基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)起動性能檢測分析系統(tǒng)

蘭 琳，陳 釗

（江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，武漢 430056）

基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)起動性能檢測分析系統(tǒng)

蘭 琳，陳 釗

（江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，武漢 430056）

0 引言

發(fā)動機(jī)作為汽車的核心部件，其起動性能是保證汽車正常運(yùn)行的關(guān)鍵。為了對發(fā)動機(jī)的起動性能進(jìn)行正確的評價，需要測試發(fā)動機(jī)實(shí)際起動過程中的各種狀態(tài)參數(shù)，并對這些參數(shù)進(jìn)行合理正確地處理和分析。采用模擬器件組成的模擬式測試儀器，其精度低、速度慢、適應(yīng)性差；由數(shù)字電路構(gòu)成的數(shù)字式測試儀器以及以單片機(jī)為核心的智能化測試儀器，在測試精度、速度和儀器壽命等方面都有較大的提高，但也都只能實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)測量和分析處理，缺乏靈活性。

本文基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了發(fā)動機(jī)起動性能檢測分析系統(tǒng)，檢測并計算、分析發(fā)動機(jī)起動過程中的各種模擬輸入輸出信號和開關(guān)信號，從而準(zhǔn)確地判斷出發(fā)動機(jī)起動性能的技術(shù)狀況。本系統(tǒng)具有用戶界面簡單明了、數(shù)據(jù)清晰、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，而且突破了手動測試的局限，避免了主觀判定的不可靠性，并能為發(fā)動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行或進(jìn)行維護(hù)、修理提供可靠的依據(jù)，具有廣闊的市場前景。

1 虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW

所謂虛擬儀器，就是以通用計算機(jī)為平臺、根據(jù)需求來定義并設(shè)計的儀器，其實(shí)質(zhì)是充分利用計算機(jī)硬軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。“軟件就是儀器”是虛擬儀器最本質(zhì)的特征。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素，硬件的主要功能是獲取真實(shí)世界中的被測信號，應(yīng)盡量使電路簡單、操作方便、避免外界干擾；軟件則定義了儀器的功能，是虛擬儀器最重要、最核心的技術(shù)，通過開發(fā)面向儀器的軟件，可使其具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面設(shè)計功能、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)可視化分析功能，并能提供豐富的儀器總線接口。

作為測試工程領(lǐng)域的強(qiáng)有力的工具，近年來LabVIEW得到了業(yè)界的普遍認(rèn)可，在測試系統(tǒng)分析、設(shè)計和研究方面得到了廣泛應(yīng)用。LabVIEW軟件是由美國NI公司研究的、目前國際上唯一的編譯型圖形化軟件，是一種基于G語言的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，其編程環(huán)境所具有的流程式編程、豐富的函數(shù)與數(shù)值分析以及信號處理和設(shè)備驅(qū)動功能等特點(diǎn)使其得到極為廣泛的應(yīng)用。LabVIEW軟件同時內(nèi)置有圖形化編輯器，可以將編程圖形化程序轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯C的速度相當(dāng)。LabVIEW還提供了包括控制與仿真、高級數(shù)字信號處理、統(tǒng)計過程控制、模糊控制、PDA和PID等眾多的附加軟件包，具有功能強(qiáng)大的高級數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計、估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學(xué)領(lǐng)域，可滿足各種計算和分析需要。LabVIEW體現(xiàn)了一種新的“所見即所得”編程思想，使得程序開發(fā)變得更直觀、簡單、容易上手，使用LabVIEW將會大大降低程序的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用。

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有很多明顯的優(yōu)勢。在軟件中采用先進(jìn)的信號處理算法和人工智能技術(shù)，并可集成專家系統(tǒng)，使其智能化程序更高、處理能力更強(qiáng)；應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器；與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，使系統(tǒng)功能更靈活、復(fù)用性更強(qiáng)、性能價格比更高；針對不同應(yīng)用可自行定義并設(shè)計不同的操作、顯示界面，結(jié)合計算機(jī)的多媒體處理能力能使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解；測量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，測量完后還可打印，顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。

2 發(fā)動機(jī)起動性能檢測過程及評價

2.1 檢測前的準(zhǔn)備

在檢測前，根據(jù)GB/T12534的規(guī)定，應(yīng)先清除發(fā)動機(jī)燃燒室積炭，研磨氣門，檢查校正火花塞電極和分電器觸點(diǎn)間隙；檢查噴油器壓力和霧化情況等。

發(fā)動機(jī)的起動性能受多種因素的影響，如發(fā)動機(jī)的型號、發(fā)動機(jī)已使用的年限、環(huán)境溫度、大氣壓力、大氣濕度、燃油型號、機(jī)油型號、冷卻液、電瓶電壓等，根據(jù)GB/T 18297-2001、GB/T 12535-2007的規(guī)定，應(yīng)先測量并記錄可能影響發(fā)動機(jī)起動性能的相關(guān)參數(shù)。

2.2 檢測程序

1）起動機(jī)接通后，在規(guī)定的拖動時間內(nèi)，發(fā)動機(jī)能著火自行運(yùn)轉(zhuǎn)，即為起動成功；若在規(guī)定的拖動時間內(nèi)，無斷續(xù)著火聲，未能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，即為起動失敗，若其間有斷續(xù)著火聲，可適當(dāng)延長拖動時間(但延長時間不得超過15s)，若能自行運(yùn)轉(zhuǎn)，亦為起動成功。起動檢測允許連續(xù)進(jìn)行3次，若1次起動失改，可在2min后再次起動。

2）發(fā)動機(jī)起動成功后，在30%～50%額定轉(zhuǎn)速下，空載運(yùn)轉(zhuǎn)10～20min。

3）發(fā)動機(jī)在怠速工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，每隔10s測一次怠速轉(zhuǎn)速，共測30次。

2.3 測量記錄的參數(shù)

為了能對發(fā)動機(jī)起動性能有一個很好的判斷，并為評價指標(biāo)提供理論依據(jù)，在測試過程中，需要測量發(fā)動機(jī)起動過程中若干物理量，如進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、起動轉(zhuǎn)速（拖動轉(zhuǎn)速）、起動時間（起動機(jī)接通起到發(fā)動機(jī)自行運(yùn)轉(zhuǎn)止）、蓄電池電壓、起動成功及失敗的次數(shù)、空載轉(zhuǎn)速（30%～50%額定轉(zhuǎn)速）、暖機(jī)時間（發(fā)動機(jī)自行運(yùn)轉(zhuǎn)到冷卻液達(dá)到70℃經(jīng)歷的時間）、怠速的最大轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速、平均轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速波動率等。

2.4 評價指標(biāo)

發(fā)動機(jī)起動性能通常用某溫度下的起動時間表示該溫度下的起動性能，并用能起動的最低溫度表示其低溫起動性能，這種評價方法過于簡單，有一定的局限性。通過對發(fā)動機(jī)起動過程的分析，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車起動性能試驗(yàn)方法》GB/T 12535-2007、國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車修理質(zhì)量檢查評定標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)大修》GB/T15746.2-1995以及GB/T 18297-2001汽車發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法，結(jié)合當(dāng)前汽車運(yùn)用的相關(guān)規(guī)定，同時考慮到發(fā)動機(jī)起動性能對汽車技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、環(huán)保與舒適性等因素的影響，綜合分析后確定了對發(fā)動機(jī)起動性能進(jìn)行評價的指標(biāo)參數(shù)，其主要指標(biāo)有：一定溫度下發(fā)動機(jī)的起動時間、暖機(jī)時間、怠速轉(zhuǎn)速、怠速波動率、燃油消耗率、尾氣排放（HC、CO）以及起動極限溫度等。

3 基于虛擬儀器技術(shù)的檢測分析系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)起動性能檢測分析系統(tǒng)中信號種類繁多，采集數(shù)據(jù)量大，經(jīng)過硬件系統(tǒng)的調(diào)理以后還需通過軟件進(jìn)行數(shù)字化處理和分析。但傳統(tǒng)的編程軟件如Fortran、VC++、VB等對測試人員要求很高，需要將各種數(shù)據(jù)處理方法用計算機(jī)語言來實(shí)現(xiàn)，還要對數(shù)據(jù)通信的各種連接總線如RS232、USB等非常熟悉，因此開發(fā)難度大、周期長、費(fèi)用高、可擴(kuò)展性差。本系統(tǒng)采用LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，充分利用LabVIEW的圖形化編程環(huán)境、數(shù)百種功能模塊、數(shù)百種儀器的源碼級驅(qū)動程序等內(nèi)置功能，對檢測信號進(jìn)行數(shù)字濾波、統(tǒng)計、運(yùn)算、分析等處理，使整個系統(tǒng)雖然硬件構(gòu)造簡單卻具有較全面的檢測分析功能。

3.1 系統(tǒng)硬件

虛擬儀器的系統(tǒng)硬件比較簡單，只需要PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集與信號控制專用板即可組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集與信號控制專用板主要由傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路和信號控制電路組成，主要完成數(shù)據(jù)采集和傳輸PC機(jī)對發(fā)動機(jī)的控制信號。首先由PC機(jī)給出發(fā)動機(jī)起動信號，并控制、選擇傳感器采集測試到的數(shù)據(jù)，如環(huán)境參數(shù)和發(fā)動運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)等；然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的信號處理，如適當(dāng)?shù)男盘柗糯?、信號轉(zhuǎn)換、電氣隔離、濾波等，再將這些數(shù)據(jù)送往PC機(jī)進(jìn)行處理。

PC機(jī)獲取數(shù)據(jù)后在軟件的支持下對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類記錄和處理，實(shí)時繪制并顯示測試曲線，詳細(xì)分析后以適當(dāng)?shù)男问斤@示分析結(jié)果，并自動以數(shù)據(jù)庫形式對所有測試數(shù)據(jù)、分析結(jié)果進(jìn)行管理和記錄，可生成Excel形式的數(shù)據(jù)報表或數(shù)據(jù)庫，也可打印所測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

由于充分利用了虛擬儀器的優(yōu)勢，系統(tǒng)能在確保數(shù)據(jù)采集的精度與實(shí)時性、改善數(shù)據(jù)處理功能和提高易操作性的基礎(chǔ)下，能檢測上述評價發(fā)動機(jī)起動性能的參數(shù)，并對采集到的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗头治?，從而直觀、定量地對發(fā)動機(jī)起動性能給出評價；也能實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控、記錄檢測數(shù)據(jù)，具有良好的人機(jī)對話界面，操作簡單，使用方便。

3.2 系統(tǒng)軟件

軟件是虛擬儀器的核心，通過軟件設(shè)計可使虛擬儀器具有強(qiáng)大的信號分析功能、數(shù)據(jù)處理功能和最優(yōu)化的控制算法設(shè)計，為測試系統(tǒng)中的信號分析、數(shù)據(jù)處理、檢測指標(biāo)計算提供了有力的條件。利用LabVIEW開發(fā)測試系統(tǒng)軟件涉及兩個主要部分，即前面板和程序流程圖。

3.2.1 前面板設(shè)計（用戶界面）

前面板是指一些圖形化的測試界面，是運(yùn)行時所展現(xiàn)的各種測試交互接口，包括菜單、參數(shù)設(shè)置、結(jié)果顯示等，有助于系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)、操作和實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理方法，有助于圖形和數(shù)據(jù)顯示，有助于完成不同信號的同時輸出。本系統(tǒng)的前面板設(shè)計如圖2所示。

圖2 前面板

3.2.2 程序流程圖設(shè)計（功能實(shí)現(xiàn)）

程序流程圖是指測試程序的內(nèi)部運(yùn)行結(jié)構(gòu)，是測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理的流程，由于LabVIEW程序流程圖的開發(fā)是圖形化的，因此更簡單、更高效、更直觀。流程圖編制時從函數(shù)庫中選取所需的函數(shù)圖標(biāo)，按數(shù)據(jù)在程序中傳遞的順序和控件圖標(biāo)統(tǒng)一編排，采用連線工具將圖標(biāo)連在一起。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)功能模塊主要包括系統(tǒng)設(shè)置模塊、輸入模塊、測試模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和性能評價模塊，其示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊示意圖

系統(tǒng)設(shè)置模塊：主要是進(jìn)行系統(tǒng)初始化。

1）輸入模塊：主要是提供發(fā)動機(jī)參數(shù)信息的輸入和環(huán)境參數(shù)的測試。

2）測試模塊：主要由設(shè)備接口模塊、信號采集和測試運(yùn)行模塊組成，可實(shí)現(xiàn)被測發(fā)動機(jī)起動過程中各種參數(shù)的實(shí)時測試與數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)處理模塊：主要是根據(jù)發(fā)動機(jī)起動過程中檢測到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時地分析、計算和統(tǒng)計。

3）性能評價模塊：根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)得到前面所分析的各項(xiàng)發(fā)動起動性能的評價指標(biāo)，并顯示在前面板上。

4）數(shù)據(jù)管理模塊：主要用來顯示和存放數(shù)據(jù)。任何測試系統(tǒng)都存在數(shù)據(jù)管理問題，主要包括數(shù)據(jù)收集、判別、整理、存儲、讀取、顯示等，并通過用戶界面提交給用戶。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示主要以數(shù)字或圖形形式顯示被測參數(shù)實(shí)時或歷史值以及時域變化曲線等動態(tài)趨勢和規(guī)律，如顯示轉(zhuǎn)速/時間變化曲線；數(shù)據(jù)存放有Excel形式的電子報表和數(shù)據(jù)庫形式。數(shù)據(jù)庫選用SQL Server2000，利用數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢、修改、刪除和添加等操作。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)起動性能檢測分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能迅速、有效地檢測發(fā)動機(jī)起動過程中的各種參數(shù)及相關(guān)狀態(tài)信息，利用軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析后，對發(fā)動機(jī)的起動性能進(jìn)行了準(zhǔn)確、詳細(xì)地評價，并提供了可視化的評價結(jié)果。該系統(tǒng)集實(shí)時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)儲存和數(shù)據(jù)顯示于一體，實(shí)現(xiàn)簡單，交互性好，操作方便，并可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行擴(kuò)充，方便了發(fā)動機(jī)起動性能的檢測與評價，為發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)、維護(hù)、修理提供可靠的依據(jù)。

[1]戴鵬飛,等.測試工程與LabVIEW應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]鮑曉峰.汽車試驗(yàn)與檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[3]交通部公路司.汽車綜合性能檢測[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1999.

[4]徐志剛,等.基于虛擬儀器的汽車綜合性能自動檢測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006 ,9(224).

Test and analysis system of engine start performance based on virtual instrument technology

LAN Lin, CHEN Zhao

闡述了發(fā)動機(jī)起動性能的檢測過程及其評價指標(biāo)，設(shè)計了基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動機(jī)起動性能檢測分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)能迅速、有效地檢測發(fā)動機(jī)起動過程中的各種參數(shù)及相關(guān)狀態(tài)信息，利用軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析后，對發(fā)動機(jī)的起動性能進(jìn)行了準(zhǔn)確、詳細(xì)地評價，并提供了可視化的評價結(jié)果，為發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)、維護(hù)、修理提供可靠的依據(jù)。

虛擬儀器；LabVIEW；發(fā)動機(jī)；起動性能；檢測分析

蘭琳（1973 -），女，江西興國人，講師，碩士，主要從事機(jī)械電子工程、測控技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作。

TP206.1；U464

A

1009-0134(2011)4(上)-0012-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).04

2010-09-07