基于小野FP-2140HA流量計的車輛油耗采集系統

姚 強，端方勇，祖萬里

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230091）

21世紀以來中國汽車保有量不斷攀升，截止2020年末全國民用汽車保有量28087萬輛［1］，能源短缺、霧霾污染等問題日益凸顯。為緩解這一系列問題，國家相關部委對汽車制造企業生產車輛的平均油耗管控日趨嚴格，并制定了《GB/T 19233-2020輕型汽車燃油消耗量試驗方法》。

在汽車消費市場，車輛的燃油消耗值逐漸成為消費者在購車時考慮的重要因素之一，在客戶日常使用過程中燃油消耗量大時常會引起客戶強烈的抱怨，因此汽車生產企業在車輛出廠前會進行一系列的燃油經濟性測試。

目前，測量汽車的燃油消耗一般采用碳平衡法利用排放分析儀間接測試或者通過流量計（質量式或體積式）串聯于汽車油路中直接測試。小野公司生產的FP-2140HA體積式流量計作為一種便攜式油耗測試設備，廣泛應用于汽車行業的燃油消耗測試中。

1 小野FP-2140HA流量計介紹

FP-2140HA流量計（圖1）為日本小野公司生產的一款體積式流量計，其量程廣、精度高、響應快、重復性好、有可逆補償裝置，即使在脈流及逆流時也能保證高精度測試，且結構安全、可靠，能直接裝在汽車上長時間連續測試使用，被眾多汽車廠商廣泛應用。其參數及原理見表1。

圖1 FP-2140HA流量計

表1 FP-2140HA流量計參數

圖2為小野流量計原理，流量計分為上下兩部分。下部：流量/轉速變換部。它由4個呈輻射狀的活塞往復運動，再帶動曲軸作旋轉運動。這樣，流體依次從活塞流入、流出，使流量轉變成曲軸的轉速。上部：轉速/脈沖信號變換部。曲軸的旋轉運動通過磁性聯軸節帶動旋轉編碼器旋轉，就把轉速變換成相應的脈沖信號。通過信號端子，把該脈沖信號送到DF、FM系列運算顯示儀中，顯示出瞬間或累計流量。

在使用過程中將FP-2140HA流量計接入車輛油路中，并將流量計信號接入到小野DF-210A、FM-2500、FM1500流量顯示儀。顯示儀可以顯示燃油的瞬時油耗、記錄一段時間或距離內的燃油累積消耗量燃油，試驗過程中的燃油瞬時消耗值無法記錄。

在整車經濟性能分析中燃油瞬時消耗值是關鍵的過程數據，高頻率、準確、可靠的燃油瞬時油耗數據可以分析出任意階段的燃油消耗情況，為整車降低油耗開發方案提供強有力的數據支持。利用FP-2140HA流量計測試車輛的瞬時油耗，開發一套集成車速信號測試的高頻數據測試系統即可實現整車燃油消耗的高頻率采集分析功能。

2 小野FP-2140HA流量計輸出信號分析

2.1 信號分析方案

FP-2140HA流量計信號接口為5針插接器，針腳1為信號1，針腳2為信號2，針腳3為搭鐵線，針腳4為屏蔽線，針腳5為電源正。將小野流量計FP-2140HA接入車輛燃油供給系中，并使用其配套的二次儀表DF-210A測量顯示燃油消耗，同時測試二次儀表上輸出的模擬信號V-out、頻率信號Pout、針腳1、針腳2的信號。通過二次儀表油耗顯示值、二次儀表輸出值與所采集的針腳1與針腳2的原始信號，解析出針腳1信號、針腳2信號與油耗信號的關系，信號解析原理如圖3所示。

圖3 信號解析原理圖

2.2 信號采集分析

試驗中使用PXI共采集了5路信號的數據，采樣頻率為10kHz。其中二次儀表的P-out和流量計1、2號針腳上的信號為標準的脈沖信號，如圖4所示。在計算機上使用Matlab軟件編程對以上數據進行濾波整理；其次對PXI的AI1、AI2、AI3三個通道采集的數據進行計數和分析。小野油耗傳感器接口的1針和2針輸出的兩路脈沖信號相位差為一定值，而且兩路信號之間有一定的對應關系，因此把兩路方波放在同一個坐標軸下。我們對多組數據進行分析并查閱相關資料發現，當小野流量計內部轉動正轉時，流量計接口1針的下降沿對應流量計接口2針的高電平，當流量計內部轉動反轉時，流量計接口1針的下降沿對應流量計接口2針的低電平。流量計正反轉脈沖信號對應關系如圖5所示。

圖4 1針和2針及P-out脈沖圖

圖5 流量計正反轉時第1針和第2針的關系

根據上面這個實驗結果，使用Matlab進行以下處理。當流量計接口1針脈沖為下降沿時，對應流量計接口2針脈沖為高電平時計數加1，低電平時計數減1處理，以下稱為流量計1針有效脈沖；當流量計接口2針脈沖下降沿時，對應流量計接口1針脈沖為低電平時計數加1，高電平時計數減1處理，以下稱為流量計2針有效脈沖，最后使用表格表示計數結果。各個信號脈沖數目統計如表2所示。

表2 試驗分析油耗傳感器脈沖當量的油耗

通過以上數據可以看出無論以油耗傳感器接口的1針還是2針的有效脈沖進行計算，其結果都是相同的。通過實車應用測試的油耗數據進行計算和二次儀表Pout脈沖數據進行驗證，最終確定流量計1針或2針的每個有效脈沖代表的耗油量相同，均為0.09065mL。

3 基于小野FP-2140HA流量計的車輛油耗采集系統設計

3.1 油耗采集原理及方法

從以上分析可知小野FP-2140HA流量計采用正交編碼器［2］（又名增量式編碼器），其輸出的兩路脈沖序列相位相差90°，通過檢驗哪個序列領先可確定計數器增減，從而同時獲得油管中汽油流動的位置和方向兩個信息。

通過數字采集通道采集油耗儀兩列脈沖信號，并根據編碼關系計算出有效脈沖的計數值，根據其與脈沖當量的關系換算出實際油耗值。采集脈沖信號的同時記錄時間信息，與得到的油耗值相關聯。通過計算油耗與時間的關系，可得出瞬時油耗值。由此完成了瞬時油耗的采集。

3.2 采集系統結構

采集系統包括上位機和下位機兩部分，下位機基于NI cRIO-9012數據采集平臺［3］，實現油耗和車速傳感器信號的采集、CAN總線通信、U盤保存數據、狀態指示等功能。上位機實現數據接收和處理，界面顯示和管理等功能。上位機與下位機通過Kvaser USBcan II設備實現CAN總線通信。油耗瞬時采集系統結構如圖6所示。

圖6 瞬時油耗采集系統結構圖

3.3 cRIO采集器功能實現

采用NI的cRIO-9012控制器作為數據采集平臺處理器，它具有良好的功能擴展性，通過在機箱配置不同的功能模塊并編寫控制軟件，可實現各種不同的功能。可以通過配備的模塊實現串口通信、CAN總線通信、模擬電壓信號采集、模擬電流信號采集、數字信號通信等功能。對模塊各個接口定義完畢并寫入軟件后，引出接線端子，完成cRIO采集器的設計和制作。實物如圖7所示。在瞬時油耗采集系統中，對于各個功能的實現，分別使用cRIO控制器及以下功能擴展模塊實現。

1）瞬時油耗采集 通過NI 9403數字輸入/輸出模塊，采集FP-2140HA流量傳感器的兩路脈沖序列信號，并解析轉換為有效脈沖的脈沖計數信息，將數據保存為數字邏輯信號后再對其進行計數和計算。信號采樣頻率為50kHz，采樣周期為20μs。對有效脈沖的計數采用X4編碼方法，使有效脈沖計算精度提高到0.25個脈沖。

2）車速信息采集 通過NI 9205模擬輸入模塊，采集車速傳感器輸出的模擬電壓信號，并轉換為車速信息，模擬電壓采樣范圍為±10V。通過測得的模擬電壓數值，按照車速傳感器對應的轉換比例系數，即可得到車速數字信號。

3）CAN總線通信 下位機通過NI 9853雙端口高速CAN模塊，將采集解析后的數據信息通過CAN總線傳送給上位機，同時，上位機通過CAN總線發送指令，實現對下位機的控制。本系統采用瑞典Kvaser公司的基于USB的雙通道CAN總線分析儀Kvaser USBcan II收發CAN數據。

4）下位機數據保存 將USB大容量存儲設備連接至cRIO-9012，實驗數據將通過.txt文本文件保存其中。

3.4 百公里油耗計算方法

采集單位時間NI 9403數字輸入/輸出模塊采集流量傳感器FP-2140HA的兩列脈沖序列信號，將數據保存為數字邏輯信號后再對其進行計數，對有效脈沖的計數采用X4編碼方法，使有效脈沖計算精度提高到0.25個脈沖。從NI 9205模擬輸入模塊，車輛車速信號v。百公里油耗Q［4］計算如下：

式中：Q——百公里油耗，100km/l；k——流量傳感器發出的脈沖數；f——流量傳感器的系數，0.09065ml。

4 采集軟件功能

采集軟件主要包括數據接收與分析顯示程序、保存數據格式轉換程序，通過LabVIEW編寫［5］。程序架構如圖8所示，程序界面如圖9所示。

圖8 上位機LabVIEW程序架構

圖9 上位機LabVIEW程序主界面

5 總結

通過實際測試，基于小野FP-2140HA流量計設計的車輛油耗采集系統完全滿足車輛油耗的測試研究，油耗信號脈沖分辨率達0.25個脈沖，時間精度微秒級，數據更新頻率自適應調節，當前最高達10Hz，設備實現了油耗數據的高頻采集、顯示、記錄，可以滿足車輛道路和臺架油耗試驗。