電子點火與電控燃油噴射實驗教學系統設計

趙海新，左明偉，孫曉娜

(承德石油高等專科學校汽車工程系，河北承德 067000)

傳統的電子點火與電控燃油噴射系統實驗因其缺少動態的實驗觀察平臺和顯示界面，難以達到現代化啟發式教學的要求，也不能使學生通過實驗真正的理解實驗原理，得到實驗產生的數據從而進行分析。應用現代化的教學手段除在硬件方面提高技術含量和性能指標滿足使用者要求外，還需下功夫開發出更好的以計算機為平臺的實驗室測試、測量系統［1］。在現代汽車上，電子噴油裝置可以自動地保證發動機始終工作在最佳狀態，使其在輸出一定功率的條件下最大限度地節油和凈化空氣，使發動機的綜合性能得到提高。由于電控發動機的復雜性，對其測試測量的設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的圖形化編程語言的開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，程序的編寫是以框圖的形式進行的。它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。它主要的方便之處在于只有一個硬件的情況下，通過改變軟件，就可以實現不同儀器儀表的功能，相當于軟件即硬件［2］。

1 教學系統的總體設計

電子點火與電控燃油噴射系統虛擬實驗儀的設計是以桑塔納2000車型的實驗臺為基礎，應用實驗臺上的傳感器插孔，通過導線與USB6211采集卡相連。裝有LabVIEW軟件的上位機通過USB總線與采集卡進行通信，上位機應用LabVIEW自帶的安裝程序Measurement＆Automation驅動程序驅動數據采集卡，便可在LabVIEW環境下通過編程調用底層的封裝函數實現數據采集任務。

電子點火與電控燃油噴射系統虛擬實驗儀的整體設計是基于汽車系實驗室電子點火與電控燃油噴射實驗系統(桑塔納2000)硬件平臺、NI公司的USB6211數據采集卡和LabVIEW軟件平臺而設計的虛擬實驗儀。在裝有LabVIEW軟件的PC機上用G語言編寫程序框圖的基礎上，應用USB6211數據采集卡實現上位機與傳感器的連接，通過USB6211數據采集卡采集由傳感器傳輸的模擬信號，經過數據采集卡處理為數字信號，再通過USB總線與PC機通信。在PC機上應用LabVIEW軟件編寫程序實現數據的顯示與存儲，整個教學實驗模擬系統的設計思路如圖1所示。

2 教學系統的硬件設計

汽車電子點火與電控燃油噴射教學系統的硬件設計包括對試驗臺各個傳感器和執行器端子的檢測和連接，數據采集卡輸入端子的連接。系統采用的是便攜式的USB數據采集卡，所以可以方便的實現計算機和數據采集卡的數據傳輸。

2.1 電子點火與電控燃油噴射系統

本實驗系統是由長春G-3技術教育裝備有限公司提供，查閱相關資料得知此系統模擬現實中使用的車型為上海桑塔納2000GSi轎車(電子控制汽油噴射式)，發動機型號是AJR型發動機。所有信號都是通過物理實驗儀上的傳感器測得的，用導線將實驗板上的插孔與USB6211數據采集卡的模擬輸入端連接。將檢測到的數據在虛擬實驗儀上以波形和量表的形式顯示出來，當轉動可調旋鈕時，虛擬儀上的波形也會隨之發生變化，從而得知傳感器的工作正常與否，并判斷出電子點火與電控燃油噴射系統故障部位，為修理和更換損壞部件提供依據，也使教學更形象，讓學生識別標準和非標準部件工作狀態間的差別［3］。傳感器組成電控系統的“眼睛”和“耳朵”它將發動機工況及狀態、汽車行駛狀況和狀態的各種物理參量轉變為電信號，并輸出給電子控制器。試驗臺所用傳感器有:節氣門位置傳感器、進氣溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、熱膜式空氣流量計、氧化鋯型氧傳感器、發動機轉速和曲軸位置傳感器、爆震傳感器、霍爾傳感器;試驗臺所用的執行器有:點火線圈和噴油器。

2.2 數據采集系統

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路數字輸入線;4路數字輸出線。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號的連接［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個模擬輸入通道與實驗臺上各傳感器和執行器的插針孔連接。

3 教學系統的軟件開發

虛擬實驗儀軟件結構的設計分成了實驗室真實測試系統。在沒有連接采集卡的情況下可以進入仿真模擬系統進行模擬實驗，只需打開Measurement＆Automation，在設備和接口的樹形目錄中找到NIDAQmx設備中，單擊NI-DAQmx仿真設備，在選擇設備目錄中選中M系列DAQ中的NI USB6211，再單擊確定便可創建一個仿真的數據采集卡。在沒有物理采集卡的情況下，以此來代替真實環境，構建仿真的數據采集程序，體驗真實的物理實驗環境，加快編寫程序的速度。在真實的試驗中，只需將上述創建的圖形呈橙黃色仿真的NI USB6211數據采集卡刪除，再接上真實的數據采集卡，便可以進行真實環境下的采集實驗。

3.1 程序框圖的開發

3.1.1 主界面的開發

主界面程序框圖如圖3所示，此部分包括進入各個傳感器和執行器的采集界面，并應用了層疊的順序結構，進行對返回歡迎界面和主界面進行調用，應用了以傳感器和執行器部分作為簇和單個控件的屬性節點，初始化然后單擊事件結構觸發后進入各自所屬的執行程序。

3.1.2 數據采集部分的開發

數據采集部分是實現信號測試和顯示的關鍵部分，通過對采集參數的設置實現所要的功能。因為測量參數為浮地信號，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的正端接AI端，信號的搭鐵端接AI GND端。數據采集部分的程序以節氣門位置信號為例說明如圖4所示。

3.1.3 數據存儲部分開發

SQL(Structured Query Language，結構化查詢語言)是關系型數據庫管理系統的標準語言，用它可以訪問各種支持SQL語言的關系型數據庫［5］。LabSQL VIs按照ADO對象分為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，例如創建或刪除一個Command、對數據庫中某一個參數進行讀或寫等。Connection VIs用于管理LabVIEW與數據庫之間的連接［6］。Recordset VIs用于對數據庫中的記錄進行各種操作，例如創建或刪除一條記錄，對記錄中的某一個條目進行讀寫等。最頂層提供了3個VI，其中最常用的就是SQL Execute.vi。它將底層的一些VI封裝起來提供了一個最簡單的接口，即直接執行SQL語句。通過SQL語句可以執行任何數據庫操作，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用軟件自身仿真出來的數據采集卡調試完成之后，將數據采集卡與試驗臺和計算機進行連接，連接之后對原有的程序進行現場調試，調試之后針對程序框圖和界面進行修改。數據線的連接如圖6所示。

介紹功能的主界面如圖7所示，此界面包含系統結構、動態演示、采集與測量、幫助、返回系統的單擊進入按鈕，當進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按鈕可返回到歡迎界面，重新選擇進入還是退出系統。

傳感器數據采集界面包括采集圖形的顯示以及暫停采集和繼續采集按鈕，圖形以兩種形式顯示，如圖8的節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，此顯示具有直觀動態的特點，方便觀察和記錄信息。

進行了數據采集和存儲實驗，數據通過計算機上數據源部分的基本設置后，系統自動建立數據的連接，實現數據實時存儲，最終的數據保存在計算機的Access應用程序中，系統存儲界面如圖9所示。

4 結論

在本文中，采用的硬件為汽車系電子點火與電控燃油噴射系統(桑塔納2000)的試驗臺和NI公司的USB6211數據采集卡，在安裝有LabVIEW軟件平臺的PC機上，構建了基于LabVIEW的電子點火與電控燃油噴射系統的虛擬實驗儀。該虛擬實驗儀實現了將虛擬儀器及數據設備應用到教學實驗中去，使得傳統意義上的儀器功能，包括數據采集、數據分析和數據顯示，都可以在計算機上通過軟件來實現，也即實現了實驗室向虛擬實驗室的過渡，為教學提供了動態虛擬的實驗環境，使學生對電子點火與電控燃油噴射系統的實驗有了更直觀的了解，有利于學生實驗能力的培養和素質的提高。

［1］孔凡評，張云云.LabVIEW DAQ在學生實驗中的應用［J］.計算機仿真，2005(6):190－192.

［2］沈保山，姬長英.基于LabVIEW數據采集系統的設計［J］.機械電子，2009(4):56－58.

［3］張大成，戴波南.上海桑塔納2000系列轎車維修手冊［M］.北京:北京理工大學出版社，2001.

［4］侯國平，王坤，葉齊鑫.LabVIEW 7.1編程與虛擬儀器設計［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［5］錢向明，汪慧.基于虛擬儀器的發動機冷卻系統測試試驗臺［J］.儀表技術與傳感器，2009(5):120－122.

［6］葉盛，何勇，徐曉明 .基于虛擬儀器發動機測控系統的研究［J］.維普資訊，2003(29):76－77.