基于LabVIEW的虛擬空氣流量傳感器設計及試驗研究

徐久師， 蔡偉義， 段瑩瑩， 陳 超

(南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院， 江蘇 南京 210037)

基于LabVIEW的虛擬空氣流量傳感器設計及試驗研究

徐久師， 蔡偉義， 段瑩瑩， 陳 超

(南京林業(yè)大學汽車與交通工程學院， 江蘇 南京 210037)

設計了基于LabVIEW的信號模擬系統(tǒng)，利用PXI-4472和PXI-6251板卡進行數(shù)據(jù)采集和信號輸出，對空氣流量傳感器正常信號和幾種典型的故障信號在不同工況下進行了模擬和替換，對比了不同替換信號下進氣量、噴油時間、點火提前角以及發(fā)動機運行狀態(tài)的差異。試驗表明，設計的系統(tǒng)可以快速、準確地采集保存相關數(shù)據(jù)，模擬的空氣流量傳感器信號可以被ECU識別，系統(tǒng)可應用于ECU檢測開發(fā)、OBD系統(tǒng)研究測試等領域。

虛擬； 空氣流量傳感器； 信號發(fā)生器

空氣流量傳感器作為發(fā)動機控制的重要反饋元件，對發(fā)動機的控制性能和排放具有很大的影響[1]，同時，也是發(fā)動機ECU設計生產、OBD系統(tǒng)開發(fā)檢測以及相關檢測診斷設備設計研發(fā)中涉及的重要內容。為保證產品的可靠性，需要有虛擬的傳感器信號用于產品的調試和檢驗，尤其在OBD功能開發(fā)和測試過程中，還必須有傳感器故障信號輸入，以便檢驗ECU在線診斷系統(tǒng)相關性能指標是否達到要求。傳統(tǒng)信號發(fā)生器模擬信號種類有限，故障信號大都由特制失效設備產生，存在諸多弊端。本研究利用LabVIEW的虛擬儀器技術，設計模擬了空氣流量傳感器正常信號和多種典型故障信號，具有可擴展性強、成本低、便攜性好等優(yōu)點，并通過試驗對其可靠性進行了驗證。

1 系統(tǒng)總體構成

整個系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分構成，整體架構見圖1。硬件部分主要由1.8T AWL發(fā)動機、GW160電渦流測功機、PC機、信號調理電路、信號采集板卡和信號輸出板卡等設備構成。軟件部分則主要包括軟硬件通信設置、前面板設計、數(shù)據(jù)采集分析和信號模擬輸出等。

2 空氣流量傳感器工作原理和典型故障

2.1 工作原理

空氣流量傳感器安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用于檢測發(fā)動機的進氣量，是維持發(fā)動機正常運轉的重要元件，其信號和轉速信號是控制噴油量的主要信號[2]。常用的空氣流量傳感器種類很多，本研究所用空氣流量計為HFM5熱膜式空氣流量傳感器。

熱膜式空氣流量傳感器的工作原理是：在空氣通道中放置熱膜電阻，由于其熱量被空氣吸走，熱膜本身變冷，利用熱膜與空氣之間這種熱傳遞現(xiàn)象進行空氣流量測量。內置混合集成電路將熱膜溫度與吸入空氣溫度差保持在100 ℃附近，電流增量取決于發(fā)熱元件的冷卻程度，而熱膜周圍通過的空氣流量越大，被帶走的熱量也越大，即電流大小取決于流過傳感器的空氣量。當電流增大時，信號取樣電阻上的電壓也會相應升高，即空氣流量傳感器在進氣量增大時，輸出電壓也隨之增大，從而將空氣流量的變化轉換為電壓信號的變化。

2.2 典型故障

空氣流量傳感器信號出現(xiàn)錯誤后，ECU得不到正確的信號，從而不能進行正常噴油的控制，造成缸內的混合氣過濃或過稀，引起發(fā)動機起動困難、怠速熄火、動力不足等故障[3]。空氣流量傳感器故障主要有3種：信號減弱、信號斷路和信號中斷。信號減弱是指信號值小于當前傳感器應產生的準確值；信號斷路是指ECU實際接收信號恒為0 V；信號中斷是指信號在某一時刻突變?yōu)? V，但在一定時間內又重新回到正常值的故障。

目前，部分車型具有針對空氣流量傳感器的失效保護功能，即當ECU沒有接收到空氣流量傳感器信號時，啟用失效保護模式，電腦存儲故障碼，并取消空氣流量信號作為控制參數(shù)，改用節(jié)氣門位置傳感器信號和轉速信號控制基本噴油量和點火提前角，以減小非正常信號對發(fā)動機工況的影響[4]。

3 軟件設計

軟件設計是整個系統(tǒng)設計的核心部分，它主要包括前面板設計、DAQ參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集標定、信號模擬輸出和信號實時顯示等內容。

3.1 前面板界面設計

空氣流量傳感器信息包主界面主要分為5個功能區(qū)：①DAQ配置區(qū)，用于配置數(shù)據(jù)采集、輸出的通道和電壓范圍；②采集標定區(qū)，具有信號采集和標定功能，采集完成后將根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)得到標定公式；③信號模擬區(qū)，主要功能是根據(jù)標定公式，仿真原信號產生模擬信號，根據(jù)空氣流量傳感器的常見故障，模擬典型故障波形；④顯示區(qū)，主要功能是顯示當前信號電壓值和模擬輸出電壓值；⑤其他功能區(qū)，主要是打開PC機自帶診斷軟件以及停止程序的功能。

3.2 信號的采集保存及標定

3.2.1 信號的采集保存

空氣流量傳感器信號是模擬量，輸出電壓范圍為0～5 V，隨節(jié)氣門開度的增大而增大。信號采集保存程序見圖2，首先用“DAQmx函數(shù)包”的相關函數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，配置雙通道同時采集空氣流量和節(jié)氣門位置2個電壓信號，然后將采集的數(shù)據(jù)保存到文本文件中。

3.2.2 信號的標定

系統(tǒng)對空氣流量傳感器信號和節(jié)氣門位置信號進行了標定，首先調用已保存的數(shù)據(jù)，然后通過“線性擬合”控件得到擬合公式，最后轉換為字符串格式顯示。其中，線性擬合方法包括最小二乘法、絕對殘差法和 Bisquare法(此方法是通過對最小二乘法多項式初始系數(shù)的迭代修正權值，然后使用最小二乘法和新權值獲取一組新的多項式系數(shù)，直至達到最佳擬合效果)。本研究采用了誤差平方和最小的“最小二乘法”，具有縮小較大誤差測量值權值的優(yōu)點，可以最大程度減少不正常數(shù)據(jù)點對擬合曲線的影響[5]。其原理是：設給定的數(shù)據(jù)為 (xi，yi)，i=1，2，3，…m，擬合曲線方程為

φ(x)=P(xi,a0，a1，…an)。

這時φ(x)=P(xi,a0，a1，…an) 稱為函數(shù)y=y(x) 在點集X={(xi，yi)，i=1，2，…m} 上關于權值wi的最小二乘逼近，用幾何語言說，就稱為曲線擬合的最小二乘法[6]。最后得到的擬合公式為

y= 3.35x-0.66。

式中：x為節(jié)氣門位置傳感器電壓；y為空氣流量傳感器電壓。

3.3 模擬信號的設計

正常信號的設計是通過采集當前節(jié)氣門位置傳感器電壓，根據(jù)標定公式計算輸出空氣流量傳感器的電壓值，并將數(shù)據(jù)通過“DAQmx寫入”函數(shù)將電壓輸出。模擬故障信號的設計是根據(jù)標定公式，在以節(jié)氣門位置傳感器信號為參數(shù)計算得到的空氣流量傳感器電壓值的基礎上，進行相應的軟件編程，改變其輸出值。模擬減弱故障信號是用正常信號減去設定值后輸出，電壓減弱程度可在主界面前面板數(shù)值控件中進行調整。模擬斷路故障信號是將輸出的電壓值改為0V，即原信號電壓值變化時，實際輸入ECU的電壓值恒為0V，ECU判定為信號斷路。

模擬中斷故障信號是通過對實時采集轉換的數(shù)據(jù)與已設置的“電壓中斷處”數(shù)值進行比較，利用條件結構對當前狀態(tài)進行判定。若兩值相等，則輸出0V電壓；反之輸出正常電壓信號。此外，在判定程序條件結構中加入延時控件來調整信號中斷的持續(xù)時間。

4 試驗數(shù)據(jù)及分析

將模擬的空氣流量正常信號和典型故障信號替代原信號。在怠速工況下，逐漸提高發(fā)動機轉速，分別記錄發(fā)動機轉速為800r/min,1 300r/min,1 800r/min,2 300r/min,2 800r/min時，空氣流量傳感器電壓、節(jié)氣門位置傳感器電壓、進氣量、噴油時間、點火提前角等相關參數(shù)，并與原信號數(shù)據(jù)作了對比分析。

4.1 模擬空氣流量傳感器正常信號試驗

模擬正常信號電壓與原信號電壓差值約為0.01V，主要是由外部設備和擬合公式誤差產生的，在可接受范圍內。模擬信號的波形幅值會不斷地在小范圍內波動，這是因為熱膜式空氣流量傳感器沒有任何運動部件，沒有慣性因素的影響，所以它能快速地對空氣流量的變化作出響應，屬正?，F(xiàn)象。

圖3示出模擬正常信號電壓與原信號電壓輸入ECU后各參數(shù)變化的對比。模擬原信號和原信號的誤差在0.6%以內，模擬的原信號可以被ECU識別，并不能明顯改變發(fā)動機的各項參數(shù)，發(fā)動機各執(zhí)行機構能夠作出正確及時的響應。

4.2 模擬空氣流量傳感器減弱信號試驗

怠速800r/min工況下，信號減弱0.1V時，發(fā)動機出現(xiàn)輕微喘振現(xiàn)象，怠速不穩(wěn)；當信號減弱0.2V時，發(fā)動機熄火。原因是ECU檢測到進氣壓力信號電壓過低，就會減少噴油量，當混合氣稀到一定程度時，發(fā)動機自動熄火。

圖4示出信號減弱前后發(fā)動機相關參數(shù)的對比。信號減弱后，ECU誤以為進氣量減少，就會控制噴油嘴減少噴油量。由于發(fā)動機起動后基本點火提前角是由負荷和發(fā)動機轉速決定的，進氣量減少，ECU判定負荷減小，點火也相應推遲。

4.3 模擬空氣流量傳感器斷路信號試驗

理論上，空氣流量信號丟失后，ECU無法得知發(fā)動機的實際進氣量，也就無法對噴油量進行調整與修正。但圖5中數(shù)據(jù)顯示，空氣流量信號丟失后對發(fā)動機點火和噴油基本沒有影響，說明ECU啟用了針對空氣流量傳感器信號丟失的失效保護功能，因此空氣流量傳感器信號的斷路故障對發(fā)動機運行狀態(tài)的影響并不大。節(jié)氣門位置傳感器電壓也沒有明顯的變化，原因是節(jié)氣門位置傳感器電壓反映節(jié)氣門開度，直接受控于加速踏板，空氣流量計信號斷開對其沒有直接影響。

但是，ECU依然記錄了故障碼“P0102”，顯示信息提示“質量或容積空氣流量電路低電平輸入”。這是為了能夠快速及時地發(fā)現(xiàn)此故障，以便維護修理。

4.4 模擬空氣流量傳感器中斷信號試驗

試驗模擬空氣流量傳感器信號在1 300r/min時突然斷開，信號電壓從1.45V降至0V。此時，發(fā)動機轉速突然降低，并伴隨劇烈抖動。這是由于汽車在行駛過程中，空氣流量信號斷開瞬間，為保證汽車繼續(xù)行駛，ECU進入“跛行模式”[7]，控制發(fā)動機轉速降低，增大噴油量、減小點火提前角。發(fā)動機運行一段時間后，繼續(xù)加大油門，ECU進入失效保護模式，以節(jié)氣門位置傳感器信號判斷進氣量，發(fā)動機轉速提升，點火、噴油也恢復正常。

圖6分別示出信號中斷前后進氣量、發(fā)動機轉速、噴油和點火的對比。由圖可知，信號在1 300r/min斷開瞬間，進氣量從3.9g/s降到0.2g/s，發(fā)動機轉速降至800r/min，噴油量增加，點火提前角減小。同時ECU儲存故障碼“P0102”，顯示信息提示“質量或容積空氣流量電路低電平輸入”。

5 結束語

利用LabVIEW的虛擬儀器技術進行了信號的采集、保存、分析和輸出，整個系統(tǒng)具有友好的操作界面和良好的擴展性能，靈活方便，通用性強。模擬的空氣流量傳感器正常信號可以被ECU接受，發(fā)動機的相關參數(shù)和運行狀態(tài)無明顯變化，成功實現(xiàn)了對原信號的替換。模擬的空氣流量傳感器典型故障信號對發(fā)動機的影響與實際故障信號相吻合：減弱故障信號的輸入，會改變發(fā)動機的噴油和點火，造成發(fā)動機轉速不穩(wěn)，動力不足；斷路故障信號輸入，ECU會以節(jié)氣門位置傳感器信號和轉速傳感器信號來替代空氣流量傳感器信號以確定進氣量，對發(fā)動機運行狀態(tài)影響不大；中斷故障信號輸入，ECU將故障碼存儲的同時，會進入失效保護模式，確保車輛行駛的安全。整個系統(tǒng)模擬了空氣流量傳感器的正常信號和典型故障信號，并通過試驗驗證了其可靠性，完全可以替代傳統(tǒng)的性能單一、便攜性差、價格昂貴的信號發(fā)生器和信號失效裝置。

[1] 黃 濤，王 剛.空氣流量傳感器智能測試系統(tǒng)的設計[J].自動化與儀表，2010，25(3)：52-55.

[2] 董 輝.汽車用傳感器[M].北京：北京理工大學出版社，2000.

[3] 滑建明.帕薩特B5 1.8T轎車發(fā)動機怠速熄火故障分析[J].汽車維修，2012(11)：30-32.

[4] 林可春.帕薩特B5轎車怠速不穩(wěn)故障排除一例[J].汽車維修，2009(5)：30-31.

[5]WangGuorong，WeiYimin,QiaoSanZheng.GeneralizedInverses:TheoryandComputations[M].Beijing：SciencePress，2004：6.

[6] 石東洋.數(shù)值計算方法[M].鄭州：鄭州大學出版社，2007:49-52.

[7] 伏振華.BOSCH電子節(jié)氣門系統(tǒng)的安全性[J].汽車電器，2008(4)：18-20.

[編輯: 李建新]

Design and Test of Virtual Air Flow Sensor Based on LabVIEW

XU Jiu-shi, CAI Wei-yi, DUAN Ying-ying, CHEN Chao

(College of Automobile and Transportation Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The signal simulation system was designed based on LabVIEW. The data acquisition and signal output were conducted by the PXI-4472 and PXI-6251 cards. The normal signals and several typical fault signals of air flow sensor were simulated and replaced under different conditions and the differences of intake mass flow, injection timing, ignition timing and engine working condition between different replaced signals were compared. The results show that the system can collect and save the related data quickly and accurately. The simulated signals of air flow sensor can be identified by the ECU, and hence the system can be applied to ECU detection and OBD development.

virtuality； air flow sensor； signal generator

2013-09-08;

2014-05-15

徐久師(1987—)，男，碩士，主要從事汽車電子控制研究;xujiushi@live.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.03.002

TK417；TP274

B

1001-2222(2014)03-0006-05