基于LabVIEW的便攜式引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試系統(tǒng)

田錦明，朱慧敏，紀(jì)林海，孫巧榆，黃 超，張 靜，王 姚，劉尚為

(江蘇海洋大學(xué)電子工程學(xué)院，江蘇連云港 222000)

0 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)傳感器的應(yīng)用越來(lái)越多，其中引擎?zhèn)鞲衅魇瞧?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)以及汽車(chē)安全系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的傳感器，它直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。因此引擎?zhèn)鞲衅髟谏a(chǎn)完成后，需要進(jìn)行嚴(yán)格、準(zhǔn)確的性能測(cè)試，以保證出廠(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量[1-3]。

目前測(cè)試引擎?zhèn)鞲衅鞯臏y(cè)試系統(tǒng)多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，并采用示波器對(duì)引擎?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)。由于電機(jī)存在機(jī)械抖動(dòng)，會(huì)使測(cè)量準(zhǔn)確度降低;而且對(duì)電機(jī)的性能要求高，提高了成本，同時(shí)電機(jī)測(cè)試結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，不便于攜帶外場(chǎng)測(cè)量；當(dāng)采用示波器觀(guān)測(cè)引擎?zhèn)鞲衅餍盘?hào)時(shí)，存在人為因素，不能高效對(duì)引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軈?shù)進(jìn)行測(cè)試；并且不能對(duì)測(cè)試過(guò)程中的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)記錄、判斷、分析等[4-7]。

為滿(mǎn)足便于攜帶、測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)易、成本低、效率高等實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的便攜式引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)控制可跟蹤雙路信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)，傳輸?shù)揭鎮(zhèn)鞲衅鞴ぱb的線(xiàn)圈上，在鐵芯端面產(chǎn)生一個(gè)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)盤(pán)的磁場(chǎng)，用此磁場(chǎng)激勵(lì)引擎?zhèn)鞲衅鳎蛊漭敵鲂盘?hào)。由于磁場(chǎng)是由線(xiàn)圈和鐵芯組成，因此不產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)、無(wú)慣性、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高和成本低；并且無(wú)需測(cè)試人員使用示波器來(lái)觀(guān)察引擎?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)波形，降低人為因素誤差；并能夠自動(dòng)記錄、判斷、分析性能數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果。

本文選用了LabVIEW作為引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)引擎?zhèn)鞲衅餍盘?hào)性能參數(shù)的測(cè)試，包括通電后引擎?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生的首個(gè)信號(hào)的上升沿、下降沿相位精度,通電后信號(hào)穩(wěn)定時(shí)的信號(hào)上升沿、下降沿精度以及上升沿、下降沿抖動(dòng)的相位精度等參數(shù)。

1 性能測(cè)試系統(tǒng)原理

目前的引擎?zhèn)鞲衅鳒y(cè)試是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，霍爾芯片和永磁鐵封裝在引擎?zhèn)鞲衅骼铮魻栃酒邶X輪和永磁鐵之間，交替變化的齒隙會(huì)使恒定的磁場(chǎng)變?yōu)榻蛔兊拇艌?chǎng)，引擎?zhèn)鞲衅魇艿酱艌?chǎng)激勵(lì)輸出電壓形式的方波脈沖信號(hào)[8-10]。

本系統(tǒng)是在非機(jī)械式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器中通入變化的電流，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。如圖1所示，給旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器通入2路幅值和頻率相同的正弦波信號(hào)，信號(hào)1和信號(hào)2在相位上相差90°或270°，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，形成的磁場(chǎng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪產(chǎn)生的磁場(chǎng)相似，主要區(qū)別在于本系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器是由線(xiàn)圈和鐵芯組成，不產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，并且具有無(wú)慣性、響應(yīng)速度快和精度高的特點(diǎn)。

圖1 引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試原理圖

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，主要由計(jì)算機(jī)、雙路可跟蹤信號(hào)發(fā)生器、雙路直流放大器、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生模塊、引擎?zhèn)鞲衅髂K、信號(hào)處理模塊、電流測(cè)量模塊、信號(hào)選擇控制模塊和雙通道同步采集模塊組成。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主要的測(cè)試過(guò)程如下：計(jì)算機(jī)控制雙路可跟蹤信號(hào)發(fā)生器的一個(gè)輸出通道輸出一個(gè)具有一定直流偏量的正弦波信號(hào)X1，并控制另一個(gè)輸出通道在偏置、電壓、波形和頻率參數(shù)上進(jìn)行跟隨，輸出正弦波信號(hào)X2，但在相位上與第1個(gè)通道的輸出信號(hào)X1相差90°或270°，形成輸出互差90°的2路輸出信號(hào)；此2路輸出的交變正弦波信號(hào)X1、X2傳輸?shù)诫p路直流放大器進(jìn)行放大，并且其中一路信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)X1作為同步觸發(fā)信號(hào)去控制雙通道同步采集模塊實(shí)現(xiàn)同步采集；將放大后的交變正弦波信號(hào)X3、X4傳輸至旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生模塊，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生模塊產(chǎn)生一個(gè)水平方向的磁場(chǎng)；由于2路信號(hào)在時(shí)間上相差90°，又是交變的，同時(shí)每組鐵芯是交叉的，因此形成一個(gè)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)盤(pán)的磁場(chǎng)；模擬的磁場(chǎng)激勵(lì)引擎?zhèn)鞲衅?，使其輸出信?hào)。將輸出信號(hào)輸送到電流測(cè)量模塊和信號(hào)處理模塊，電流測(cè)量模塊輸出引擎?zhèn)鞲衅鞯碾娏餍盘?hào),信號(hào)處理模塊輸出處理過(guò)后的引擎?zhèn)鞲衅餍盘?hào)；同時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)通訊端口控制信號(hào)選擇模塊，使得由電流測(cè)量模塊輸出的電流信號(hào)和由信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)通過(guò)信號(hào)選擇控制模塊，由信號(hào)選擇控制模塊的多路輸入端SI1、SS1按照計(jì)算機(jī)的執(zhí)行命令依次轉(zhuǎn)換并輸出信號(hào)X5、X6，再送給雙通道同步采集模塊。雙通道同步采集模塊通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制進(jìn)行2個(gè)通道同步采集，把采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，再經(jīng)過(guò)LabVIEW對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)引擎?zhèn)鞲衅餍阅艿臏y(cè)試。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)模塊主要由殼體、線(xiàn)圈骨架、鐵芯、線(xiàn)圈組成。如圖3所示，殼體采用矩形結(jié)構(gòu)、金屬材料，在側(cè)邊有2個(gè)端口用來(lái)連接外部電路。傳感器的位置正對(duì)線(xiàn)圈骨架組中的2個(gè)鐵芯端面垂直中心線(xiàn)的位置，并且傳感器的頭部與鐵芯端面保持適當(dāng)?shù)木嚯x。線(xiàn)圈骨架為空心骨架，采用非導(dǎo)磁性耐高溫材料；2個(gè)線(xiàn)圈骨架構(gòu)成一組，骨架的頭部靠在一起，同時(shí)2個(gè)線(xiàn)圈骨架交叉形成一定角度(30°～60°)，兩骨架的結(jié)構(gòu)相同。鐵芯采用高磁導(dǎo)率材料，如硅鋼片；鐵芯固定于線(xiàn)圈骨架內(nèi)，鐵芯的長(zhǎng)度和線(xiàn)圈骨架的長(zhǎng)度相同。線(xiàn)圈纏繞在線(xiàn)圈骨架上，通過(guò)殼體側(cè)面的2個(gè)端口連接到外部電路。

圖3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器

雙路交直流放大器將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)放大后，發(fā)送到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器的線(xiàn)圈里，線(xiàn)圈將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)信號(hào)磁場(chǎng)。鐵芯使磁場(chǎng)信號(hào)加強(qiáng)，從而引擎?zhèn)鞲衅鞲袘?yīng)到磁場(chǎng)信號(hào)。

圖4為不同時(shí)刻放大器放大后的2路信號(hào)圖，信號(hào)1和信號(hào)2相位相差90°，圖5為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3個(gè)特殊時(shí)刻所產(chǎn)生的磁感應(yīng)線(xiàn)分布圖，從圖5可以看出，在t=t1和t=t3時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器所產(chǎn)的磁感應(yīng)線(xiàn)方向相似；在t=t2時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器中線(xiàn)圈所產(chǎn)生磁感線(xiàn)在空氣中相交，使空氣中間部分的磁感線(xiàn)密集并且其方向會(huì)發(fā)生改變。

(a)t=t1

圖4 放大器放大后2路相位相差90°的信號(hào)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮：磁場(chǎng)大小、線(xiàn)圈匝數(shù)、鐵芯直徑，2個(gè)線(xiàn)圈骨架交叉擺放所形成的一定角度的位置以及傳感器在磁場(chǎng)中的放置位置等因素。

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

選用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試系統(tǒng)，完成了引擎?zhèn)鞲衅餍阅苁謩?dòng)測(cè)試的前面板和后面板的編寫(xiě)。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

性能測(cè)試系統(tǒng)的基本流程是：當(dāng)進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)初始化；當(dāng)準(zhǔn)備進(jìn)行引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試時(shí)，選擇測(cè)試傳感器的類(lèi)型以及周期數(shù)，并設(shè)置傳感器信號(hào)初相位上升沿、下降沿相位精度，上升沿、下降沿精度，上升沿、下降沿抖動(dòng)精度等性能參數(shù)的上限和下限值；參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行測(cè)試。開(kāi)始測(cè)試后，信號(hào)發(fā)生器工作同時(shí)傳感器上電，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大模塊放大，送給旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器模塊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)引擎?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生信號(hào)；采集卡采集引擎?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)并通過(guò)LabVIEW以波形曲線(xiàn)的形式顯示在前面板上。LabVIEW再將引擎?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)生的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出初相上升沿、下降沿精度，信號(hào)上升沿、下降沿精度等其他性能數(shù)據(jù)并與所設(shè)定好的參數(shù)值對(duì)比，判斷引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅苁欠駶M(mǎn)足生產(chǎn)要求。

3.1 性能測(cè)試系統(tǒng)前面板和后面板設(shè)計(jì)

性能測(cè)試系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)如圖7所示，信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的參考波形顯示在最上方；引擎?zhèn)鞲衅餍盘?hào)波形顯示在引擎?zhèn)鞲衅鞑ㄐ蔚南路?；最下方顯示的是傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)：高電壓值、低電壓值、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、上升沿精度、下降沿精度、電流值、初相上升沿精度、初相下降沿精度、上升沿抖動(dòng)、下降沿抖動(dòng)，并判斷測(cè)得的性能數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足設(shè)定值的范圍，當(dāng)測(cè)得的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足設(shè)定值范圍時(shí)，會(huì)在判斷框中顯示綠色和GO的字符，若不滿(mǎn)足設(shè)定值的范圍，則會(huì)顯示紅色和NO的字符。右側(cè)有設(shè)置按鈕，設(shè)置界面如圖8所示，可設(shè)置傳感器各項(xiàng)性能的上限值和下限值。

圖7 性能測(cè)試系統(tǒng)前面板

圖8 性能指標(biāo)范圍設(shè)置前面板

性能測(cè)試系統(tǒng)后面板主要程序有初始相位數(shù)據(jù)處理和相位數(shù)據(jù)處理。如圖9所示，當(dāng)初始相位數(shù)據(jù)讀取完成后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算測(cè)試中的引擎?zhèn)鞲衅鞯某跏枷辔簧仙亍⑾陆笛鼐戎?。將采集到的引擎?zhèn)鞲衅鬏敵龅牟ㄐ伟l(fā)送到首相點(diǎn)數(shù)計(jì)算子vi，同時(shí)將參考波形也送入子vi進(jìn)行計(jì)算，將參考波形的上升沿時(shí)間Tp1和下降沿時(shí)間Td1和采集卡采集到的第1個(gè)完整的波形的上升沿時(shí)間Tp2和下降沿時(shí)間Td2進(jìn)行相減，得出原始初相位上升沿時(shí)間差Tc1和下降沿時(shí)間差Tc1，如圖10所示，計(jì)算得到的時(shí)間差值送入2個(gè)條件結(jié)構(gòu)框圖中進(jìn)行換算；通過(guò)一個(gè)μs(微秒)轉(zhuǎn)換成degree(角度)的子vi，換算出角度值，參考波形的上升沿、下降沿時(shí)間與引擎?zhèn)鞲衅餍盘?hào)波形的上升沿、下降沿時(shí)間差和角度之間有如下關(guān)系：

圖9 初始相位數(shù)據(jù)處理程序框圖

圖10 參考波形和傳感器信號(hào)波形

(1)

式中：θ為角度值，(°)；Tc為參考波形的上升沿、下降沿時(shí)間與引擎?zhèn)鞲衅餍盘?hào)波形的上升沿、下降沿時(shí)間差，μs；v為齒輪轉(zhuǎn)速，r/min。

將經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化處理得出的初相上升沿精度值和設(shè)定的值進(jìn)行比較，若數(shù)值在范圍內(nèi)則顯示綠色和GO的字符，否則顯示紅色和NO的字符。初相下降沿精度值的計(jì)算以及判斷與初相上升沿精度值的測(cè)試相似。

如圖11所示，當(dāng)相位采集數(shù)據(jù)讀取完成后開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算測(cè)試中引擎?zhèn)鞲衅鞯纳仙?、下降沿精度值以及上升沿、下降沿精度的最大值和最小值。將采集到的引擎?zhèn)鞲衅鬏敵龅牟ㄐ伟l(fā)送到相位計(jì)算子vi進(jìn)行計(jì)算，并將引擎?zhèn)鞲衅鬏敵霾ㄐ瓮ㄟ^(guò)提取單波形子vi將部分波形顯示在前面板的示波器上。相位精度值的計(jì)算過(guò)程如下：將采集卡采集到的波形和參考波形上升沿的時(shí)間和下降沿的時(shí)間相減，得出相位上升沿、下降沿時(shí)間差值，計(jì)算得到的差值送入2個(gè)條件結(jié)構(gòu)框圖中進(jìn)行換算。先將用設(shè)定好的轉(zhuǎn)速值與上升沿時(shí)間差值相除并取整，通過(guò)微秒轉(zhuǎn)換角度子vi，根據(jù)式(1)中的關(guān)系換算出角度值。再經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化處理和一個(gè)相位濾波的子vi得出未標(biāo)定的上升沿精度值；未標(biāo)定的上升沿精度值和實(shí)際引擎?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值存在一定的關(guān)系，所以通過(guò)二次標(biāo)定子vi計(jì)算出的上升精度值與實(shí)際值接近。用數(shù)組最大值和最小值函數(shù)將標(biāo)定后的上升沿精度值的最大值和最小值顯示在前面板上。在測(cè)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)每次測(cè)量的數(shù)值有一定的偏差，所以采用一個(gè)均值子vi進(jìn)行多次測(cè)量取平均值來(lái)縮小偏差。最后將處理過(guò)后的上升沿精度值顯示在前面板上，并且與設(shè)置好的上限上升沿精度值與下限上升沿精度值進(jìn)行比較和判斷，若在設(shè)置值的范圍內(nèi)則顯示綠色和GO的字符；否則顯示紅色和NO的字符。下降沿精度值的計(jì)算以及判斷與上升沿精度值的測(cè)試相似。

3.2 性能測(cè)試結(jié)果顯示

測(cè)試結(jié)果如圖7所示，采集卡采集到的引擎?zhèn)鞲衅鞑ㄐ我约靶盘?hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形顯示在LabVIEW前面板的波形圖顯示面板上。圖7中第1個(gè)波形圖為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的參考波形圖，第2個(gè)波形圖為引擎?zhèn)鞲衅餍盘?hào)波形。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的引擎?zhèn)鞲衅鞯某跸嗌仙鼐戎禐?.934°，初相下降沿精度值為-1.032°，上升沿精度值為1.705 51°，下降沿精度值為-0.842 875°。實(shí)際引擎?zhèn)鞲衅髟跈C(jī)械輪上測(cè)得：初相上升沿精度值為1.95°，初相下降沿精度值為-1.05°，上升沿精度值為1.70°，下降沿精度值為-0.84°。兩者相比較基本一致。在實(shí)際測(cè)試中測(cè)得引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軘?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軘?shù)據(jù)誤差不能大于±0.05°；表1為引擎?zhèn)鞲衅髟跈C(jī)械輪上測(cè)試得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及傳感器在該性能測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，并且從表1可以看出傳感器在機(jī)械輪上測(cè)試得到的標(biāo)準(zhǔn)的初相上升沿、下降沿精度，上升沿、下降沿精度數(shù)據(jù)與該性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試得到的初相上升沿、下降沿精度，上升沿、下降沿精度數(shù)據(jù)之間誤差均小于±0.05°。

表1 引擎?zhèn)鞲衅鳒y(cè)試數(shù)據(jù)表 (°)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一套基于LabVIEW的便攜式引擎?zhèn)鞲衅餍阅軠y(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)引擎?zhèn)鞲衅鞯臏y(cè)試方法，這種電-磁-電之間轉(zhuǎn)換的方法與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪激勵(lì)傳感器相比較便于攜帶、成本低、重復(fù)性好，并且克服了傳統(tǒng)測(cè)試方式準(zhǔn)確度低和效率低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)測(cè)得的引擎?zhèn)鞲衅餍阅軘?shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軘?shù)據(jù)的誤差范圍之內(nèi)，該系統(tǒng)可以提供準(zhǔn)確的引擎?zhèn)鞲衅鞯男阅軘?shù)據(jù)。