析 3 1 发动机测试 在发动机测试中，主要是获取发动机各项工作指标包括：动力性能指标，经济性能指标，运 转性能指标和耐久可靠性指标i l “。这就需要测量多个相关参数，例如需要测定发动机的功率、转 矩、转速、燃料消耗率、冷起动性能、机油温度、冷却水温、排气温度等参数，同时还要对发动 机的转速、扭矩等参数进行控制，有的试验还需要测量供油压力、气缸压力，噪音、点火提前角 及排气品质( c o ，c h ，n o x ) 等参数。很显然，整个发动机的台架试验装置是一个完挺的测控系统， 而且是一个多点采集和控制的系统。 3 1 1 发动机性能参数主要特点 测量和分析发动机基本性能参数和瞬态参数，在发动机的实验研究，性能改善，设计开发及 故障诊断中起到至关重要的作用。 3 1 _ 1 1 基本性能参数 一般在发动机台架实验过程中，发动机是处于稳态丁况f 工作的，即发动机的油门开度一定， 负荷不变，因此发动机转速和转矩基本保持一定，发动机的输出功率稳定。这时，影响发动机工 作的冷却水温度，机油温度处于热平衡状态，其值变化很小。当稍有变化时，通过加入冷却水而 强制使发动机的工作温度保持在一定范围内。在整个实验过程中，需要采样系统实时监控采集发 动机各处的温度、压力、转速、转矩等数据。如需测量发动机冷却水的进1 ：3 温度和出口温度，发 动机机油温度和压力，进气管进口温度，排气管内排气温度，进气流量，油门开度，油耗量，输 出转速，输出转矩等等。这些数据用于监测发动机在整个实验过程中是否处于正常工作状态。根 据c g b l l 0 5 - 8 7 内燃机台架试验方法中规定，这些参数必须在一定限制值范围内，所进行的发 动机实验才有效，有研究价值和具有可比性。 3 1 1 2 瞬态参数 另一类发动机性能参数是指与工作过程有关的瞬态( 变) 参数。无论发动机是在稳定工况下还 是在非稳定( 变) 工况下工作，精确地测量发动机瞬态参数是发动机测试中重要的工作之一。这些 瞬态参数指发动机在一个工作循环中，气缸内介质的压力随曲轴转角的变化即气缸压力或示功 图，柴油机高压油管燃油压力随曲轴转角变化，以及喷油器针阀升程，排气瞬时温度，曲轴扭转 振动波形随曲轴转角变化的规律等。首先。这些变量随时间或曲轴转角变化很快。例如发动机转 速为2 0 0 0 r m i n ，当按0 1 0c a 采样时至少需要8 3 p s ，即1 2 0 1 d - l z 的采样频率。这就要求发动机数据 采集系统更具有实时性。 3 1 2 发动机试验台架简介 一个完善的发动机试验台架通常由以下几部分组成：测功机、操作台及电气控制系统、参数 1 0 测量系统、数据处理系统、测试程序设定控制装置。此外，为了满足测试工作需要，还应配置排 放废气的抽风系统以及发动机节气门控制器等辅助设施。 3 1 3 发动机台架试验 进行发动机性能试验时，应按照国标( g i n l 0 5 1 g b l l 0 5 3 8 7 发动机台架性能试验方法 的要求1 1 ”。在试验过程中，对发动机按下述要求控制：冷却水温度；8 5 ：= 3 。c ；燃油温度3 8 士5 。c ； 机油温度：9 5 ：b 5 c 。发动机台架试验的基本测量参数如表3 1 所示，可根据试验和检查项目的需 要以及发动机的结构性能予以增减。 表3 1 发动机台架试验的基本测量参数 序号测量参数 大气压、环境温度( 进气温度) 和相对湿度 内燃机的进气压力 中冷器冷却介质进口和 l 口温度 内燃机转速 内燃机转矩 内燃机有效功率 燃油消耗及相应的测定时间 燃油消耗率 内燃机排气总管或涡轮增压器后的排气温度及绝对压力 涡轮增压器燃气进口温度和绝对压力 增压器或扫气泵转速 增压器或扫气泵i 气口空气的绝对压力和温度 中冷器后的空气绝对压力和温度 排气支管的排气温度 汽缸腿缩压力和昂高爆发压力 内燃机机油压力和温度 增压器的机油进口压力和温度 机油冷却前后的机油压力和温度 内燃机冷却介质的进出i _ ： 温度( 包括中冷器冷却介质进口和出口温度) 喷油泵进口处柴油压力和温度 机油消耗量，机油消耗率或机油燃油消耗百分比 内燃机噪声 柴油机的排气烟度 排气中有害气体成分的平均比排放量，质量排放量，排放浓度 机械振动与曲轴扭转振动 活塞漏气量 标准环境状况 ， ： ，4 ， 6 7 8 9 m ! ” h ” m 仃 博 拇 甜 丝 斟 笱 拍 中国农业大学硕士学位论文第三章系统理论与开发分析 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t o = 2 9 8 k 或2 5 c ；中冷器冷却介 质进口温度乏o - = 2 9 8 k 或2 5 。c 注：当瓦= - 2 9 8 k 或2 5 1 2 ，o = 3 0 时，水燕气分压op 删o = l k p a ( 75 m m h g ) 标准环境状况下干工期压p j o - - 9 9 k p a ( 7 4 25 m m h g ) 。p 删。为标准环境状况下的饱和蒸汽压- 单位以l 【p a ( m m “g ) 表示 环境温度郫进气温度 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。 在标准中其相应的试验方法和测量项目的有关规定如下： 1 负荷特性试验 ( 1 ) 试验目的 在规定的发动机恒定转速下，其他性能指标随负荷而变化的关系，评定发动机在相应负荷下 的经济性。 ( 2 ) 试验方法 在5 0 8 0 的额定转速下。从小负荷开始，逐渐加大油门，保持发动机转速不变，进行测 量，直至油门全开，适当安排8 个以上合适的测量点分布。 ( 3 ) 测量项目 进气状态、转速、转矩、燃油消耗量、燃油的辛烷值或十六烷值、柴油低热值及馏程。 2 外特性试验 ( 1 ) 试验目的 评定发动机在全负荷下的动力、经济等性能。 ( 2 ) 试验方法 油门全开、在发动机工作转速范围内，顺序地改变转速，进行测量。适当安排8 个以上合适 的测量点分布。 ( 3 ) 测量项目 进气状态、转速、转矩、燃油消耗量、 或喷油提前角、燃料的辛烷值或十六烷值， 3 调速特性试验 ( 1 ) 试验目的 在保持调速器手柄位置不动的前提下， 析柴油机的经济性等。 ( 2 ) 试验方法 实测空气消耗量、排气烟度、噪声、排气温度、点火 柴油低热值及馏程。 评定发动机( 柴油机) 随转速和负荷变化的关系，分 将内燃机调定在标定工况或超负荷功率工况下稳定运转。卸去全部负荷，使其转速达到最高 空载转速或超负荷功率最高空载转速，然后逐步增加负荷，直至负荷增至上述工况。 ( 3 ) 测量项目 进气状态、转速、转矩、燃油消耗量、各种温度指标等。 4 万有特性试验 ( 1 ) 试验目的 1 2 中国农业大学硕士学位论文第三章系统理论与开发分析 评定发动机在各种工况下的经济性。 ( 2 ) 试验方法 两种方法进行试验，可任选其一。 负荷特性法： 在发动机工作转速范围内均匀地选择几个转速的测最点，参照负荷特性试验方法的规定，在 选定的各种转速下进行负荷特性试验。 速度试验法： 根据发动机的功率，选择儿个均匀分布的油门开度的测量点，在每一种油门开度f ，在发动 机工作的范围内，顺序地改变转速进行测量，进行速度特性试验。 ( 3 ) 测量项目 进气状态、转速、转矩、燃油消耗量、排气温度、油门开度、燃料的辛烷值或十六烷值等。 3 2 传感器与数据采集系统理论 3 2 1 传感器的组成及分类 传感器是一个完整的测量装置( 或系统) ，能把被测非电量转换为与之有确定对应关系的有 用电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求”。其组成如图3 - 1 所示： 被测量 囤3 - 1 传感器的组成 传感器的分类：按工作原理可分为应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式，气、 湿、色敏传感器等。 3 2 2 数据采集系统理论 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数 据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。如图3 - 2 ( a ) 所示： 圈3 - 2 ( a ) 数据采集硬件组成图图3 - 2 ( b ) 数据采集系统结构 1 数据采集系统结构如图3 - 2 ( b ) 所示。 中国农业大学硕士学位论文第三章系统理论与开发分析 2 ，信号a d 、d a 转换过程 把连续时间信号转换为与其相应的数字信号的过程称之为模数( a d ) 转换过程，反之则称 为数模( d ，a ) 转换过程。他们是数字信号处理的必要过程。a d 转换过程包括了采样、量化、 编码如图3 3 所示。 图3 - 3 信号a d 转换过程 ( 1 ) 采样 又称抽样，是利用采样脉冲序列p ( t ) ，从连续时间信号x ( i ) 中抽取一系列离散样值，使之成 为采样信号x ( n a t ) 的过程。时间间隔t 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数u a t 被称为采 样频率。单位是采样数每秒，t = - 0 ，a t ，2a t ，3at t ) ，x ( 2 a t ) 都是采样值。这样信号x ( 1 ) 等等。x ( t ) 的数值就被称为采样值。所