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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。
能源行业分布式能源管理与控制系统方案第一章分布式能源管理概述 (2)1.1 分布式能源管理概念 (2)1.2 分布式能源管理的重要性 (2)1.3 分布式能源管理的发展趋势 (3)第二章分布式能源控制系统设计 (3)2.1 控制系统架构设计 (3)2.2 控制系统硬件设计 (3)2.3 控制系统软件设计 (4)第三章能源监测与数据采集 (4)3.1 数据采集设备选型 (4)3.2 数据传输与存储 (4)3.3 数据处理与分析 (5)第四章能源优化调度策略 (5)4.1 能源需求预测 (5)4.2 能源优化调度算法 (6)4.3 能源优化调度实施 (6)第五章能源管理与控制系统集成 (7)5.1 系统集成设计 (7)5.2 系统集成实施 (7)5.3 系统集成测试 (7)第六章分布式能源安全防护 (8)6.1 安全防护策略 (8)6.2 安全防护设备选型 (8)6.3 安全防护实施与维护 (9)第七章分布式能源管理信息平台 (9)7.1 信息平台架构设计 (9)7.2 信息平台功能模块 (10)7.3 信息平台实施与运维 (10)第八章分布式能源项目实施与管理 (11)8.1 项目实施流程 (11)8.1.1 项目立项 (11)8.1.2 项目设计 (11)8.1.3 项目采购 (11)8.1.4 项目施工 (12)8.1.5 系统调试与验收 (12)8.1.6 项目运行与维护 (12)8.2 项目管理方法 (12)8.2.1 项目进度管理 (12)8.2.2 项目质量管理 (12)8.2.3 项目成本管理 (12)8.2.4 项目风险管理 (12)8.3 项目风险控制 (12)8.3.1 风险识别 (12)8.3.2 风险评估 (13)8.3.3 风险应对 (13)8.3.4 风险监控 (13)第九章分布式能源政策与法规 (13)9.1 政策法规概述 (13)9.2 政策法规对分布式能源的影响 (13)9.3 政策法规的实施与监管 (14)第十章分布式能源管理与控制系统发展趋势 (14)10.1 技术发展趋势 (14)10.2 市场发展趋势 (15)10.3 行业发展趋势 (15)第一章分布式能源管理概述1.1 分布式能源管理概念分布式能源管理是指在能源系统中，通过集成分布式能源资源，实现能源的优化配置、高效利用和智能化调控的一种管理方式。
NI数据采集卡选用指南
1.应用需求：首先需要根据具体的应用领域和需求来确定采集卡的性能指标。
比如，需要考虑采样率、分辨率、输入通道数等参数。
对于高速数据采集，需要选择采样率较高的采集卡；对于精确测量，需要选择具有较高分辨率和较低噪声的采集卡；对于多通道采集，需要选择具有多个输入通道的采集卡。
2.接口类型：NI数据采集卡提供了多种接口类型，如PCI、PCIe、USB等。
需要根据计算机的接口类型来选择合适的采集卡。
PCIe接口的采集卡具有更高的数据传输速度，适用于高速数据采集；USB接口的采集卡具有更好的可移植性，适用于多台计算机之间的数据采集。
3. 软件支持：NI数据采集卡使用LabVIEW软件进行配置和控制，因此需要考虑采集卡是否兼容LabVIEW软件，并且是否具有其他辅助软件支持。
NI数据采集卡提供了丰富的驱动程序和工具箱，可以方便地进行数据处理和分析。
4.成本预算：在选用NI数据采集卡时，需要考虑成本因素。
不同型号的采集卡价格不同，应根据实际需求和预算来选择适合的采集卡。
同时还需要考虑其他相关的配件和软件的成本。
5.售后服务：NI作为一家著名的测试测量设备供应商，具有完善的售后服务体系。
在选用NI数据采集卡时，需要考虑NI的售后服务水平，如技术支持、维修保修等。
总的来说，选用NI数据采集卡需要综合考虑应用需求、接口类型、软件支持、成本预算和售后服务等因素，以选择满足需求并能提供可靠性能的采集卡。
DSP1010路422数据采集卡使用说明DSP一、功能1、ADC输入电压范围-5V~+5V差动。
2、10个独立的AD通道。
3、每通道采样率64Ksps，1ms采集数据64个样点、用FPGA去掉一个最大值和一个最小值后的62个值平均滤波。
4、每1ms用中断方式告诉DSP取走数据。
5、DSP算后的数据写给FPGA的FIFO，FPGA发现FIFO不为空就用两个串口把数据送出去直到FPGA发现FIFO为空。
6、采集板的两个RS422串口波特率为230.4k。
7、晶振精度高于10PPM。
8、6路计数器，记数频率为256K;每路计数器为加计数；每路计数器的计数长度3字节。
9、板子直径为78mm；高度小于12mm。
10、采集板功耗小于500MA,+5V11、采集板存历史数据Flash4M字节。
用于存DSP算后通过串口已经发出的数据，存之前对FALSH进行删除。
12、DSP代码存储器Flash。
13、采集板带DSP选用TMS320C6720。
DSP源代码对用户开放。
14、AD的输入阻抗大于2M欧。
15、保证极限状况下,+5V电源输入实际电压以下60mv的输入信号经跟随器后的失真度小于1%。
16、功能框图：二、设计思路1、系统框图与工作方式参考一、16、功能框图：工作方式：（1）开始和停止：由DSP或两个RS422口向FPGA送入0XAA，系统就开始采集和计数，送入0X55，就停止工作，FPGA对外的三个界面（DSP 的SPI2；两个RS422口）都可以操作系统，最后操作的一个有效。
（2）实时数据上传：开电后默认，一旦开始采集DSP算后的数据交给FPGA后都通过个RS422传走，字节号说明1到3包标识”adi"4到6第一通道的算后值（先低后高字节）7到9第二通道的算后值10到12第三通道的算后值13到15第四通道的算后值16到18第五通道的算后值19到21第六通道的算后值22到24第七通道的算后值25到27第八通道的算后值28到30第九通道的算后值31到33第十通道的算后值（3）计数器的控制：一旦开始采集DSP和两个RS422，任何一个向系统发OX25，系统就将当前的计数值发一次给他。
如何选择数据采集卡？
选择数据采集卡3个基本指标就：是通道数、采样率和分辨率。
选型的关键还是看您用数据采集卡做什么用，千万不要盲目选择数据采集卡。
因为不同的数据采集卡用的地方不同，首先你要确定你的用途，知道用处了才能更好的选型。
用途确定后，查找相应匹配的数据采集卡，查看其参数是否适合你的需求，把不同型号的采集卡作对比，这样才可以挑选出更适合你的。
数据采集板的应用与这些关键词息息相关：
USB采集USB高速采集USB同步采集多通道采集
USB数据采集板USB数据采集卡USB数据采集器
加速度传感器野外数据采集便携式采集器16位AD
USB2.0采集USB2.0接口采集器采集板
便携仪器加速度采集振动采集振动分析波形记录波形分析
爆炸分析地震分析瓦斯爆炸油污分析紫外线油污探测
以西安达泰USB接口高精度数据采集卡为例，其产品为16位高精度USB2.0接口采集卡，型号为DTE3216就意味着这类采集卡A/D转换器分辨率为16bit，数据传输是通过USB 接口，适合于便携式仪器，高精度实时采集。
如果需要采集高速模拟信号，可以选择DTE0820多通道同步采集板，8通道，20MHz 采样率。
采集卡的选择和主要参数图像采集卡是将视频信号经过AD转换后，将视频转换成电脑可使用的数字格式，经过PCI总线实时传到内存和显存。
在采集过程中，由于采集卡传送数据采用PCI Master Burst方式，图像传送速度高达40MB/S，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用CPU时间，留给CPU更多的时间去做图像的运算与处理。
一、采集卡基本原理采集卡有多种种类、规格。
但尽管其设计和特性不同，大多数采集卡的基本原理相同。
近年来，数字视频产品取得了显著发展。
数字视频产品通常需要对动态图像进行实时采集和处理，因此产品性能受图像采集卡的性能影响很大。
由于早期图像采集卡以帧存为核心，处理图像时需读写帧存，对于动态画面还需“冻结”图像，同时由于数据传输速率的限制，因此图像处理速度缓慢。
90年代初，INTEL公司提出了PCI(Peripheral Component Interconnect)局部总线规范。
PCI总线数据传宽度为32/64位，允许系统设备直接或间接连接其上，设备间可通过局部总线完成数据的快速传送，从而较好地解决了数据传输的瓶颈问题。
由于PCI总线的高速度，使A/D转换以后的数字视频信号只需经过一个简单的缓存器即可直接存到计算机内存，供计算机进行图像处理也可将采集到内存的图像信号传送到计算机显示卡显示；甚至可将A/D输出的数字视频信号经PCI总线直接送到显示卡，在计算机终端上实时显示活动图像。
数据锁存器代替了帧存储器，这个缓存是一片容量小、控制简单的先进先出(FIFO)存储器，起到图像卡向PCI总线传送视频数据时的速度匹配作用。
将图像卡插在计算机的PCI插槽中，与计算机内存、CPU、显示卡等之间形成调整数据传送。
由于PCI总线的上述优点，许多图像板卡公司陆续推出了基于PCI总线的图像采集卡，另外还有PC104 plus、Compact PCI等总线形式。
二、与图像采集卡相关技术名词1、DMADMA( Direct Memory Access)是一种总线控制方式，它可取代CPU对总线的控制，在数据传输时根据数据源和目的的逻辑地址和物理地址映射关系，完成对数据的存取，这样可以大大减轻数据传输时CPU的负担。
目录一、概述 (1)二、功能特点 (2)三、技术指标 (3)3.1.数据采样口 (3)3.2通讯接口 (3)3.3机械特性 (4)3.4电源要求 (4)3.5环境 (4)3.6认证资料 (4)四．安装与接线 (5)4.1模块安装 (5)五、通讯设置及通讯协议 (8)5.1ADVANTECH通信协议 (8)5.2MODBUS通信协议 (11)六、软件驱动的安装 (12)七、系统软件使用说明 (13)7.1系统概述 (13)7.2运行环境 (13)7.3软件安装 (13)7.4界面介绍 (14)7.5主菜单栏 (14)7.6工具栏 (14)7.7显示主窗口 (14)7.8建立设备和通讯设置 (15)7.9历史数据 (20)7.10系统退出 (23)八、故障分析与排除 (24)一、概述TP1608采集卡采用工业级双485和标准TPYE-C接口，1608外观时尚简约、小巧便携，可导轨安装。
主要应用于冶金、石油、化工、建材、造纸、食品、制药、热处理和水处理等各种工业现场。
多种功能测试(电压、电流、温度、湿度、压力、振动、频率、流量、液位）轻松实现数据采集、监控、记录、控制等。
本产品与电脑通讯配合上位机软件显示。
模块可以接收多种类型的电流、电压和电阻信号，实现温度、湿度、压力、液位、流量、成分以及力、力矩、位移等物理量的显示、记录、越限监控、报表生成、数据通讯、信号变送以及流量累计等功能。
二、功能特点●本产品显示信息量大、界面友好、操作简单，以下是主要功能及特点：采集卡内部嵌入20种类型信号采集，一个模块即可解决市面上大部分模拟信号采样，类型自由切换，只需一个采集卡就可完成温度、湿度、压力、流量、电压、电流、振动、光照等信号的采集工作●双485口，标准TPYE-C接口，多种协议选择，更好的为您所用，采集卡支持三种协议：modbus-rtu协议、研华Adam4017协议、主动上报协议●完美的隔离保护，更放心、安全的数据采集;电源与通道之间耐压3000VAC(50/60HZ)，通道与通道之间400VAC(50/60HZ)，380V交直流带电测试，无需做绝缘保护，采集口最大承受电压±15V。
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定且变化量为100.00g。
扭矩计标定结果为：Me=-0.45166+0.01828X，通过SPSS软件回归分析得相关系数R=1.00，回归方程系数与常数项t的检验均为Sig<0.01，即相关性非常显著。
标定后测量的误差不大于%26;#177;0.5%，满足国标推荐仪器精度%26;#177;1%的要求。
3．2 转速测量磁电式测速传感器装在测功器主轴60等分的测速齿轮下，主轴每转一圈，传感器输出60个电脉冲信号，设主轴转速为n(r%26;#183;min-1)，脉冲频率为f(Hz)，一分钟输出脉冲信号总数K=60n=60f,推出n=f。
在LabVIEW下，利用频谱分析函数于VI实现信号的快速傅立叶变换，求出信号频率。
因为转速最大为2400r%26;#183;min-1，即脉冲频率f最高不大于2400Hz，根据采样定理，设定采样率fs=5000Hz，采样时间取1s，则采样数N=5000，频率分辨率Δf=fs/N=5000/5000=1Hz。
转速的误差为0.042%，满足国标推荐仪器精度%26;#177;0.5%的要求。
3．3 温度测量温度调理模块设置如表1所示，其中K型热电偶范围参考GB/T16839.1-1997。
表1 热电偶调理模块设置温度类型范围/℃ K型热电偶范围/mV 设置滤波/Hz 环境温度0～50 0～4.096 2000 4 冷却水温50～100 2.023～4.096 1000 4 排气温度100～600 4.096～24.905 200 4 在LabVIEW内设置好虚拟温度通道，LabVIEW内部自动设置用幂函数拟合标定的曲线。
温度系统总误差等于温度采集系统中DAQ卡、系统噪声、增益、漂移冷端补偿等各因素误差的总线。
排气温度计和冷却水温计经过机械要业第三计量测试（广州）站根据国家检定规程JJG368-1984进行了校准，而环境温度计用RTS-60制冷恒温槽（精度0.1℃）进行了校准。
理论误差和校准结构如表2所示。
计量结果验证了NI热电偶测温和冷端补偿的可信度以及温度系统达到了测量要求。
表2 温度计误差分析和校准结果误差类型DAQ卡/μV 漂移/μV 增益/μV 系统噪声/μV 冷端补偿/μV 理论误差/℃校准结果/℃国标要求/℃环境温度%26;#177;4.88 %26;#177;0.25 %26;#177;0.61 %26;#177;0.15 %26;#177;20.23 %26;#177;0.57 0.50 %26;#177;2 冷却水温%26;#177;4.88 %26;#177;0.5 %26;#177;1.23 %26;#177;0.30 %26;#177;20.73 %26;#177;0.6 7 0.25 %26;#177;2 排气温度%26;#177;4.88 %26;#177;0.5 %26;#177;7.47 %26;#177;1.50 %26;#177;20.81 %26;#177;0.8 9 0.34 %26;#177;15 3．4 油耗量测量油耗量用精度为0.01g、最大量程为2000g的GF-2000型多功能精密电子天平称量，计时器为计算机时钟。
误差在国标要求的%26;#177;2%之内。
3．5 空气流量测量泰仪公司生产的A VM-07型流量计能同时测量空气流量和进气温度，出厂时已校准。
流量测试范围为0.0～45.0m/s，精度为%26;#177;3%+0.1，在国标要求的%26;#177;5%之内。
进气温度测试范围为0.0～45.0℃，精度为1℃，在国标要求的为%26;#177;2℃之内。
3．6 烟度测量FBY-1型柴油机烟度计属于滤纸式烟度计，是根据国标GB3846-83和GB3847-83制造的。
测量范围为0～10Rb(波许单位)，分辨率为0.1Rb，满足国标0.3Rb的要求。
测试前，需要需备三张标准吸光纸进行校准。
