虚拟仪器技术在发动机测试中的应用研究

1 引言

传统的内燃机台架实验功能单一，测试效率低，实验过程缺乏统一的数据处理系统。不同厂家生产的设备有不同的数据记录格式，无论是软件还是硬件都不兼容，因此不能共享软硬件资源。产品开发周期长，设备升级能力及扩展性差，重复劳动较多，造成了较大的资源浪费。虚拟仪器技术是上世纪 90 年代初被提出并逐步付诸实现的。该技术利用少量的标准化硬件模块加上功能强大的图形化编程平台，将计算机技术同仪器技术完美的结合起来，具有开发周期短、成本低、重复劳动少、易于应用新算法以及便于升级等特点。已在测控领域里得到了广泛的应用。

虚拟仪器编程语言 LabWindows/CVI 是美国 NI （ National Instruments ）公司利用虚拟仪器技术开发的 32 位面向计算机测控领域虚拟仪器的软件开发平台。它以 ANSI C 为核心，将功能强大、使用灵活的 C 语言平台与用数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强了 C 语言的功能，为熟悉 C 语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。

2 硬件系统的设计

系统的结构如图 1 所示。整个系统大致由 3 部分组成：第一部分为传感器和一次仪表，其功能是把发动机的性能参数通过传感器转化为相应的电信号，为了充分利用现有的资源，节约成本，对与转矩和油耗等参数的测量，我们直接从测功机和油耗仪上的输出端口引出信号线到信号调理模块的接线端子上；第二部分为信号调理模块和数据采集卡，其主要功能是对信号进行采样、放大、 A/D 转换，并把采集到的数据以一定的格式传送给上位计算机；第三部分为计算机处理系统，其功能是实现数据的处理、显示、存储以及图表打印等。

系统采用的是 NI 公司的 Lab-PC-1200 数据采集卡，这是一种性能优良的低价位适合 PC 机及其兼容机的采集卡。它能够完成信号采集（ A/D ）、数字信号的模拟输出（ D/A ）以及定时 / 计数等功能；具有 8 个模拟量输入通道、两个模拟量输出通道、 24 个数字量 I/O 接口、 3 个 16 位的计数器。将数据采集卡插入计算机的 PCI 插槽中。在进行数据采集卡软件驱动前，应进行参数设置，参数设置是通过 NI 公司提供的“ Measurement Automation ”软件实现的。

发动机实验台环境中存在着许多电磁干扰源，测试系统能否正常工作可靠地工作，关键在于有效地抑制外部噪声。为了提高测试精度，在保证良好接地状态的同时，将输入信号线屏蔽，尽量缩短信号线的长度，并对转换器采用了光电隔离技术，通过测试表明，即使不采用软件滤波，也能达到实验要求。

图 1 硬件结构图

3 软件系统的设计

软件系统主要包括参数设置、数据采集与存储、实验结果显示与打印、实验过程演示等四大大部分组成。在此介绍各部分的功能以及实现方法。

3.1 参数设置部分

如图 2 所示。由于发动机台架实验一般要做负荷特性、速度特性等好几种实验。在进入测试系统后，可以根据要求选择所要做的实验项目。为了保护实验设备和人员安全，还可以根据不同的发动机设置转速、机油温度、冷却水温度以及排气温度的报警值。只要测得的实验数据超过了所设置的报警值。就自动停机。

图 2 参数设置面板

3.2 数据采集与存储

进入系统后，程序自动执行代码中的 ConnectToDDESevr 函数，打开与数据库的连接，以便与数据库之间进行数据交换。在退出系统之前，还必须用函数 DisconnectFromDDEServer 断开与数据库的连接。通过对数据采集卡参数的设置，确定各路信号所对应的端口号。运用 Utility Library （设置库函数）中的 Input Byte From Pot 函数，从各端口读取数，并通过 ClientDDEWrite 函数将数据存储到指定的文件中。如图（ 2 ）所示，在操作面板的 Chart 图（图 3 右上角）上，实时地显示出采集到的的各路数据，并用不同的颜色来加以区分，使实验人员很容易看出各个参数的变化情况。采集过程中，如果测得的某个数据超过了预先设置的报警值，系统立即进行声光报警。

3.3 实验结果显示与打印

测试完毕后，执行函数 ClientDDERead ，将数据从数据文件中读入内存，运用曲线拟合的最小二乘法，对数据进行曲线拟合，并将运算的结果显示在操作面板的 Graph 图上（图 3 右下角）。打印可以采用两种方式：如果只要打印发动机的特性曲线图，可以采用隐式调用 EXCEL 数据表的方法，打开与数据库的连接，然后调用函数 PrintCurve 打印操作面板上的 Graph 图；如果要做实验报表，既要出图又要出数据，可以采用显式调用 EXCEL 数据表的方法，在操作系统中直接激活数据文件。