基于LabVIEW的燃氣發(fā)動機排放數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

馬凡華，齊政亮，趙建彪，何義團，韓曉東

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京，100084）

隨著汽車保有量的不斷增加，空氣質(zhì)量問題越來越引起人們的重視，同時排放法規(guī)日益嚴格，這些都要求汽車發(fā)動機在運行過程中具有良好的排放性能。因此，在發(fā)動機標(biāo)定過程中，實時獲得不同轉(zhuǎn)速、負荷下的各項排放數(shù)據(jù)，將有助于發(fā)動機排放性能的優(yōu)化。

LabVIEW是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，具有數(shù)據(jù)采集與分析、信號發(fā)生與處理、輸入輸出控制等功能［1］。在LabVIEW中開發(fā)的程序被稱為VI（虛擬儀器），包含前面板、程序框圖以及圖標(biāo)三部分。其中，前面板是圖形化用戶界面，該界面上有交互式的輸入和輸出兩類控件，用于數(shù)據(jù)輸入和觀察量輸出的設(shè)置；程序框圖是實現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼；圖標(biāo)/連線端口用于將程序定義為子程序，以利于在其他程序中調(diào)用［2］。

本文以LabVIEW作為編程工具，設(shè)計開發(fā)燃氣發(fā)動機排放數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 試驗硬件系統(tǒng)

試驗用燃氣發(fā)動機為東風(fēng)汽車有限公司生產(chǎn)的EQD210N－20單點電控天然氣噴射發(fā)動機。

電控系統(tǒng)采用實驗室自己設(shè)計的ECU，具有傳感器信號處理、工況判斷、運算處理、執(zhí)行器控制信號輸出等功能，完全滿足發(fā)動機運行需求。

排放測量采用的是HORIBA公司生產(chǎn)的排氣分析儀 MEXA-7100FX， 可以測量 CO、CO2、THC、CH4、NOx等。其測量精度較高，可選擇量程范圍廣，響應(yīng)快速穩(wěn)定［3］。

數(shù)據(jù)采集采用NI公司的USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡。其有8路模擬輸入通道（14位分辨率，48 KS/s）,2路模擬輸出通道 （12位分辨率，150 KS/s），12條數(shù)字I/O線，32位分辨率計數(shù)器。可采集排放儀輸出的模擬信號，通過USB口傳輸?shù)缴衔粰C，供LabVIEW程序進行處理。試驗硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

2 程序設(shè)計模式

在LabVIEW程序設(shè)計中，常用的程序設(shè)計模式有： 狀態(tài)機 （State Machine）、主/從結(jié)構(gòu)（Master/Slave）、生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)（Producer/Consumer）、隊列消息結(jié)構(gòu) （Queued Message Handler）、啟動界面（Launcher）等［2］。 本文將以 Anthony Lukindo 改進的隊列狀態(tài)機［4］為架構(gòu)，進行系統(tǒng)軟件的開發(fā)設(shè)計。

2.1 狀態(tài)機

狀態(tài)機是LabVIEW程序設(shè)計中最常使用的設(shè)計模式之一，可以清晰地實現(xiàn)任何狀態(tài)圖之間的轉(zhuǎn)移，常用在“決策”算法中，例如監(jiān)測、控制和診斷等。狀態(tài)機包含三要素：狀態(tài)、事件和動作。

狀態(tài)機程序框圖，主要有一個主循環(huán)和一個Case結(jié)構(gòu)組成，并利用移位寄存器來實現(xiàn)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移［2]。其中，主循環(huán)為While循環(huán)，用于維持狀態(tài)機的運行，主循環(huán)里面包含一個條件結(jié)構(gòu)，用于對各個不同狀態(tài)進行判斷，實現(xiàn)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移［5］。

2.2 生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)主要用于數(shù)據(jù)的處理，循環(huán)之間通過隊列來傳遞數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示三個步驟。若通過數(shù)據(jù)流直接將這三個步驟連接起來,即每進行一次采集數(shù)據(jù)都要經(jīng)過數(shù)據(jù)分析及顯示后才能開啟第二輪采集，則數(shù)據(jù)分析引起的時間延遲有可能增大數(shù)據(jù)采集的周期，更有甚者造成數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)利用等問題。采用生產(chǎn)者/消費者結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過并行的方式實現(xiàn)多個循環(huán)。其中一個循環(huán)不斷地采集數(shù)據(jù)(生產(chǎn)者),另一個循環(huán)不斷地處理數(shù)據(jù)(消費者)，這兩個循環(huán)通過消息隊列進行通信,彼此之間不產(chǎn)生干涉，從而可以很好地解決這些問題［5]。

2.3 隊列狀態(tài)機

隊列狀態(tài)機是把所有要執(zhí)行的狀態(tài)存在隊列中，并將狀態(tài)名與狀態(tài)機的每個狀態(tài)進行一一對應(yīng),以達到控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序的目的。當(dāng)某一狀態(tài)執(zhí)行完成，其狀態(tài)名稱將會從隊列中刪除，同時依據(jù)運行時狀態(tài)的動作或觸發(fā)的事件，新的狀態(tài)名將會被添加到隊列中［6］。本文采用Anthony Lukindo改進的隊列狀態(tài)機［4］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

從圖中可以看出，該隊列狀態(tài)機由事件結(jié)構(gòu)2、狀態(tài)結(jié)構(gòu)3和并行運行的子程序4.1-4.3組成，并通過隊列引用1相互連接。具體的實現(xiàn)步驟：1.1獲得子程序4.1-4.3的狀態(tài)引用；1.2為通過 “元素出隊列”VI獲取隊列中的第一個元素，并將該元素從隊列中刪除；1.3為通過 “按名稱解除捆綁”VI獲得狀態(tài)名和數(shù)據(jù)；1.4為將獲得的狀態(tài)名與 “EXIT”的比較，相同時則停止循環(huán)；1.5為隊列管理子VI；2.1為前面板動作產(chǎn)生的指令，將所需跳轉(zhuǎn)至的狀態(tài)名稱添加到隊列中；3.4為條件case結(jié)構(gòu)；3.5為程序代碼；3.6 為下一個狀態(tài)序列［6］。

3 軟件設(shè)計

軟件部分具有數(shù)據(jù)采集、實時顯示、數(shù)據(jù)保存等功能，并采用模塊化的編程思想，利于程序的拓展。

3.1 數(shù)據(jù)采集

為了能夠測量不同轉(zhuǎn)速和負荷下的發(fā)動機排放數(shù)據(jù)，需要分別設(shè)計轉(zhuǎn)速、進氣歧管絕對壓力、排放數(shù)據(jù)三部分的測量方案。

3.1.1 轉(zhuǎn)速測量

為了能夠測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，一般都在曲軸上安裝一個齒盤和一個曲軸轉(zhuǎn)角傳感器。本實驗使用的天然氣發(fā)動機采用的是22個7°的齒，齒與齒之間的間隔有21個為8°，剩下一個為38°。

本文采用可變磁阻式曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，主要參數(shù)輸出電壓幅值/轉(zhuǎn)速為400 mV/60r/min。經(jīng)過實驗室自己設(shè)計ECU的信號處理，可將轉(zhuǎn)速信號處理為0～5V的方波。用USB6009測量時，使用其32位計數(shù)器功能，下降沿觸發(fā)，就可對方波個數(shù)進行計算。通過計算單位時間內(nèi)收到的方波個數(shù)就可以計算出發(fā)動機當(dāng)前轉(zhuǎn)速。測量方案如圖3所示。

采用LabVIEW進行編程，轉(zhuǎn)速采集程序如圖4所示，因共有22個齒，故采用移位寄存器的方法實現(xiàn)第1齒和第22齒的時間記錄，每當(dāng)前后齒數(shù)相差等于22時，進入轉(zhuǎn)速計算結(jié)構(gòu)中，容易得到轉(zhuǎn)速n=（r/min）

3.1.2 進氣歧管絕對壓力測量

采用進氣歧管絕對壓力傳感器來測量進氣歧管的壓力，ECU根據(jù)此信號判斷進入發(fā)動機的空氣量和發(fā)動機的負荷，本實驗采用的傳感器可測量的壓力范圍為20～200 kPa，壓力傳感器的輸出范圍在0～5 V范圍內(nèi)，經(jīng)濾波后可以直接被USB6009的AD轉(zhuǎn)換口接收，從而計算出發(fā)動機負荷狀態(tài)。

3.1.3 排放數(shù)據(jù)測量

MEXA-7100FX排氣分析儀在對發(fā)動機尾氣分析過程中，會輸出相應(yīng)的電壓信號 （0～5 V），使用USB6009進行AD采集，即可完成對排放數(shù)據(jù)的采集。

3.2 程序功能實現(xiàn)

由于轉(zhuǎn)速、進氣歧管絕對壓力、排放均能由USB-6009完成采集，因此將其封裝成子VI，采用基于隊列狀態(tài)機進行編程。如圖5所示，主程序接受數(shù)據(jù)采集子VI傳遞來的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)保存功能，而數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)速、壓力、排放)采集封裝在子VI中。

在數(shù)據(jù)采集子VI中，如圖6，將DAQ采集到的數(shù)據(jù)和狀態(tài)一起捆綁成簇，當(dāng)保存按鈕為假時，只以隊列的形式將數(shù)據(jù)和“Get the Data”狀態(tài)傳送至主程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示；當(dāng)保存按鈕為真時，采用順序結(jié)構(gòu)，依次將 “Get the Datas”和 “Save the Datas”狀態(tài)傳送至主程序，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和保存功能。前面板如圖7。

3.3 數(shù)據(jù)的保存

由于實驗中需要實時保存轉(zhuǎn)速、進氣歧管壓力、排放（HC、CO、NOx）等數(shù)據(jù)，通道多，數(shù)據(jù)量較大，為方便數(shù)據(jù)保存和管理，采用TDMS(Technical Data Management Streaming)文件格式保存數(shù)據(jù)。TDMS文件，采用二進制數(shù)據(jù)格式，具有占用磁盤空間小以及支持數(shù)據(jù)流高速寫盤的特點，是NI公司近年來重點開發(fā)的測試測量數(shù)據(jù)存儲格式［7］。其有三層結(jié)構(gòu):文件、組和通道，每個文件下可以設(shè)置多個組，每個組可以設(shè)置多個通道。在文件、組和通道上，都可以定義相應(yīng)屬性以及添加若干附加信息，利于數(shù)據(jù)查詢和管理［6］。

在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲中，每次只有一個文件，以采集的次數(shù)為組名，以轉(zhuǎn)速、壓力以及HC、CO、NOx分別為通道名；數(shù)據(jù)讀取時，以組名依次讀取每個通道的數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理過程中，采用基于動態(tài)鏈接庫DLL的TDMS文件的Matlab處理方法。為了更好地推廣TDMS文件，NI公司提供可供Matlab調(diào)用并處理TDMS文件的DLL動態(tài)鏈接庫。首先通過Matlab中l(wèi)oadlibrary函數(shù)載入動態(tài)鏈接庫nilibddc.dll和頭文件 nilibddc_m.h［8］，接著通過 uigetfile 函數(shù)選取需要讀入Matlab的TDMS文件，然后通過calllib函數(shù)調(diào)用DDC_GetDataValues函數(shù)可以得到TDMS文件中的原始采集數(shù)據(jù)，并可將其讀入到Matlab環(huán)境中，最后就可以運用Matlab強大的數(shù)據(jù)分析功能進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析[7］。TDMS文件導(dǎo)入Matlab的NOx排放分析圖，如圖8所示。

4 結(jié)語

本文以LabVIEW隊列狀態(tài)機為主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計開發(fā)了發(fā)動機排放數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷及排放數(shù)據(jù)，并具有數(shù)據(jù)顯示、保存的功能，響應(yīng)速度快，且可以避免采集數(shù)據(jù)的丟失，為發(fā)動機標(biāo)定提供完整的數(shù)據(jù)。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中，采用基于DLL文件的Matlab讀取TDMS文件的方法，不僅發(fā)揮了TDMS文件的優(yōu)勢，而且便于利用Matlab進行數(shù)據(jù)處理。

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