電子點(diǎn)火與電控燃油噴射實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙海新，左明偉，孫曉娜

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德 067000)

傳統(tǒng)的電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)因其缺少動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀察平臺(tái)和顯示界面，難以達(dá)到現(xiàn)代化啟發(fā)式教學(xué)的要求，也不能使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)真正的理解實(shí)驗(yàn)原理，得到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)從而進(jìn)行分析。應(yīng)用現(xiàn)代化的教學(xué)手段除在硬件方面提高技術(shù)含量和性能指標(biāo)滿足使用者要求外，還需下功夫開發(fā)出更好的以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、測(cè)量系統(tǒng)［1］。在現(xiàn)代汽車上，電子噴油裝置可以自動(dòng)地保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)，使其在輸出一定功率的條件下最大限度地節(jié)油和凈化空氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能得到提高。由于電控發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，對(duì)其測(cè)試測(cè)量的設(shè)備也提出了更高的要求。

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一種類似于C和BASIC的圖形化編程語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，程序的編寫是以框圖的形式進(jìn)行的。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它主要的方便之處在于只有一個(gè)硬件的情況下，通過(guò)改變軟件，就可以實(shí)現(xiàn)不同儀器儀表的功能，相當(dāng)于軟件即硬件［2］。

1 教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)是以桑塔納2000車型的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的傳感器插孔，通過(guò)導(dǎo)線與USB6211采集卡相連。裝有LabVIEW軟件的上位機(jī)通過(guò)USB總線與采集卡進(jìn)行通信，上位機(jī)應(yīng)用LabVIEW自帶的安裝程序Measurement＆Automation驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡，便可在LabVIEW環(huán)境下通過(guò)編程調(diào)用底層的封裝函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)儀的整體設(shè)計(jì)是基于汽車系實(shí)驗(yàn)室電子點(diǎn)火與電控燃油噴射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(桑塔納2000)硬件平臺(tái)、NI公司的USB6211數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件平臺(tái)而設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀。在裝有LabVIEW軟件的PC機(jī)上用G語(yǔ)言編寫程序框圖的基礎(chǔ)上，應(yīng)用USB6211數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與傳感器的連接，通過(guò)USB6211數(shù)據(jù)采集卡采集由傳感器傳輸?shù)哪M信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡處理為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)USB總線與PC機(jī)通信。在PC機(jī)上應(yīng)用LabVIEW軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)，整個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2 教學(xué)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

汽車電子點(diǎn)火與電控燃油噴射教學(xué)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)傳感器和執(zhí)行器端子的檢測(cè)和連接，數(shù)據(jù)采集卡輸入端子的連接。系統(tǒng)采用的是便攜式的USB數(shù)據(jù)采集卡，所以可以方便的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由長(zhǎng)春G-3技術(shù)教育裝備有限公司提供，查閱相關(guān)資料得知此系統(tǒng)模擬現(xiàn)實(shí)中使用的車型為上海桑塔納2000GSi轎車(電子控制汽油噴射式)，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)是AJR型發(fā)動(dòng)機(jī)。所有信號(hào)都是通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)儀上的傳感器測(cè)得的，用導(dǎo)線將實(shí)驗(yàn)板上的插孔與USB6211數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端連接。將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在虛擬實(shí)驗(yàn)儀上以波形和量表的形式顯示出來(lái)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)旋鈕時(shí)，虛擬儀上的波形也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而得知傳感器的工作正常與否，并判斷出電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)故障部位，為修理和更換損壞部件提供依據(jù)，也使教學(xué)更形象，讓學(xué)生識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)部件工作狀態(tài)間的差別［3］。傳感器組成電控系統(tǒng)的“眼睛”和“耳朵”它將發(fā)動(dòng)機(jī)工況及狀態(tài)、汽車行駛狀況和狀態(tài)的各種物理參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并輸出給電子控制器。試驗(yàn)臺(tái)所用傳感器有:節(jié)氣門位置傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、熱膜式空氣流量計(jì)、氧化鋯型氧傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和曲軸位置傳感器、爆震傳感器、霍爾傳感器;試驗(yàn)臺(tái)所用的執(zhí)行器有:點(diǎn)火線圈和噴油器。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

NI公司的USB-6211是一款USB總線供電M系列多功能DAQ，模塊及接線端子如圖2所示，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了16路模擬輸入;250 kS/s單通道采樣率;2路模擬輸出;4路數(shù)字輸入線;4路數(shù)字輸出線。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡(jiǎn)化了信號(hào)的連接［4］。USB總線供電使用戶不再需要攜帶多余的外部電源。在采集卡的16個(gè)模擬輸入通道與實(shí)驗(yàn)臺(tái)上各傳感器和執(zhí)行器的插針孔連接。

3 教學(xué)系統(tǒng)的軟件開發(fā)

虛擬實(shí)驗(yàn)儀軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分成了實(shí)驗(yàn)室真實(shí)測(cè)試系統(tǒng)。在沒(méi)有連接采集卡的情況下可以進(jìn)入仿真模擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，只需打開Measurement＆Automation，在設(shè)備和接口的樹形目錄中找到NIDAQmx設(shè)備中，單擊NI-DAQmx仿真設(shè)備，在選擇設(shè)備目錄中選中M系列DAQ中的NI USB6211，再單擊確定便可創(chuàng)建一個(gè)仿真的數(shù)據(jù)采集卡。在沒(méi)有物理采集卡的情況下，以此來(lái)代替真實(shí)環(huán)境，構(gòu)建仿真的數(shù)據(jù)采集程序，體驗(yàn)真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，加快編寫程序的速度。在真實(shí)的試驗(yàn)中，只需將上述創(chuàng)建的圖形呈橙黃色仿真的NI USB6211數(shù)據(jù)采集卡刪除，再接上真實(shí)的數(shù)據(jù)采集卡，便可以進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下的采集實(shí)驗(yàn)。

3.1 程序框圖的開發(fā)

3.1.1 主界面的開發(fā)

主界面程序框圖如圖3所示，此部分包括進(jìn)入各個(gè)傳感器和執(zhí)行器的采集界面，并應(yīng)用了層疊的順序結(jié)構(gòu)，進(jìn)行對(duì)返回歡迎界面和主界面進(jìn)行調(diào)用，應(yīng)用了以傳感器和執(zhí)行器部分作為簇和單個(gè)控件的屬性節(jié)點(diǎn)，初始化然后單擊事件結(jié)構(gòu)觸發(fā)后進(jìn)入各自所屬的執(zhí)行程序。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集部分的開發(fā)

數(shù)據(jù)采集部分是實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)試和顯示的關(guān)鍵部分，通過(guò)對(duì)采集參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)所要的功能。因?yàn)闇y(cè)量參數(shù)為浮地信號(hào)，所以采用參考單端共地的接線方式，在采集卡上的連接方式是信號(hào)的正端接AI端，信號(hào)的搭鐵端接AI GND端。數(shù)據(jù)采集部分的程序以節(jié)氣門位置信號(hào)為例說(shuō)明如圖4所示。

3.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分開發(fā)

SQL(Structured Query Language，結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言)是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，用它可以訪問(wèn)各種支持SQL語(yǔ)言的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)［5］。LabSQL VIs按照ADO對(duì)象分為3類，并分別位于不同的文件夾:Command、Connection和Recordset。Command VIs的功能是完成一系列基本的ADO操作，例如創(chuàng)建或刪除一個(gè)Command、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙?。Connection VIs用于管理LabVIEW與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接［6］。Recordset VIs用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對(duì)記錄中的某一個(gè)條目進(jìn)行讀寫等。最頂層提供了3個(gè)VI，其中最常用的就是SQL Execute.vi。它將底層的一些VI封裝起來(lái)提供了一個(gè)最簡(jiǎn)單的接口，即直接執(zhí)行SQL語(yǔ)句。通過(guò)SQL語(yǔ)句可以執(zhí)行任何數(shù)據(jù)庫(kù)操作，其程序框圖如圖5所示。

3.2 前面板顯示界面

將程序框圖的程序應(yīng)用軟件自身仿真出來(lái)的數(shù)據(jù)采集卡調(diào)試完成之后，將數(shù)據(jù)采集卡與試驗(yàn)臺(tái)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，連接之后對(duì)原有的程序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，調(diào)試之后針對(duì)程序框圖和界面進(jìn)行修改。數(shù)據(jù)線的連接如圖6所示。

介紹功能的主界面如圖7所示，此界面包含系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)演示、采集與測(cè)量、幫助、返回系統(tǒng)的單擊進(jìn)入按鈕，當(dāng)進(jìn)入界面之后可在此界面中單擊返回按鈕返回主界面，在主界面單擊返回系統(tǒng)按鈕可返回到歡迎界面，重新選擇進(jìn)入還是退出系統(tǒng)。

傳感器數(shù)據(jù)采集界面包括采集圖形的顯示以及暫停采集和繼續(xù)采集按鈕，圖形以兩種形式顯示，如圖8的節(jié)氣門位置傳感器界面，一種是以二維波形顯示，另一種是以量表的形式顯示，此顯示具有直觀動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，方便觀察和記錄信息。

進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)上數(shù)據(jù)源部分的基本設(shè)置后，系統(tǒng)自動(dòng)建立數(shù)據(jù)的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，最終的數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)的Access應(yīng)用程序中，系統(tǒng)存儲(chǔ)界面如圖9所示。

4 結(jié)論

在本文中，采用的硬件為汽車系電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)(桑塔納2000)的試驗(yàn)臺(tái)和NI公司的USB6211數(shù)據(jù)采集卡，在安裝有LabVIEW軟件平臺(tái)的PC機(jī)上，構(gòu)建了基于LabVIEW的電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀。該虛擬實(shí)驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)了將虛擬儀器及數(shù)據(jù)設(shè)備應(yīng)用到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中去，使得傳統(tǒng)意義上的儀器功能，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示，都可以在計(jì)算機(jī)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也即實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室向虛擬實(shí)驗(yàn)室的過(guò)渡，為教學(xué)提供了動(dòng)態(tài)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生對(duì)電子點(diǎn)火與電控燃油噴射系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)有了更直觀的了解，有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和素質(zhì)的提高。

［1］孔凡評(píng)，張?jiān)圃?LabVIEW DAQ在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2005(6):190－192.

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［4］侯國(guó)平，王坤，葉齊鑫.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

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