基于虛擬儀器技術的發動機起動性能檢測分析系統

蘭 琳，陳 釗

（江漢大學 機電與建筑工程學院，武漢 430056）

基于虛擬儀器技術的發動機起動性能檢測分析系統

蘭 琳，陳 釗

（江漢大學 機電與建筑工程學院，武漢 430056）

0 引言

發動機作為汽車的核心部件，其起動性能是保證汽車正常運行的關鍵。為了對發動機的起動性能進行正確的評價，需要測試發動機實際起動過程中的各種狀態參數，并對這些參數進行合理正確地處理和分析。采用模擬器件組成的模擬式測試儀器，其精度低、速度慢、適應性差；由數字電路構成的數字式測試儀器以及以單片機為核心的智能化測試儀器，在測試精度、速度和儀器壽命等方面都有較大的提高，但也都只能實現簡單的數據測量和分析處理，缺乏靈活性。

本文基于虛擬儀器技術設計了發動機起動性能檢測分析系統，檢測并計算、分析發動機起動過程中的各種模擬輸入輸出信號和開關信號，從而準確地判斷出發動機起動性能的技術狀況。本系統具有用戶界面簡單明了、數據清晰、性能穩定等特點，而且突破了手動測試的局限，避免了主觀判定的不可靠性，并能為發動機繼續運行或進行維護、修理提供可靠的依據，具有廣闊的市場前景。

1 虛擬儀器技術及LabVIEW

所謂虛擬儀器，就是以通用計算機為平臺、根據需求來定義并設計的儀器，其實質是充分利用計算機硬軟件技術來實現和擴展傳統儀器的功能。“軟件就是儀器”是虛擬儀器最本質的特征。虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素，硬件的主要功能是獲取真實世界中的被測信號，應盡量使電路簡單、操作方便、避免外界干擾；軟件則定義了儀器的功能，是虛擬儀器最重要、最核心的技術，通過開發面向儀器的軟件，可使其具有強大的人機交互界面設計功能、強大的數據分析能力和數據可視化分析功能，并能提供豐富的儀器總線接口。

作為測試工程領域的強有力的工具，近年來LabVIEW得到了業界的普遍認可，在測試系統分析、設計和研究方面得到了廣泛應用。LabVIEW軟件是由美國NI公司研究的、目前國際上唯一的編譯型圖形化軟件，是一種基于G語言的測試系統軟件開發平臺，其編程環境所具有的流程式編程、豐富的函數與數值分析以及信號處理和設備驅動功能等特點使其得到極為廣泛的應用。LabVIEW軟件同時內置有圖形化編輯器，可以將編程圖形化程序轉化為最優化的代碼，其運行速度與編譯C的速度相當。LabVIEW還提供了包括控制與仿真、高級數字信號處理、統計過程控制、模糊控制、PDA和PID等眾多的附加軟件包，具有功能強大的高級數學分析庫，包括統計、估計、回歸分析、線性代數、信號生成算法、時域和頻域算法等眾多科學領域，可滿足各種計算和分析需要。LabVIEW體現了一種新的“所見即所得”編程思想，使得程序開發變得更直觀、簡單、容易上手，使用LabVIEW將會大大降低程序的開發難度，縮短開發周期，節約開發費用。

與傳統儀器相比，虛擬儀器具有很多明顯的優勢。在軟件中采用先進的信號處理算法和人工智能技術，并可集成專家系統，使其智能化程序更高、處理能力更強；應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器；與計算機網絡連接還可實現虛擬儀器的分布式共享，使系統功能更靈活、復用性更強、性能價格比更高；針對不同應用可自行定義并設計不同的操作、顯示界面，結合計算機的多媒體處理能力能使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解；測量結果可以直接進入數據庫系統，測量完后還可打印，顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。

2 發動機起動性能檢測過程及評價

2.1 檢測前的準備

在檢測前，根據GB/T12534的規定，應先清除發動機燃燒室積炭，研磨氣門，檢查校正火花塞電極和分電器觸點間隙；檢查噴油器壓力和霧化情況等。

發動機的起動性能受多種因素的影響，如發動機的型號、發動機已使用的年限、環境溫度、大氣壓力、大氣濕度、燃油型號、機油型號、冷卻液、電瓶電壓等，根據GB/T 18297-2001、GB/T 12535-2007的規定，應先測量并記錄可能影響發動機起動性能的相關參數。

2.2 檢測程序

1）起動機接通后，在規定的拖動時間內，發動機能著火自行運轉，即為起動成功；若在規定的拖動時間內，無斷續著火聲，未能自行運轉，即為起動失敗，若其間有斷續著火聲，可適當延長拖動時間(但延長時間不得超過15s)，若能自行運轉，亦為起動成功。起動檢測允許連續進行3次，若1次起動失改，可在2min后再次起動。

2）發動機起動成功后，在30%～50%額定轉速下，空載運轉10～20min。

3）發動機在怠速工況下運轉，每隔10s測一次怠速轉速，共測30次。

2.3 測量記錄的參數

為了能對發動機起動性能有一個很好的判斷，并為評價指標提供理論依據，在測試過程中，需要測量發動機起動過程中若干物理量，如進氣溫度、冷卻液溫度、起動轉速（拖動轉速）、起動時間（起動機接通起到發動機自行運轉止）、蓄電池電壓、起動成功及失敗的次數、空載轉速（30%～50%額定轉速）、暖機時間（發動機自行運轉到冷卻液達到70℃經歷的時間）、怠速的最大轉速、最小轉速、平均轉速、轉速波動率等。

2.4 評價指標

發動機起動性能通常用某溫度下的起動時間表示該溫度下的起動性能，并用能起動的最低溫度表示其低溫起動性能，這種評價方法過于簡單，有一定的局限性。通過對發動機起動過程的分析，參照國家標準《汽車起動性能試驗方法》GB/T 12535-2007、國家標準《汽車修理質量檢查評定標準發動機大修》GB/T15746.2-1995以及GB/T 18297-2001汽車發動機性能試驗方法，結合當前汽車運用的相關規定，同時考慮到發動機起動性能對汽車技術性、經濟性、先進性、環保與舒適性等因素的影響，綜合分析后確定了對發動機起動性能進行評價的指標參數，其主要指標有：一定溫度下發動機的起動時間、暖機時間、怠速轉速、怠速波動率、燃油消耗率、尾氣排放（HC、CO）以及起動極限溫度等。

3 基于虛擬儀器技術的檢測分析系統

發動機起動性能檢測分析系統中信號種類繁多，采集數據量大，經過硬件系統的調理以后還需通過軟件進行數字化處理和分析。但傳統的編程軟件如Fortran、VC++、VB等對測試人員要求很高，需要將各種數據處理方法用計算機語言來實現，還要對數據通信的各種連接總線如RS232、USB等非常熟悉，因此開發難度大、周期長、費用高、可擴展性差。本系統采用LabVIEW為軟件開發平臺，充分利用LabVIEW的圖形化編程環境、數百種功能模塊、數百種儀器的源碼級驅動程序等內置功能，對檢測信號進行數字濾波、統計、運算、分析等處理，使整個系統雖然硬件構造簡單卻具有較全面的檢測分析功能。

3.1 系統硬件

虛擬儀器的系統硬件比較簡單，只需要PC機和數據采集與信號控制專用板即可組成，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構示意圖

數據采集與信號控制專用板主要由傳感器、信號調理電路、數據采集電路和信號控制電路組成，主要完成數據采集和傳輸PC機對發動機的控制信號。首先由PC機給出發動機起動信號，并控制、選擇傳感器采集測試到的數據，如環境參數和發動運行過程中的狀態參數等；然后對這些數據進行簡單的信號處理，如適當的信號放大、信號轉換、電氣隔離、濾波等，再將這些數據送往PC機進行處理。

PC機獲取數據后在軟件的支持下對數據進行分類記錄和處理，實時繪制并顯示測試曲線，詳細分析后以適當的形式顯示分析結果，并自動以數據庫形式對所有測試數據、分析結果進行管理和記錄，可生成Excel形式的數據報表或數據庫，也可打印所測數據及分析結果。

由于充分利用了虛擬儀器的優勢，系統能在確保數據采集的精度與實時性、改善數據處理功能和提高易操作性的基礎下，能檢測上述評價發動機起動性能的參數，并對采集到的這些數據進行適當的處理和分析，從而直觀、定量地對發動機起動性能給出評價；也能實現自動監控、記錄檢測數據，具有良好的人機對話界面，操作簡單，使用方便。

3.2 系統軟件

軟件是虛擬儀器的核心，通過軟件設計可使虛擬儀器具有強大的信號分析功能、數據處理功能和最優化的控制算法設計，為測試系統中的信號分析、數據處理、檢測指標計算提供了有力的條件。利用LabVIEW開發測試系統軟件涉及兩個主要部分，即前面板和程序流程圖。

3.2.1 前面板設計（用戶界面）

前面板是指一些圖形化的測試界面，是運行時所展現的各種測試交互接口，包括菜單、參數設置、結果顯示等，有助于系統功能的實現、操作和實現不同的數據處理方法，有助于圖形和數據顯示，有助于完成不同信號的同時輸出。本系統的前面板設計如圖2所示。

圖2 前面板

3.2.2 程序流程圖設計（功能實現）

程序流程圖是指測試程序的內部運行結構，是測試系統結構、數據處理的流程，由于LabVIEW程序流程圖的開發是圖形化的，因此更簡單、更高效、更直觀。流程圖編制時從函數庫中選取所需的函數圖標，按數據在程序中傳遞的順序和控件圖標統一編排，采用連線工具將圖標連在一起。系統軟件采用模塊化設計，系統功能模塊主要包括系統設置模塊、輸入模塊、測試模塊、數據處理模塊和性能評價模塊，其示意圖如圖3所示。

圖3 系統功能模塊示意圖

系統設置模塊：主要是進行系統初始化。

1）輸入模塊：主要是提供發動機參數信息的輸入和環境參數的測試。

2）測試模塊：主要由設備接口模塊、信號采集和測試運行模塊組成，可實現被測發動機起動過程中各種參數的實時測試與數據采集。

數據處理模塊：主要是根據發動機起動過程中檢測到的各種數據進行實時地分析、計算和統計。

3）性能評價模塊：根據處理后的數據得到前面所分析的各項發動起動性能的評價指標，并顯示在前面板上。

4）數據管理模塊：主要用來顯示和存放數據。任何測試系統都存在數據管理問題，主要包括數據收集、判別、整理、存儲、讀取、顯示等，并通過用戶界面提交給用戶。本系統的數據顯示主要以數字或圖形形式顯示被測參數實時或歷史值以及時域變化曲線等動態趨勢和規律，如顯示轉速/時間變化曲線；數據存放有Excel形式的電子報表和數據庫形式。數據庫選用SQL Server2000，利用數據庫訪問工具包LabSQL可實現對數據庫的查詢、修改、刪除和添加等操作。

4 結束語

本文設計了一種基于虛擬儀器技術的發動機起動性能檢測分析系統，該系統能迅速、有效地檢測發動機起動過程中的各種參數及相關狀態信息，利用軟件對這些數據進行計算、分析后，對發動機的起動性能進行了準確、詳細地評價，并提供了可視化的評價結果。該系統集實時數據采集、數據處理、數據分析、數據儲存和數據顯示于一體，實現簡單，交互性好，操作方便，并可根據用戶的要求進行擴充，方便了發動機起動性能的檢測與評價，為發動機的生產、維護、修理提供可靠的依據。

[1]戴鵬飛,等.測試工程與LabVIEW應用[M].北京:電子工業出版社,2006.

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[4]徐志剛,等.基于虛擬儀器的汽車綜合性能自動檢測系統[J].現代電子技術,2006 ,9(224).

Test and analysis system of engine start performance based on virtual instrument technology

LAN Lin, CHEN Zhao

闡述了發動機起動性能的檢測過程及其評價指標，設計了基于虛擬儀器技術的發動機起動性能檢測分析系統。該系統能迅速、有效地檢測發動機起動過程中的各種參數及相關狀態信息，利用軟件對這些數據進行計算、分析后，對發動機的起動性能進行了準確、詳細地評價，并提供了可視化的評價結果，為發動機的生產、維護、修理提供可靠的依據。

虛擬儀器；LabVIEW；發動機；起動性能；檢測分析

蘭琳（1973 -），女，江西興國人，講師，碩士，主要從事機械電子工程、測控技術和單片機技術等方面的教學與研究工作。

TP206.1；U464

A

1009-0134(2011)4(上)-0012-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).04

2010-09-07