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基于虚拟仪器的网络化内燃机检测平台设计邹锦1李栋2公丕平2崔中清2(1.江苏中圣高科技产业有限公司,南京，2111122.解放军理工大学，南京，210007）【摘要】介绍了内燃机测试网络检测平台的总体设计方案，探讨了内燃机测试状态参数的选取原则，确定了内燃机检测中的状态参数及其传感器的选型与配置方案。完成内燃机测试的信号调理电路的硬件构建与设计，选用图形化的虚拟仪器软件平台LabVIEW开发了内燃机测试网络实验室的应用软件，整个软件结构由信号采集模块、主控模块、手动测试模块、程控测试模块和数据管理模块等组成。该网络检测平台的开发具有前瞻性和开拓性。【关键词】虚拟仪器网络化内燃机检测平台程控测试NetworkedTestingPlatformofInternalCombustionEngineBasedonVirtualInstrumentationZouJin1GongPeiping2LiDong2MaKaiming2(1.JiangsuZhongshengAdvancedTechnologyIndustryCompanyLTD.Nanjing,2111122.PLAUniv.ofSci.&Tech.Nanjing,210007)Keywords:Virtualinstrumentation,network,testingplatform,program-controllermeasurement虚拟仪器具有强大的功能、丰富的资源、良好的扩展性和通用性。随着计算机技术和网络技术的发展，以LabVIEW为代表的虚拟仪器开发平台拥有了强大的网络通信能力。可以将虚拟仪器作为内燃机测试实验的统一开发平台，再与网络技术相结合，一定可以开发成功应用于网络的虚拟仪器内燃机测试实验平台，从而部分替代不同地点、不同种类的传统测量仪器进行实验。本文在分析研究内燃机检测参数的基础上，提出了网上虚拟仪器内燃机检测系统的软硬件设计方案。1网络化内燃机检测系统的总体设计内燃机网络化虚拟仪器检测平台由检测现场的测试控制服务器、局域网总线、Web服务器和进行网络实验的客户机等四个层次组成。测试控制服务器在整个系统中承担了数据采集、信号调理、信号分析与处理和数据转换等功能。服务器包含了这几部分，即实验对象与信号部分（内燃机及其状态参数），信号调理部分，计算机总线传输部分，微计算机应用软件等四大部分组成，图1是其网络拓扑结构图。测试控制服务器与各个客户机之间的信号传递通过Ethernet局域网总结进行，Web服务器提供统一管理用户以及链接指向功能，客户机上只需安装IE浏览器，整个虚拟仪器实验平台构成了一个B/S模块的网络实验系统。图1内燃机网络虚拟仪器检测平台总体结构2测试参数分析内燃机的技术状况可用它的状态参数来描述，状态参数是指能反映内燃机技术状态的定量化信息。状态参数又可分结构参数和诊断参数，结构参数指那些直接决定其技术状态的参数，如零件尺寸、配合性质等，而诊断参数是指与结构参数有联系并能够表达结构技术状况的直接或间接指标，即可以是工作过程的参数，也可以是伴随过程的参数以及一些陌生的参数。目前用于发动机技术状态的测试参数主要有：（1）气缸压缩压力气缸活塞组是发动机的心脏，汽缸活塞组包括气缸、活塞、活塞环、气门、气缸盖和气缸垫等包围工作介质的零部件，它们的技术状况好坏不但严重影响发动机的动力性和经济性。在使用过程中，主要故障是由于零部件磨损、烧蚀、结胶、积碳等原因引起的。受结构的限制，气缸活塞组的磨损等情况，在不解体条件下难于直接检测。而气缸压缩压力在曲轴转速、机油粘度等技术状况相同的情况下，当出现气缸活塞组件磨损后间隙增加，活塞环弹力不足，卡滞、对口、气门与气门座不密合时，均会引起气缸压缩压力下降。因此采用气缸压力作为诊断参数可反映气缸活塞组的基本工作技术状态。（2）内燃机的喷油压力内燃机尤其是机械装备所采用的柴油机，其燃烧方式是压燃式，对燃油的输送和高压的产生等有严格的要求。而供油系技术状态不良，将使其在各种不同的工况下，不能获得定时、定量和定压的燃油，造成发动机动力不足，耗油量增多。供油系的故障，主要表现在压力不足、漏油、堵塞、机件磨损与混合气调整不当等。把压力传感器安装在高压泵和喷油器之间，对喷应压力和喷油定时进行检测，就可以检测供油系的故障状态。本文所提方案，拟采用管外夹持式压力传感器，结构发动机转速和1缸上止点信号，内燃机燃油供给系故障的检测。（3）内燃机温度发动机温度可以作为发动机不解体诊断时的辅助测量参数。如测量冷却水的温度可判断冷却系统的工作是否正常，当温度超过正常值时，可考虑冷却液是否损漏等情况，而当温度下降时，可考虑温度传感器是否失灵，以及气缸活塞足间隙是否得当，喷油正时是否准确，配件相位是否失准等因素。（4）机油压力发动机润滑系的技术状况，能直接影响整机的工作性能合使用寿命，如润滑不良造成发动机功率损失，以及导致配件间的卡死和曲轴轴承“烧瓦”等现象。机油压力反映发动机润滑系的技术状况，当机油压力过底时需及时检查。（5）废气分析发动机燃烧室内的燃烧质量，可用废气分析仪测定发动机排气成分来确定。混合气的燃烧情况，可以反映燃油供给系的技术状况，也影响发动机功率的高低。混合气的燃烧质量取决于混合气成分、气缸压缩是否良好、喷油状态是否良好、喷油正时是否准确等。（6）缸体、气门的振动信号振动诊断的主要测量参数为位移、速度和加速度，所用的传感器主要为电涡流传感器、磁电式传感器和压电式传感器。3虚拟仪器内燃机网络测试实验硬件平台设计内燃机网络测试实验硬件平台可采用通用化的设计，构成一个网络共享的硬件实验平台。在局域网的用户在具备一定条件时，都可以共享该硬件资源，进行内燃机的控制和测试等实验。该平台的设计在充分依托网络资源的基础上，应用了USB总线技术、SCXI专用测试总线技术、RS485串行总线技术、虚拟仪器技术等测控领域的先进技术，构建了具有分布式功能的网络测试实验平台。3.1传感器选型与配置传感器是将感受到的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号量的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏会直接影响系统性能的好坏。在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供采集系统采集处理或用于驱动控制执行机构。因此选取的传感器应能提供准确可靠的信息，并且使传感器的水平与计算机的水平相适应，以便计算机充分发挥应有的作用和效益。结合发动机的性能状态指标和故障诊断要求，可选择反映发动机工作状态的一些主要性能技术参数，如气缸压力、耗油率、发动机转速、机油压力、供油系压力、冷却水温度、废气烟度、蓄电池电压、气缸体或气门振动频率等常用参数。然后根据参数要求选择相应的传感器，如压力传感器、转速传感器、温度传感器、电压传感器等。3.2信号调理电路信号调理电路主要对来自传感器的信号进行调理，实现信号的归一化处理。来自传感器的电信号一般还不能用数据采集设备来测量，最主要的问题是它们大多数输出电压非常小，且极易受噪声影响，而有些信号又有可能存在很高的尖峰值。因此在将它们转换为数字量之前需要进行放大、滤波或隔离等预处理。图2显示了一些常见类型的传感器或电信号和它们各自需要的信号调理。图2常见工程信号及调理电路类型由于发动机功率测量系统中包含了大功率信号的激励和多种发动机状态参数、测功机状态参数的采集、控制与处理等任务，因此信号的调理系统选用了以ATmega128单片机为核心的信号采集与调理系统。信号采集系统主要完成内燃机、测功机的转速、温度和油耗测量系统/传感器的故障诊断、标定和校准，柴油机工况参数的采集、信号的特征提取、柴油机转速控制、测功机加卸载控制和串行总线的通讯等。采集与调理系统硬件设计包括三大部分：CPU、信号测量部分和总线接口与数据转换部分。选用性能价格比高，适用于工业控制的8位单片机ATmega128组成。服务器（微计算机）根据采集的数据，综合用户面板的给定状态，经过一系列控制算法的运算，变成直接推动的脉冲信号，实现了计算机直接数字控制（DDC）。信号采集单元的A/D和D/A转换电路分开使各采集单元之间数据通信更为方便、快捷。信号经调理和A/D转换后，由单片机系统将其转换为485串行信号，经总线传送到服务器。信号调理电路的基本配置是8路，高低温和压力各4路。（通过增加调理板，高温和压力也可扩展到8路。）如果各类参数超过8路，则可用适当模块进行扩展。图3是排气温度测量传感器K分度热电偶的调理电路图，热电偶的冷端补偿传感器采用了AD590集成温度传感器测量调理卡的温度。传感器输出的电压信号经高增益仪表放大器7650转换放大后，再经OP07运放后输出到A/D转换电路。图3热电偶温度传感器调理电路图4检测系统软件设计软件平台的设计应依据三个方面来进行，一是内燃机检测系统的硬件配置与建设内容，二是内燃机实验和测试技术实验的目的，三是网络通信的条件。在此基础上，我们按虚拟仪器检测平台的设计思想来分析内燃机测功系统与内燃机检测的软件需求，确定软件平台主要包括信号采集模块、主控模块、设备信息模块、手动测试、程控测试、数据管理和控制信号模块等组成，根据需要，也可扩充故障诊断推理模块，整个软件系统基于图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW开发，网络应用采用B/S模式，基本结构见图4。图4网络检测平台软件系统基本结构以测试模块为例介绍其软件设计与开发。本平台中，测试模块包括手动测试和程控测试两个模块。其中手动测试模块功能是在检测现场由操作人员手动操作进行内燃机的测试实验。程控测试模块是网络远程控制与实验模块，操作人员可以在客户机上利用网络资源，依据预先生成的程控测试文件进行自动测试实验。程控测试文件的确定是测试实验的关键，根据内燃机特征、实验要求、设备状况和实验流程等生成合适的程控文件，在网络上调入此文件即可进行程控实验。程控文件的生成界面如图5所示。图5程控文件生成界面5结束语本文介绍了内燃机测试网络检测平台的总体设计方案。讨论了内燃机测试网络系统硬件平台的构建方法与软件平台的开发技术。选用图形化的虚拟仪器软件开发平台LabVIEW，开发了内燃机测试网络检测平台的应用软件。开发了程控测试功能，实验用户可以根据要求，生成符合要求的程控测试文件，完成程控自动检测流程，实现了资源共享。开发的检测程序具有较强的扩展性，检测数据也可以通过网络实现共享，该平台具有一定的前瞻性和开拓性。参考文献：[1]吴爱娟,商建东.基于虚拟仪器的远程数据测控系统的研究.微计算机信息[J],2008.6-1.[2]明德祥,王跃科,杨俊．一套远程实验室建设的软件解决方案.电脑开发与应用[J].2001，14(03):15－17,20[3]明德祥,王跃科,邓黠等.基于园区网的传感器振动测试平台远程实验系统与技术.计算机测量与控制[J].2002,(07):428-430,433[4]明德祥,王跃科,岳科峰.测试服务器技术与研究.计算机测量与控制[J],2002,(11)：710-713[5]明德祥,王跃科,岳科峰.分布式网络化测试系统的标定服务器技术与研究.计算机测量与控制[J],2003,(03):180-183[6]王跃科,明德祥,熊飞丽.分布式网络化测试系统的组件技术研究与应用.计算机测量与控制[J],2002,(09)：570-572,578[7]钟小鹏,明德祥,王跃科.分布式网络化测试系统的中心服务器技术与研究.计算机测量与控制[J].2002,(10)：645-648第一作者简介：邹锦，男，硕士，现为江苏中圣高科技产业有限公司节能环保事业部工程师，主要从事节能环保设备的检测与研发工作。联系地址：江苏南京江宁区诚信园大道2111号，邮编：211112电话：13813885481