数据采集卡选型

基于虚拟仪器技术的柴油发动机测控系统

2007-03-09 19:03:27 作者：吴伟斌洪添胜来源:互联网

摘要：

介绍了采用NI公司的DAQ卡、SCXI信号调理模块及PC机构成的一个基于虚拟仪器技术的柴油发动机制测控系统。它通过LabVIEW的编程，使用户界面直观地显示在显示器上，方便了调试。该系统已应用在柴油发动机燃用柴油和十六种植物油的稳态性能测试试验上，运行情况良好，且各测量参数的误差与发送机试验图家标准对比，都满足了要求。

关键词：

虚拟仪器数据采集卡信号调理模块测功器LabVIEW 发动机测试仪器经历了模拟仪器、数字化仪器和智能仪器三个阶段。模拟仪器的基本结构是由磁机械式的，采用模拟器件组成各种电路，精度低、速度慢、适应性差；而数字化仪器如数字转速表等，主要由数字电路来实现，在测试精度、速度和仪器寿命等方面都比模拟仪器有较大的提高。随着数字信号处理技术及大规模集成电路的发展，出现了以微机为核心的智能仪器，但由于其是以功能模拟的形式存在的，无论开发还是应用，都缺乏灵活性。20世纪80年代后期，微机性能是得到极大提高，而向测试分析的通用软件开发平台的成功应用，使得虚拟仪器应运而生。利用虚拟仪器技术，用户可以自定认义仪器的功能，创建32位编译程序，从而提高了常规数据采集和测试等任务的运行速度。W40型电涡流测功器是华南农业大学从德国进口的测功设备。该测试设备的数字化水平较低，控制台均采用机械式按钮，且经过近二十年的连续运转，设备已严重老化，出现明显的零点漂移，部分测试电路板已出现故障，经多次修理仍不正常，严重影响了测试工作的正常进行。为此，在确保数据采集的精度和实时性、改善数据处理功能、提高易操作性和整个测试设备数字化水平的原理下，充分利用虚拟仪器的优势，对原有设备进行了更新和扩充，形成了一个测控系统。

1 系统硬件设计1．1 系统硬件组成测试系统的硬件组成主要包括NI公司的PCI-6024E 型DAQ卡和SCXI信号调理模块。SCXI信号调理模块包括机座模块SCXI-1000、热电偶模块组SCXI-1125和SCXI-1328、应力应变模块组SCXI-1520和SCXI-1314等。系统结构图

如图1所示。测功能即为德国SCHENCK公司的W40型电涡流测功器，可测发动机最大功率40kW。测耗仪是自动设计的，利用电子天平称量燃油消耗量，通过RS232C（25芯接插件）与PC机连接。可烟度计和空气流量计均为第三方仪器，通过RS232C（9芯接插件）与PC机连接。1．2 各组成单元功能及工况点控制1．2．1 DQA卡NI公司的PCI-6024E 型DAQ卡是基于PCI总线的12位多功能数据采集卡，最高采样速率为200kS/s，具有16个单端模拟输入（或8个差分模拟输入），8个数字输入/输出，2个模拟输出，2个20MHz、24位计数器/定时器。1.2.2 SCXI信号调理模块NI公司的SCXI信号调理模块为DAQ卡提供一个完善的信号调理系统，有效高的灵活性和配置性能。机座SCXI-1000是一个结构紧凑、低哭声的机箱，为调理模块提供电源、定时和触发等功能。热电偶模块组SCXI-1125和SCXI-1328提供最高300Vrms的隔离、1～2000的增益、4Hz或10kHz的可编程模拟滤波器、冷端补偿等功能，终端还有铝质温板防止温度从接线紧杆传递，提高了冷端补偿的精度。应力应变模块组SCXI-1520和SCXI-1314提供1～1000的增益、10Hz～10kHz的可编程模拟滤波器、0～10V的直流激励电压以及自动调零、桥路补偿等功能，还可以调理一般的模拟电压。1．2．3 测功器和油门控制器W40型电涡流测功能有四种工作方式：M方式、n方式、n-const方式和M-n2方式。最常用的是M方式和n-const方式，对应调整的对象分别为测功器的扭矩和转速。当选择external方式时，控制信号为0～10V。油门控制器由模拟电压控制的伺服电机构成，控制信号为0～10V。1．2．4 工光点的控制系统可根据设定的转速或扭矩通过DAQ卡输出控制电压给控制执行器和油门控制器，再通过测量结果进行反馈，即可实现试验工况点的控制，完成自定义的测试流程。其中，系统采用PID 算法实现测功器的控制。2 系统软件设计2．1 编程思想发动机试验需要在开始时通过怠速运转进行预热。预热完毕的标志是冷却水温度达到额定值。预热后，当速度稳定在设定值时，开始运行主程序，进行数据显示、处理和记录。运行主程序时，同时还调用烟度计和空气流量计子程序，进行同步采集、记录。当水温超过设定的极限值时，系统输出数字信号，启动扬声器报警并停机。系统程序流程图如图2所示。2．2 用户界面这里利用简单、易用、图形化的虚拟仪器软件LabVIEW编写操作界面。主程序界面分为控制和显示两个区，实现对数据采集的控制和显示。显示部分包括扭矩、转速、温度、油耗等参量的显示，还包括超过极限亮灯显示、统计分析显示、日期时间显示等；控制部分包括各测量仪控制开关、采集速率、存储数据时间、PID参数值、极限值、初始值等的设置，如图3所示。根据流程需要，编写了温度测试子程序和速度判断子程序，用于监控温度和速度状态。对于速度，用磁电和光电转速传感器同时测量，程序中设采样频率为5000Hz，采样数为5000，每秒显示、记录一个点，每8个点取一次平均，判断平均值误差是否在设定范围内而且持续一分钟以上。2．3 功能模块软件按功能可分为扭矩计、转速计、温度计、油耗仪、空气流量计、烟度计等测试模块，每个模块可独立使用，分别测试各单个内容。信号采集完成后，可以进行数据保存（直接存入EXCEL）、图表打印以及网页发布等操作。监控参数出现异常时，应报警并停机。对于油耗测量，首先要在电子天平的菜单中对与外设有关的参数进行设置，如波特率、奇偶校验和握手信号等，然后用LabVIEW读取数据实现串口通讯。厂商为烟度计和空气流量计提供了相应软件，可通过LabVIEW利用system exec.vi调用流量计和烟度计的数据采集软件，并与LabVIEW主程序同步存储。另外，环境条件如大气压、温度、露点温度、相对湿度等可通过互联网从广州五山气象卫星观测站获得，而室内条件也要瑜空盒气压表、干湿球湿度计等仪器进行辅助测量。图3 3 标定和误差分析3．1 扭矩标定测功器是利用测力机构的反力矩与发动机驱动力矩平衡的原理测功的，测力传感器的精度代表了测功器的精度。利用测功器出厂时带有的专用标定力臂，在试验前对测功器和扭矩计进行标定。力臂安装前，应使定子外壳平衡，传感器输出为零。用精度为0.01g的PB602-N型电子天平称取100.00g的沙包，各沙包质量之间的误差不大于0.02%。从零到满量按静态控制进行标