（检测技术与自动化装置专业论文）基于labview的液体加热器虚拟测试系统的研究与设计.pdf

、 山东大学硕士学位论文 摘要 汽车液体加热器是用于汽车冬季预热发动机并供货车驾驶室取暖或客 车车室取暖的设备随着近年来我国汽车市场的日益繁荣和人民生活水平的 提高，国内市场对汽车液体加热器的需求也越来越大。 在液体加热器的生产和研究过程中，加热器的测试是一个重要的环节。 随着液体加热器产量的提高，传统的液体加热器测试系统由于效率低、准确 性差等缺点已经不能满足实际的需要，因此根据厂家( 河北宏业公司) 的要 求，在已经为液体加热器开发了控制器的基础上，我们开发了一套新型的汽 车液体加热器测试系统。基于虚拟仪器的设计思想，本系统利用工业控制计 、 算机强大的数据处理功能，通过对加热器工作参数的数据采集和对数据的分 析处理，实现了液体加热器工作状态参数的测试和故障，报警的检测 本文首先从介绍燃油液体加热器的基本概念和工作原理出发，通过对传 统液体加热器测试方法的分析，指出了传统的加热器测试方法存在的问题和 不足；然后介绍了虚拟仪器技术概念和特点，并通过对虚拟仪器与传统仪器 的比较。提出了一种利用虚拟仪器思想构建加热器测试系统的新思路。然后 在第二章中，给出了本系统的整体设计方案，包括系统功能、系统构成、工 作原理、硬件系统结构和软件设计思想。 由于传统的液体加热器测试系统对加热器工作参数的测试是使用专用 仪表来实现的，所以这种方法不仅效率低而且不能够对测量到的数据进行分 析在本系统设_ i , - t - o e ，我们使用传感器、变送器来测量加热器参数；计算机 利用数据采集卡采集参数的测量信号，然后再对采集到的信号进行数据处 理，得到测试结果对于液体加热器来讲，由于其采用循环水作为加热介质， 因此其最基本的性能参数就是与循环水相关的参数，如循环水入1 2 1 水温、循 环水出口水温，水流量等；另外由于国家对于汽车尾气排放有着严格的要求， 山东大学硕士学位论文 i i i i ! l , 皇曼! ! ! ! 暑阜! 暑曼詈舅曼曼曼曼曼曼曼皇 因此加热器的尾气参数也是我们测试的重点。在本文的第三章中，我们介绍 了上述工作参数的测试原理和硬件设计及实际应用时的注意事项。由于在测 试过程中，本测试系统会受到各种各样的干扰，因此系统的抗干扰就成为一 个非常突出的问题，本文的第四章介绍了本系统所采用的抗干扰设计 液体加热器的负载众多，包括电热丝、电磁阀、电机、水泵等，当这些 负载发生故障时，会严重影响加热器的正常工作甚至是烧毁加热器的控制 器，因此对液体加热器负载故障的检测就成为液体加热器测试的一个重要内 容。而在传统的加热器测试系统中无法准确地判断出负载的故障及类型。因 此在本文第五章中我们介绍了一种利用虚拟测试系统与控制器的串行通信 来实现加热器故障报警和负载故障检测的新方法，并介绍了如何利用，7 ， l a b v i e w 来实现p i c 单片机与上位机的串行通信。 ， 在本文的最后一章中，我们给出了本虚拟测试系统的前面板设计，并介 绍了系统主要功能模块的软件实现方法。 实验表明，对比传统的液体加热器测试系统，本系统提高了加热器测试 的效率和准确性，具有良好的应用效果。 关键字：液体加热器、虚拟仪器、测试系统、l a b v i e w 、串行通讯 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t oh o t w a t e rh e a t e ri sae q u i p m e n tf o rw a r m i n g - u pt h ee n g i n ea n d w a r m i n gt h ec a b 。w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fa u t om a r k e ta n di m p r o v e m e n to fp e o p l e l i v el e v e l ，i nc h i n a ，t h em a r k e to f a u t oh o t w a t e rh e a t e ri sb e c o m i n gl a r g e i t i si m p o r t a n tf o rm a n u f a c t u r eo ft h eh o t - w a t e rh e a t e rt o t e s ti t sp e r f o r m a n c e b u tt h ec o n v e n t i o n a lt e s ts y s t e mc a n tb ef i tf o rt h ei n c r e a s eo fh o t w a t e rh e a t e r o u t p u t s ob a s eo nh a v i n gd e v e l o p e dt h eh o t - w a t e rh e a t e r - c o n t r o l l e r , w ed e v e l o pt h e a u t oh o t - w a t e rh e a t e rv i r t u a lt e s ts y s t e m 、一f i r s t l y ，i n t l l i sp a p e r , w ei 咖d u c em ec o n c e p ta n dp r i n c i p l eo f h o t w a t e rh 掣e r s a n d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec o n v e n t i o n a lh o t - w a t e rh e a t e rt e s ts y s t e m ，w es h o w i t s d i s a d v a n t a g e s e c o n d l y ，w ei n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a li n s t r u m e n t a n dt h r o u g hc o m p a r i n gv i r t u a li n s t r u m e n tw i t hc o n v e n t i o n a li n s t r u m e n t ，w ed e c i d e t ou s ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u et od e s i g nn e wh o t - w a t e rh e a t e rt e s ts y s t e m a n d t h e n , s e c o n dc h a p t e ro fm yp a p e rs h o wt h ed e s i g no f t e s ts y s t e m t h ec o n v e n t i o n a lt e s ts y s t e mu s es p e c i a li n s t r u m e n t st ot e s tt h eh e a t e rp a r a m e t e r ， s on o to n l ye f f i c i e n c yo fc o n v e n t i o n a lt e s ts y s t e mi sl o w ，b u ta l s oi tc a n ta n a l y s i st h e m e a s u r ed a t a i nm yd e s i g n ，w eu s es e n s o r st om e a s u r eh e a t e rp a r a m e t e r ，a n dt h e c o m p u t e ru s ed a q c a r dt og a t h e rt h em e a s u r es i g n a l s ，t h e nt h r o u g ha n a l y s i st h e s e s i g n a l si nc o m p u t e r , w ec a l lg e tt h er e s u l to fh e a t e rp a r a m e t e rt e s t t h eh o t 。w a t e r h e a t e rc h o o s e sw a t e ra sh e a t i n gm e d i u m s oi ti se s s e n t i a lf o rh o t - w a t e rh e a t e rt ot e s t t h ew a t e rp a r a m e t e r s ，s u c ha sw a t e rt e m p e r a t u r e ，v o l u m e e t c i nc h i n a ，t h e r ea r e s t r i c ts t a n d a r d sf o ra u t ow a s t eg a s ，s oi t sn e c e s s a r yt ot e s tw a s t eg a sp a r a m e t e r s i n t h et h i r dc h a p t e ro f t h i sp a p e r ，w ei n t r o d u c et h e t e s tp r i n c i p l ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h e s ep a r a m e t e r b e c a u s et h et e s ts y s t e ms u f f e r sm a n yj a n l s ，d e s i g no fa n t i - j a m m i n g l 山东大学硕士学位论文 i i i si m p o r t a n tf o rt e s ts y s t e m t h ef o r t hc h a p t e ro fm y p a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no f a n t i - j a m m i n g t h eh o t w a t e rh e a t e ri n c l u d em a n yl o a da p p a r a t u s e s i t sd a n g e r o u sf o rh e a t e r t h a tt h e s ea p p a r a t u s e sc o r d o u t ，s oi tb e c o m e sa ni m p o r t a n tc o n t e n tt oe x a m i n e m a l f u n c t i o n so ft h e s ea p p a r a t u s e s c o n v e n t i o n a lt e s ts y s t e mc a n te x a c t l ye x a m i n e m a l f u n c t i o n so ft h e s ea p p a r a t u s e s s oi nt h ef i f t hc h a p t e r ，w ed i s c u s sh o wt ou s e s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o m p u t e r a n dh e a t e rc o n t r o l l e rt or e a l i z et h e e x a m i n a t i o no f m a l f u n c t i o n s i nt h el a s tc h a p t e r , w eg i v et h ef r o n tp a n e ld e s i g no ft h i sv i r t u a lt e s ts y s t e m ，a n d i n t r o d u c e dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e mm a i nf u n c t i o n t h ee x p e r i m e n te x p r e s st h a tc o n t r a s tt h ec o n v e n t i o n a lt e s ts y s t e m ，t h i ss y s t e m r a i s e se f f i c i e n c ya n da c c u r a c i e so ft h eh o t w a t e rh e a t e rt e s t - s y s t e m ，h a sg o o da p p l i e d r e s u l t k e y w o r d s ：h o t - w a t e rh e a t e r ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，t e s ts y s t e m ，l a b v i e w ，s e r i a l c o m n l u n l c a t i o n 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：隧 日 论文作者签名：2l 丝硷鲴物 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作暑签名毛獬导师签名：秀乙红日 1 1 引言 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车燃油加热器最早产生于2 0 世纪4 0 年代的欧洲，主要用于冬季预热发 动机并供货车驾驶室取暖或客车车室取暖。其后，加热器产品迅速遍及欧洲 及北美市场【1 0 1 【l l 】f 1 2 】随着人们生活水平的提高，人们对于出行交通工具的 舒适度要求也越来越高，其中车内取暖是一个很重要的方面；并且近年来我 国的汽车产业发展迅速，因此，国产汽车加热器发展空间很大。 河北宏业汽车加热器有限公司是中国燃油加热器的发源地，在国内最早 开始研究、设计、生产汽车燃油加热器，其技术水平在国内一直处于领先地 位。但是。在加热器测试方面，操作者还是通过传统仪表来对加热器的各种 工作参数进行测量，对于加热器的故障报警也仅能通过铃声和指示灯来进行 简单的判断。传统的测试方法效率低、实时性差、准确率低，在加热器生产 量不断提高的情况下，传统的测试方法已经不能满足出厂测试的要求。 随着计算机技术的迅猛发展，测试系统开始向计算机的方向发展。虚拟 仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是2 0 世纪9 0 年代由美国国家仪器公司提 出的新概念，是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物。 虚拟仪器技术的提出和发展，标志着2 1 世纪自动测试与电子测量仪器技术发 展的一个重要方向 鉴于虚拟仪器技术的优点，我们选择使用虚拟仪器技术来构建新的液体 加热器测试系统。 山东大学硕士学位论文 1 2 汽车液体加热器 1 2 1 加热器概述 河北宏业公司开发生产的h y d r o n i c l 6 2 4 3 0 3 5 型液体加热器是一种 车内取暖设备。它根据燃烧换热原理，通过加热循环系统内的冷却液介质， 依靠冷却液介质的循环流动来达到加热的目的。其控制方式为自动型；该产 品采用与环境温度相适应牌号的轻柴油作燃料；能在4 0 c 以上的环境条件下 正常启动和运转：使用2 4 v 直流电源；它可以与发动机及强制散热器等辅助 散热装置组成循环系统，为各种车辆发动机的低温起动、风挡玻璃除霜和车 室内取暖提供热源。 1 2 2 液体加热器的工作原理 图1 1 2 为液体燃油加热器的剖视图： 2 图1 1 2 山东大学硕士学位论文 图中各标号对应器件如下： l 、护罩( c 0 2 调整)1 2 、保险 2 、连轴器1 3 、定时器 3 、控制器1 4 、风扇 4 、点火发生器1 5 、电机 5 、火焰传感器1 6 ，油接头 6 、电磁阀1 7 、预热器 7 、温度传感器1 8 、喷油嘴 8 、点火电极1 9 、后燃烧室 9 、燃烧室2 0 、熟交换器 l o 、过热保护传感器2 1 、水泵 1 l 、车辆暖风机继电器2 2 、排废弯管 下面我们给出液体加热器系统的工作流程 1 3 1 开机： 。 a ：废气 b ： 燃油 v ：助燃空气 w a ：出水口 w e ： 进水口 1 水泵开关接通，水泵运行，水泵指示灯亮，水泵带动水套夹层中的冷却 液介质循环流动。主机开关接通，负载检测，约3 0 秒后，加热器开始工 作。主电机、电磁阀同时通电，上油约5 秒钟后，断开：接通电热丝，预 热约5 0 秒，主电机，电磁阀再同时通电，加热器点火。约4 0 秒后，点火 传感器发出着火信号，表示点火成功，进入第二步。如果点火传感器5 0 秒内未发出点火信号，控制器自动切断主电机和电磁阀，电热丝继续预 热2 0 秒后，再接通主电机和电磁阀，开始第二次点火 2 着火后，控制器切断电热丝，着火指示灯亮，加热器正常工作，进入第 三步 3 控制器根据加热器循环水入口水温传感器( 7 8 ( 2 时。断开电磁阀，停止 燃烧，灭火；温度降到6 5 时。再重新点火) 自动控制循环系统内冷却 山东大学硕士学位论文 液介质恒温。若7 8 灭火后，3 分钟后加热器进口温度降不到6 5 ，则主 电机停，水泵继续工作 关机： 关闭主机开关- 主电机延时3 分钟后自动关闭再关闭水泵开关，水泵 停，系统结束运行 注： 1 在主机开关接通后，单片机对系统所有负载进行例行检测，内容包括电 源电压异常、点火传感器开路、循环水入口水温传感器短路和开路、循 环水出口水温传感器短路和开路、电热丝短路和开路、电机短路和开路， 电磁阀短路和开路如果负载有异常，系统停止工作并报警。 2 电机是由单片机输出的p w m 波控制，在启动时由低俗逐渐达到高速，并 且在启动完成后，单片机根据电源电压调整p w m 占空比，使电机稳压工 作并且如果电机在运行过程中发生短路，系统要立即停止工作并报警。 3 。电热丝是由单片机输出的另一路p w m 波控制。在电热丝工作时，单片机 也要根据电源电压调整p w m 占空比，使电热丝稳压工作。并且如果电热 丝在工作过程汇中发生短路，系统要立即停止工作并报警。 4 在燃烧过程中，如果发生水温异常，即循化水入口水温5 秒上升7 c 或者 循环水出口水温比循环水入口水温高i o c ，系统要立即停止工作并报警。 1 2 3 加热器控制器介绍 汽车液体加热器控制器是用来控制加热器工作的装置。应用户( 河北宏 业公司) 的要求，以该公司现有的燃油加热器产品为基础，我们为其开发了 全新的液体燃油加热器控制器。该控制器m i c r o c h i p 公 的p i c l 6 f 8 7 6 单片 机作为核心控制芯片，围绕加热器工作原理加以辅助的外围器件，并以用户 提供的工作流程为基础编写了相应的软件，从而实现汽车液体加热器工作过 4 山东大学硕士学位论文 程的自动控制。该控制器用来实现液体燃油加热器的自动启动，关机、流程 控制、自动故障报警、故障诊断、与上位机串行通讯等功削】控制器系统 框图如图1 2 3 所示。 邕二兰卜 i 检测r 1 匿三兰卜 i 检测r _ 呻 p 1 6 f 8 7 6 i 三! ：! 兰： 单片机 匮耳一 l 口检测测广p 匿一咂 i 口检测i 图1 2 3 1 3 传统的加热器测试系统 1 3 1 概述 在加热器的生产和研究中，加热器的测试是必不可少的环节。在加热器 的研究过程中通过对加热器参数的测试，可以发现加热器设计的不足并加以 改进：在加热器出厂时，同样需对加热器的主要参数进行测试，如出入口水 温、水流量等，来验证加热器是否到达厂家规定的性能要求，若不满足要求， 则要通过测试找出问题所在加以解决 传统的加热器测试方法是这样的：首先将加热器固定在一个试验台上， 加热器的进水口和出水口通过水管与一个水箱相连，这样就构成了一个循环 山东大学硕士学位论文 ji pi + , , n l 曼i 曼皇皇鲁! 曼苎葛 水加热系统，模拟了在车体内加热器的工作情况。实验平台搭建完成后。就 让加热器开始运行，然后根据经验，通过判断加热器是否按照正常流程工作 来判断加热嚣是否合格在加热器运行过程中，如果出现报警，则通过加热 器上安装的指示灯和鸣笛来判断报警的类型。若发现是负载出错报警，要通 过万用表来对各负载进行测量，找出出错的原因，加以修改。然后再让系统 运行，继续调试，如此循环 1 3 2 传统测试系统存在的问题 在使用传统测试方法对加热器进行测试的过程中，我们发现许多问题： 传统的加热器测试系统，往往只能测试单一型号的加热器，且所能完成 的测试任务也比较少；若需要测试其他型号的加热器或增加测试任务， 则需对整个测试系统做较大的调整。 在对加热器的性能参数进行测量时，传统方法采用的大部分是分别独立 的传统测量仪表，这种测量方法最大的缺点是缺少数据存储功能，不能 够对加热器整体工作过程性能参数的数据进行记录，不利于加热器设计 开发和维修人员对加热器性能数据的分析。 在加热器传统的测试方法中，测量仪表都是分离安装的，因此对各个参 数的测试只能是分别进行的，这也降低了效率。 加热器的传统测试方法中对报警的判断仅仅是通过对指示灯闪烁和鸣笛 声音的判断来实现的，这种判断方法不仅不能够直观的指示出报警类型， 而且由于测试现场的噪声和干扰往往是很大的。所以经常出现误判，使 操作者错误的记录了报警的真正原因，也就使测试工作走了弯路 当发生负载故障报警时，在传统的测试方法下是很难检测出负载故障的 类型的，唯一的办法就是使用万用表对各个负载进行测量，但是由于加热器 负载器件众多，使用万用表进行测量不仅效率低下而且目的性很差这就使 6 山东大学硕士学位论文 - 蔓p i ! 曼皇曼曼皇烹曼曼曼曼曼皇曼! 曼! 寡! 蔓 故障定位的时问大大的加长了，测试的效率也就大大的下降了。 总之，传统的加热器测试系统存在着种种的弊端，随着加热器产量提高， 传统的加热器测试系统已经不能满足实际生产的需要，厂家迫切需要一套新 型的加热器测试系统。 1 4 虚拟仪器技术 所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和 设计仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件和最新的计算机软件技术充 分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功趔”】虚拟仪器通过友好的图形界 面( 通常叫做虚拟前面板) 操作这台计算机，就像在操作自己定制的一台传 统仪器一样。它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，通过软件实现数据的分析处理、表达f 1 6 1 。 虚拟仪器最核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现 的技术软件化，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性因 - j 此，虚拟仪器是受益和依赖于计算机技术。外部特征与传统仪器相比有较大 的不同，最突出的特点就是面板及相应的控件和指示器不再是一些物理实体 所构成，而是由计算机内部强大的图形环境和在线帮助功能建立起来的虚拟 面板所代替，称之为“软面板”【1 7 ) ；从内部特征看，智能仪器中较为复杂 的微处理器及其固件，现在大多可荚享计算机内部的软、硬件资源，借助其 完善的数据分析和处理能力，实现测试仪器所需的全部测试功能【1 8 j 虚拟仪器的特定形式使其具有如下特点i ”l ： 仪器的功能和性能的实现大多采用硬件软件化或以软件代硬件技术来完 成复杂的控制、分析或处理等能力强调“软件就是仪器”的新概念 在虚拟仪器中，除了必备的硬件外。传统仪器单个仪器资源不能共享的 。 ， 山东大学硕士学位论文 现状。 由计算机来完成显示、存储打印及微处理器控制管理等。即无论任何 功能的仪器可利用或共享计算机的这些公共资源，而无需重复的设计 模块化，开放性、互换性的特点和资源的重复性，并可方便、经济的组 建或重构自动测试系统。用户可根据自己的需要选购不同功能的卡式或 模块化仪器，并可随测试任务的不同而灵活组合，提高仪器资源的可再 用性 自定义仪器功能。传统仪器在出厂时其功能已由厂商确定，用户不能根 据自己的需求随时进行修改，只能一机一用。而虚拟仪器则可借助通用 的数据采集装置，编制不同的软件测试方案，构造几乎任意功能的仪器， “软件就是仪器”的思想在这里再次体现。 使硬件测试设备与计算机之间的数据交流变的非常方便、直接和迅速。 对于普通的测试设备，一般所得的测试数据需要测试人员手工实时记录。 如果数据量比较大，使测试过程变得很冗长、复杂，不可避免引起测试 误差。而且有的常用测试仪器，一般只对被测对象作定性测试。有的测 试仪器先将测试数据存入软盘中，然后再利用软盘与其他分析仪器交流 数据如果采用虚拟仪器技术，测试设备所得的测试结果将会实时、直 接的通过计算机总线传输到计算机的内存或硬盘，供以后分析使用。这 样，一方面避免了数据传输的问题，另一方面可以充分的利用计算机的 存储功能。 使用人员可以通过软件编程或采用现有的分析模块，根据工程的实际需 要实时、直接的对测试数据进行各种分析与处理。如d f t 、f f t 运算、p i d 控制、模糊逻辑控制、联合时频分析、数字信号处理等，从而对被测控 对象进行进一步的控制。 虚拟仪器的这些特点决定了它具有比传统仪器性能更优越，使用更灵活 毫 山东大学硕士学位论文 i 的优点虚拟仪器与传统仪器的比较列于表1 4 。 表1 4 虚拟仪器传统仪器 开发与维护费用低开发与维护费用高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 10 年) 软件是关键硬件是关键 价格低、可重复利用，可重新配置购买价格高、维护费用高 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 灵活、开放、与计算机技术同步封闭、固定 与网络及其周边设备互联方便的面 功能单一、互联有限的独立设备 向应用的仪器系统 虚拟仪器技术经过十余年的发展，正沿着总线化与驱动程序标准化、软硬件 的模块化、编程平台的图形化和硬件模块化的即插即用化、网络化等方向发 展。工业发达的国家已经将虚拟仪器技术广泛应用于航天、通讯、生物医学、 地球物理、电子、机械等各个领域，进行工程技术工作和科学研究f 1 8 】。 国内对于虚拟仪器的研究与工程应用也取得了很多成果，在产品性能测 试、设备故障诊断、生产过程控制等中得到普遍应用。采用虚拟仪器技术构 建测试仪器，开发效率高，可维护性强；测试精度，稳定性和可靠性能够充 分保证：具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备更新和功能转换与扩 充1 2 0 1 1 5 课题研究内容及意义 1 5 1 课题的研究内容 鉴于虚拟仪器技术上述的特点和优点，我们针对河北宏业公司生产的 9 山东大学硕士学位论文 h y d r o n i c l 6 2 4 3 0 3 5 型汽车液体加热器开发了套虚拟测试系统。 本虚拟测试系统建立在工控机的基础之上，采用美国n i 公司的l a b v i e w 虚拟仪器软件进行上位机用户主界面和控制程序的开发本课题研究了如何 利用l a b v i e w 软件、n i 公司的p c i 6 0 2 4 e 数据采集卡和多种传感器变送器来 构建p c - d a q 结构的汽车液体加热器虚拟测试系统。 对于液体加热器来讲，由于其采用循环水作为加热介质，因此最基本的 性能参数就是与循环水相关的参数。在本设计所测试的参数中，与循环水相 关的有三个：加热器循环水出口水温、循环水入口水温和循环水流量。在本 课题中，我们对循环水出入口水温、水流量的测量原理和测试过程中软硬件 的设计方法都进行了深入的研究另外由于国家对于汽车尾气排放的要求， 因此对于加热器尾气的测试也显得尤为重要，在本课题中，我们主要研究了 加热器尾气烟度、c 0 2 浓度、c o 浓度、h c 浓度的测试原理和测量方法在 本测试系统中，由于存在着各种各样的噪声源，因此只有系统具有一定的抗 干扰能力才能保证测试的准确性，故我们需对系统的抗干扰措施加以研究。 液体加热器的负载众多，包括电热丝、电磁阀、电机，水泵等，当这些 负载发生故障时，会严重影响加热器的正常工作甚至是烧毁加热器的控制 器，因此如何检测出液体加热器的负载故障也是本课题研究的重点内容。 1 5 2 课题的意义 近年来，由于我国汽车市场的繁荣，市场对于汽车加热器的需求也大大 提高了，因此厂家对加热器测试的效率及效果的要求也大大提高了本虚拟 测试系统正是为满足河北宏业公司的要求而设计的，它不仅可以用于河北宏 业公h y d r o n i c l 6 2 4 3 0 3 5 型号加热器出厂前的性能测试，而且在产品投 入市场后，可以方便维修人员对返修的加热器进行故障诊断和维修。实践证 职用l a b v i e w 虚拟仪器软件构建的汽车加热器虚拟测试系统具有结构简 1 0 山东大学硕士学位论文 单、使用方便、效率高、测试成本低的特点，具有良好的应用价值 山东大学硕士学位论文 第二章虚拟测试系统的整体设计 液体燃油加热器虚拟测试系统是基于虚拟仪器思想而设计开发的其基 本设计思路是利用计算机强大的数据处理、计算和图形显示功能，通过对被 测试参数的数据采集和虚拟仪器软件编程来实现对加热器性能的测试。 2 1 系统的功能 本套虚拟测试系统是为对液体燃油加热器进行出厂测试所设计的，它是 一种新型的测试仪器，具备了下列这些功能： 用户操作功能 1 用户可对测试系统的初始化参数进行设置，如加热器型号选择、数据 存储目录设置等； 2 用户可在虚拟面板上对测试项目进行选择，可以只测试单个工作参数 也可同时测试多个工作参数。 工作状态参数监测功能 1 根据测试任务，实时监测工作参数并将数据显示在用户主界面上： 2 采用波形图或显示型控件等多种方式来显示，从而很容易观察到工 作参数的变化情况； 3 当工作参数超出规定的工作范围，系统自动给出警示 故障报警检测和负载故障检测功能 1 能自动检测出加热器是否出现故障，当出现故障时自动报警，并判断 出故障报警类型； 2 能判断出加热器的报警系统是否正常工作； 3 当出现加热器负载故障报警时，能够自动检测出负载故障的类型。 扩展功能 1 2 山东大学硕士学位论文 1 可以根据用户的设置，进行多型号加热器的测试； 2 根据实际测试情况的需求，可方便的添加测试任务。 手动自动切换功能 1 当系统设置为自动测试时，系统自动完成对加热器性能的测试，并 自动保存数据： 2 当系统设置为手动测试时，用户可通过操作用户主界面上的测试控 件来自定义完成对加热器性能的测试。 2 2 系统构成及工作原理 2 2 1 系统构成 本套虚拟测试系统是为对河北宏业公司生产的h y d r o n i c l 6 2 4 3 0 3 5 型液体加热器进行出厂测试所设计的。在本系统中，我们从以下三大方面对 加热器的性能进行了测试： 加热器工作状态参数的测试 液体燃油加热器的运行过程中，厂家对各主要工作参数均有严格的性能 要求，加热器工作参数必须满足这些要求。通过对工作状态参数的测试，不 仅可以测试出加热器运行过程是否正常还可以为故障检测提供分析数据。 加热器的故障报警 当加热器出现故障时，要求测试系统能够自动进行故障报警，并能检测 出报警的类型由于加热器自身带有报警装置，着测试系统报警时加热器报 警，说明加热器报警系统共组正常；若测试系统报警，而加热器并未报警， 则说明加热器报警系统存在故障 负载故障检测 加热器负载器件众多，包括电机、电热丝、电磁阀等，这些负载自身的 质量和安装也影响着加热器的质量。在加热器工作过程中，如果这些负载出 现故障，这时就要求测试系统能够检测出这些故障究竟是由哪一个器件引起 的，并判断出产生故障的原因 山东大学硕士学位论文 通过对加热器故障报警和负载故障的检测，不仅可以测试出加热器运行 过程中出现的故障而且可以测试出加热器负载的状况，使测试者直观地了解 加热器故障的出处及原因，以便及时排除故障。 2 2 2 系统的工作原理 汽车加热器虚拟测试系统的工作原理是这样的： 将需要测试的加热器安装到加热器测试平台上，打开测试系统用户主界 面，在前面板上设置所要进行测试的加热器的型号，选择测试方式位手动或 自动，然后开始运行测试系统。 运行液体加热器和测试系统，测试系统首先通过r s 2 3 2 串行通信读取加 热器控制器p i c l 6 f 8 7 6 单片机中j r q t y p e 寄存器单元的值。j r q t y p e 寄存器 是用来存放加热器的类型值的，本测试系统四类测试对象 h y d r o n i c l 6 2 4 3 0 3 5 分别对应的j r q t y p e 值为i ，2 ，4 ，8 。然后判断用户 设置的加热器类型与实际测试的加热器类型是否一致，若一致则允许开始测 试，否则则发出错误提示，如图。当操作者重新设置正确的型号后。测试系 统会发出指令使控制器复位，使加热器重新开始工作。 操作者可以通过操作虚拟i 贝l l 试系统的前面板上的控制键，完成多个测试 项目。在本测试系统中的测试项目有三大类：加热器工作状态参数的测试、 故障报警测试和负载故障测试。 根据测试参数的不同，通过不同变送器、传感器对测试参数进行数据采 集，然后将采集到的信号经过放大调理后，通过数据采集卡送往p c 机，在虚 拟仪器软件的支持下完成参数的监测、数据的保存和数据分析等功能。 在加热器控制器中，我们定义了一个报警状态寄存器a l a r m 和两个负 载状态寄存器l o a d s t a t u s l 、l o a d s t a t u s 0 ，测试系统每两秒钟就从控 制器中读取一次a l a r m 寄存器的值，然后根据其值测试出报警类型。且可 根据此时加热器报警系统的工作情况判断出其是否存在故障；若发生负载故 1 4 山东大学硕士学位论文 障报警，则通过读取l o a d s t a t u s l 、l o a d s t a t u s o 寄存器的内容，根据 其值就可以测试出加热器负载的工作状况和故障类型。控制器与虚拟测试系 统之间的数据通信是通过r s 2 3 2 串行通信完成的。 液体加热器虚拟测试系统的基本原理框图如图3 1 3 所示。 2 3 系统的硬件结构 2 3 1 整体结构 图2 2 2 本系统中硬件系统数据采集系统、油耗仪、工业控制计算机和配件组成。 图2 3 1 给出了测试系统的硬件结构图 图2 3 1 山东大学硕士学位论文 数据采集系统由多种工作参数测量传感器、变送器，信号调理模块和数 据采集卡组成，它是用来对加热器工作状态参数进行数据采集的；工控机为 虚拟测试系统提供了用户操作平台。使用户可以方便实现测试功能；配件包 括水管、水箱等，这些配件与加热器相连后构成了一个循环水系统，模拟了 加热器真实的工作情况。 数据采集系统对测试参数进行数据采集，经由信号调理器将采集到的信 号变为数据采集卡可以接受的信号，然后由数据采集卡采集送入工控机，工 控机则完成对采集数据的处理、分析和结果显示。我们通过工控机与加热器 控制器的数据通信来实现对加热器故障报警的测试和负载故障的测试。本系 统的数据通信是通过工控机上的r s 2 3 2 串行接口来实现的。液体加热器虚拟 测试系统的硬件连接结构框图如上图所示。 2 3 2 传感器的选用原则 要实现对加热器工作参数的测试，必须要先测量出这些参数的大小。要 想准确测量出参数的大小。还必须对传感器、变送器( 或其他前端采集设备) 1 6 山东大学硕士学位论文 进行合理的选取 传感器的主要选取原则如下： 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际 变化范围( 变化幅度范围、变化频率范围) 相一致 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标 ( 一般应优先于系统精度的十倍左右) ，转换速度应符合整机要求 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗 振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。 能满足用户对可靠性和可维护性的要求口4 1 。 目前传感器技术正向着系统化和智能化的方向发展，它不再是个单独 的测量元件，而是微机械与微电子技术、计算即技术、信号处理技术、电路 与系统，传感技术、神经网络技术、模糊控制技术、虚拟仪器技术等多学科 的综合性产物。 液体燃油加热器虚拟测试系统需获取以下信号：电压、循环水压、循环 水流量、循环水温、烟度、烟气成分等。其分别利用一系列传感器来获取： 压力传感器、流量传感器、烟度传感器、温度传感器等。关于本系统选用的 测量各工作状态参数的传感器我们将在第三中详细介绍。 2 2 3 数据采集卡的选择 本系统中我们通过数据采集卡将传感器变送器采集到的参数信号送入 计算机中数据采集卡能够在计算机控制下完成数据采集与控制任务。随着计 算机和总线技术的发展越来越多的科学家和工程师采用基于p c 的数据采集 系统来完成实验室研究和工业控制中的测试测量任务建立在通用计算机和 数据采集卡设备基础上的虚拟仪器系统具有一机多用、用户自定义功能和使 用维护方便等特点，因此在本系统中选择采用数据采集卡来实现数据采集的 1 7 山东大学硕士学位论文 功能。数据采集卡的选择非常重要，应综合考虑采样率、采样精度、缓冲方 式等要素来选择满足系统需要的采集卡。 n i 公司以研制开发先进 拘d a q 产品起家，其功能强大的d a q 产品软件支 持是l a b v i e w 的显著特色之一在l a b v i e w 平台，用软件驱动i o 接口数据 采集卡，实现数据采集分以下两种情况： l a b v i e w 支持的数据采集卡，如n i 公司自行生产的各类数据采集卡，可 利用l a b v i e w 自带的驱动函数驱动。设计者只需正确设置输入参数就可 实现数据采集的任务，而不需编写代码程序 l a b v i e w 不支持的数据采集卡，可利用l a b v i e w 的代码嵌入功能( c l n 模 块) 来实现采集卡的软件驱动。 综合考虑各种要素，我们在本测试系统中采用p c i 一6 0 2 4 e 型数据采集卡。 该数据采集卡是n i 公司p c i e 系列数据采集卡之一，是一种性能优良的低价 位适合p c 机及其兼容机的采集卡。它能够完成信号采集( a d ) ，数字信号的模 拟输出( d ，a ) 以及定时，计数等功能。 2 3 4 油耗仪的选择 油耗仪采用杭州奕科公司生产的f c m 系列油耗仪。因为f c m 系列油耗仪 的串行接1 2 采用r s 4 2 2 标准，而计算机的串行接口标准为r s 2 3 2 ，所以要通 过一个r s 4 2 2 和r s 2 3 2 的转换器才能将该油耗仪的测量值传送到主控计算机 中。 2 3 5 上位机的选择 在这里我们选用的工业控制计算机必须满足抗干扰性能好，稳定性能优 等要求。本系统采用的工控机内存为1 2 8 m ，内置华北工控n o r c o 6 6 0 v e 全 - l * c p u 卡，机箱采用全钢加固外壳，并带有防尘带锁面板，其抗干扰能力强， 1 8 山东大学硕士学位论文 适合现场使用 2 4 测试软件系统 2 4 1 测试软件设计的原则 易理解性，易维护性我们编写的软件系统应尽量做到容易阅读和理解， 容易发现和纠正错误，容易修改和补充。由于我们很难再短时间内就对 整个系统理解无误，应用软件的设计与调试不可能一次完成，有些问题 是在运行中逐步暴露出来的，这就要求编制的软件容易理解和修改 实时性实时性是我们系统的一个要求，系统要求软件系统能实时的处 理数据采集卡采集来的数据，并显示输出加热器各测量参数的状态 ，p i * 。 可测试性尽量是可变参数的改变容易，便于现场调试。 准确性。准确性对我们的系统具有重要意义。加热器测试系统的实质就 是对加热器的各状态参数进行测量，观察其是否满足正常的技术指标。 因此在参数的测量和计算上要求准确，主要是在算法上要满足精度的要 求。 可靠性。可靠性是我们软件最重要的指标之一，它要求两方面的意思： 第一软件能可靠运行并给出正确结果，也就是要求软件具有白适应性： 第二软件必须保证在严重干扰条件下也能可靠运行【2 6 1 。 2 4 测试系统软件的设计思路 本虚拟测试系统的软件系统是利用l a b v i e w 平台开发的其主要完成 下列任务： 利用l a b v i e w 强大的图形化功能，编制友好的用户主界面用户可以通 过主界面上的控件来操作测试系统完成测试任务且主界面上提供的显 1 9 山东大学硕士学位论文 示控件可以实时的显示测试过程中的数据、波形及报警情况等信息； 编制各种测试功能实现模块，这是软件系统最核心的部分，也是整个虚 拟测试系统的核心； 编制工控机与p i c l 6 f 8 7 6 单片机之间串行通讯的上位机程序； 实现对测试过程中数据的保存和测试报告的生成 在明确了本软件系统的功能和任务划分后，可以设计出主要的程序结构 和系统的工作流程、依此进行程序模块的划分，在共同定义的公用数据接1 2 1