基于PXI和CompactRIO的高压共轨燃油喷射系统测控平台
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介绍：
为了研究内燃机机高压共轨燃油喷射技术，使用一部分柴油机真实部件，结合 NI 的 CRIO 实时控制 器和若干 I/O 模块开发了硬件在环仿真模块进行实时仿真计算，并按计算结果控制电机运转模拟真实内燃 机的工况，电机带动一个绝对值角标发生器和一个高压燃油泵；信号采集部分使用 CRIO9151 扩展槽和 CRIO 采集模块，通过 PXI 和 7813R 采集卡的数字 I/O 同步采集若干路压力、温度、位移和脉冲电流信号。控制 部分和测量部分通过 CANBUS 通信并与绝对值角标发生器产生信号保持同步。
图 10 CRIO 控制器上的仿真部分程序 控制器上的仿真计算程序如图 10 所示，该部分程序使用 Labview 和 Labview RT、FPGA 模块开发完成。 本仿真采用的是循环平均值模型，首先根据启动阀是否开启、电机是否运转、是否有燃油喷射等参数实时 判断 ECU（电控单元）当前的状态；然后再根据采集到的具体数值实时计算出电机转速、扫气压力等数据， 并通过 DMA 传给 FPGA 上运行的程序。 5．小结 本系统结构复杂、信号数量较多，但是得益于 NI 公司高性能的硬件以及 Labview 功能齐全的开发模 块、与硬件之间良好的兼容性，我们在实现该系统时节省了大量的时间，并取得了可靠、稳定的效果。相 信 NI 的产品在该行业会有更深入的应用。
图 1 高压共轨燃油喷射系统原理 ECU 按照其内部存储的不同工况的设定参数调整高压燃油轨中的燃油压力（Pressure）和喷射控制电 磁阀的开启、关闭时间（Time）。在某一工况下，ECU 通过 2.压力传感器监测燃油压力，并通过调整 PWM 信号的占空比控制 6.燃油蹦控制电磁阀的开启时间控制燃油压力保持稳定，达到控制喷油压力的目的。 ECU 使用 24VDC、1A（也可为其他标准，视具体电磁阀而定）脉冲信号在设定的角度打开、关闭电磁阀， 达到控制喷油时间、喷油脉宽和喷油量的目的。 2．测控平台框架结构 测控平台中角标发生器、电控单元和高压共轨燃油喷射系统中的油泵、高压共轨油管、电磁阀、喷 油器等采用的是某一型号柴油机的真实部件，另选用电机作为油泵和角标发生器的动力源。 按照低耦合高内聚的设计原则，将信号监测和 HIL 仿真在功能上和物理上独立开。如图 2 所示，信 号监测以 PXI 为主体，主要负责实时采集、显示燃油喷射系统的状态参数，主要包括燃油泵转速、角标、 燃油泵出口压力、高压燃油轨压力、高压燃油轨温度、喷油量等，以及 ECU 的控制信号，包括启动控制 信号和燃油 PT 控制信号等。此外，该部分还需要实现数据存储，以便离线时详细分析。为了满足对高压 燃油喷射系统性能和 ECU 控制效果的详细分析，上述各路信号采样时必须保持同步。 HIL 仿真以 CRIO 控制器为主，实时监测 ECU（电控单元）发出的控制信号和燃油喷射系统每循环的 喷油量。本文的研究对象是柴油机，启动时需要 ECU（电控单元）控制辅助设备协助，因此需要监测 ECU （电控单元）的启动控制信号确定电机启动的时间点。在某一工况下，CRIO 按照采集到的每循环喷油量 和控制台设定负荷的模拟信号实时计算出相应的转速并及时调整电机的转速。同时，由于“扫气压力”是 ECU（电控单元）修整喷油量和喷油脉宽的参数之一，因此 CRIO 还需要根据当前的转速、负荷、喷油量 等参数及时计算出“扫气压力”并转化为模拟信号提供给 ECU（电控单元）。
图 3 信号监测 NI 硬件结构 为实现 CAN 通讯，选用了 PXI 8484 2 port 的高速 CAN 卡。由于信号数据教多，若干信号还需要按角 度顺序组合成数组后以波形的方式显示出来，因此选用了 CUP 和内存等硬件配置较高的 NI PXI 8106 控制 器。机箱选用的是 8 槽的 NI PXI 1042 Q 静音型机箱。 信号监测采用的硬件照片如图 4 所示：
应用领域：针对 ECU/ECM 的快速 原型和硬件在环测试
基于 PXI 和 CompactRIO 的高压共轨燃油喷 射系统测控平台
作者：王征 公司：武汉理工大学能源与动力工程学院
Tel: (021) 5050 9800 Email: @
基于 PXI 和 CompactRIO 的高压共轨燃油喷射系统测控平台
作者：王征 公司：武汉理工大学能源与动力工程学院
应用领域：工业领域 挑战：为了深入研究内燃机高压共轨燃油喷射系统，需要对其多种状态参数以及其控制单元的控制信号
进行实时监测，并能够及时保存以供事后进行详细分析。同时，为了降低试验成本，需要开发一个能与燃 油喷射系统以及电控单元进行实时交互的仿真模块代替真实的缸内燃烧过程。
应用方案：使用 NI 公司的 PXI 和 R 系列采集卡搭建信号监测系统，使用 CRIO 和 I/O 模块模块搭建实时
仿真系统，使用 Labview8.2 和 RT 模块、FPGA 模块开发信号采集和控制程序。
使用产品：
Labview 8.2、RT 模块、FPGA 模块 信号监测： PXI 1042 Q 机箱 PXI 8106 控制器 PXI 8464-2 CAN 通讯卡 PXI 7831R 采集卡 CRIO 9151 扩展槽 CRIO 9215 I/O 模块 CRIO 9411 I/O 模块 仿真模块： CRIO 9104 机箱 CRIO 9012 控制器 CRIO 9215 I/O 模块 CRIO 9481 I/O 模块 CRIO 9265 I/O 模块 CRIO 9221 I/O 模块 CRIO 9853 I/O 模块
图 4 信号监测 NI 硬件照片 2）HIL 仿真
HIL 仿真需要一定的计算能力和实时性，因此单独使用一个 NI 公司生产的 CRIO 控制器实现。 如图 5 所示，CRIO 的机箱选择的是 CRIO 9104，该机箱有 8 个 slot，并配置了 3M 的 FPGA。控制器选择的 是 CRIO 9012，该控制器配置了 400 MHz 处理器, 128 MB 非易失性存储介质, 64 MB DRAM 内存，以及网卡、 USB、RS232 等接口。
角标发生器使用的是 SSI 接口（Synchronous Serial Interface，同步串行接口）输出 TTL 电平信号表示 12 位二进制码。时钟信号由 ECU（电控单元）提供，选用 NI CRIO 9411 模块以伴随的方式读取 TTL 电平信 号并通过 FPGA 上通过设计的软件将信号转换为表示角度的二进制码。NI CRIO 9411 是 6 通道 TTL 数字输 入/输出模块，最大分辨率 500ns。
图 2 测控平台框架结构 因为在某些试验中需要电机按某一人工设定的转速运转，所以设计试验人员可通过 PXI 的界面设置 参数，并通过 CAN 总线将参数传给 CRIO 控制器。此时 CRIO 控制器将忽略喷油量和负荷等参数的变化， 使电机转速保持稳定。 3．硬件方案 1）信号监测 为了能准确反映并分析燃油压力波动、喷油器针阀升程、电磁阀延迟等因素对喷油压力、油雾形状
使用了 NI CRIO 9215 模块实现信号采集和 A/D 转换。该模块有 4 路±10V 差分输入通道，每通道单独 配有一个 16 位 A/D 转换芯片，可实现每通道 100K 的同步采样。为了满足同步采集 30 余路信号的需要， 共选用了 9 块 NI CRIO 9215。由于 NI CRIO 9215 只能输入±10V 电压信号，因此使用了精密电阻、霍尔式非 接触传感器对不满足要求的信号进行了转变。
图 7 “燃油喷射模块”X Control 程序
图 8 信号监测系统界面 为了使软件功能容易扩展或修改，软件设计时采用了软件工程的方法对信号监测系统软件进行了模 块划分，除了按功能模块设计子程序外，还使用 Labview 8.2 提供的 X Control 功能，自定义了大量满足个 性需求的复杂控件，图 7 是自定义的“燃油喷射模块”控件 X Control 程序框图。图 8 是信号监测系统的主 界面。 2）HIL 仿真 HIL 仿真的软件也按运行硬件分为 FPGA 和控制器两部分。如图 9 所示，FPGA 上可同步运行若干个循 环，相互之间不会产生影响。FPGA 上运行的程序与控制器上运行的程序可通过 NI 提供的 DMA、握手和 中断三种方式进行数据交换，本程序中采用的是 DMA 方式。
CRIO 9104 的 8 个 slot 插入了 5 个 CompactRIO I/O 模块。S1 和 S2 插入的 NI9215 模块，该模块是 4 通道±10 V 电压 16 位同步采样模拟输入模块，主要负责采集输入“油泵转速”、“燃油喷油量”以及控制台发
出的“负荷控制”信号； S3 插入 NI9481 模块，该模块是用于 CompactRIO 的 4 通道 EM Form A 单刀单掷继 电器模块，主要负责为了防止干扰信号使电机缓慢转动而输出一个预先设置的逻辑开关信号；S4 插入 NI9265 模块，该模块是 4 通道 4-20mA 电流 16 位同步更新模拟输出模块，主要负责输出控制电机转速的 模拟信号；S5 插入 NI9221 模块，该模块是 8 通道±60 V 电压 12 位模拟输入模块，负责采集 ECU（电控单 元）发出的 5 路空气启动阀开启信号；S6 插入 NI9853 模块，该模块是 2 端口高速 CAN 模块，该主要负责 与 PXI 或其他设备提供通讯接口。
的影响，需要同步采集 30 余路信号，各路信号间的时间误差不能超过 500us。因此，采集卡选用了 NI PXI 7813R 实时采集卡。该卡有 192 路同步数字 I/O，并配有 3M 门的 FPGA，可通过 LABVIEW 的 FPGA 模块编 写运行在其 FPGA 上的程序实现多通道高速同步采样
图 5 HIL 仿真 NI 硬件结构 HIL 仿真采用的硬件照片如图 6 所示：
图 6 HIL 仿真 NI 硬件照片 4．软件方案
1）信号监测 信号采集和监测的软件分为两个部分。一部分是运行在 FPGA 上的程序，该部分程序使用 Labview 和 Labview FPGA 模块开发完成，主要完成从各 I/O 模块的通道采集信号、滤波等功能；另一部分是运行在 PXI 控制器上的程序，该部分程序主要完成信号数据整理、监测显示、数据存储等功能。
为了研究内燃机机高压共轨燃油喷射技术，使用一部分柴油机真实部件，结合 NI 的 CRIO 实时控制 器和若干 I/O 模块开发了硬件在环仿真模块进行实时仿真计算，并按计算结果控制电机运转模拟真实内燃 机的工况，电机带动一个绝对值角标发生器和一个高压燃油泵；信号采集部分使用 CRIO9151 扩展槽和 CRIO 采集模块，通过 PXI 和 7813R 采集卡的数字 I/O 同步采集若干路压力、温度、位移和脉冲电流信号。控制 部分和测量部分通过 CANBUS 通信并与绝对值角标发生器产生信号保持同步。
图 10 CRIO 控制器上的仿真部分程序 控制器上的仿真计算程序如图 10 所示，该部分程序使用 Labview 和 Labview RT、FPGA 模块开发完成。 本仿真采用的是循环平均值模型，首先根据启动阀是否开启、电机是否运转、是否有燃油喷射等参数实时 判断 ECU（电控单元）当前的状态；然后再根据采集到的具体数值实时计算出电机转速、扫气压力等数据， 并通过 DMA 传给 FPGA 上运行的程序。 5．小结 本系统结构复杂、信号数量较多，但是得益于 NI 公司高性能的硬件以及 Labview 功能齐全的开发模 块、与硬件之间良好的兼容性，我们在实现该系统时节省了大量的时间，并取得了可靠、稳定的效果。相 信 NI 的产品在该行业会有更深入的应用。
图 1 高压共轨燃油喷射系统原理 ECU 按照其内部存储的不同工况的设定参数调整高压燃油轨中的燃油压力（Pressure）和喷射控制电 磁阀的开启、关闭时间（Time）。在某一工况下，ECU 通过 2.压力传感器监测燃油压力，并通过调整 PWM 信号的占空比控制 6.燃油蹦控制电磁阀的开启时间控制燃油压力保持稳定，达到控制喷油压力的目的。 ECU 使用 24VDC、1A（也可为其他标准，视具体电磁阀而定）脉冲信号在设定的角度打开、关闭电磁阀， 达到控制喷油时间、喷油脉宽和喷油量的目的。 2．测控平台框架结构 测控平台中角标发生器、电控单元和高压共轨燃油喷射系统中的油泵、高压共轨油管、电磁阀、喷 油器等采用的是某一型号柴油机的真实部件，另选用电机作为油泵和角标发生器的动力源。 按照低耦合高内聚的设计原则，将信号监测和 HIL 仿真在功能上和物理上独立开。如图 2 所示，信 号监测以 PXI 为主体，主要负责实时采集、显示燃油喷射系统的状态参数，主要包括燃油泵转速、角标、 燃油泵出口压力、高压燃油轨压力、高压燃油轨温度、喷油量等，以及 ECU 的控制信号，包括启动控制 信号和燃油 PT 控制信号等。此外，该部分还需要实现数据存储，以便离线时详细分析。为了满足对高压 燃油喷射系统性能和 ECU 控制效果的详细分析，上述各路信号采样时必须保持同步。 HIL 仿真以 CRIO 控制器为主，实时监测 ECU（电控单元）发出的控制信号和燃油喷射系统每循环的 喷油量。本文的研究对象是柴油机，启动时需要 ECU（电控单元）控制辅助设备协助，因此需要监测 ECU （电控单元）的启动控制信号确定电机启动的时间点。在某一工况下，CRIO 按照采集到的每循环喷油量 和控制台设定负荷的模拟信号实时计算出相应的转速并及时调整电机的转速。同时，由于“扫气压力”是 ECU（电控单元）修整喷油量和喷油脉宽的参数之一，因此 CRIO 还需要根据当前的转速、负荷、喷油量 等参数及时计算出“扫气压力”并转化为模拟信号提供给 ECU（电控单元）。
图 3 信号监测 NI 硬件结构 为实现 CAN 通讯，选用了 PXI 8484 2 port 的高速 CAN 卡。由于信号数据教多，若干信号还需要按角 度顺序组合成数组后以波形的方式显示出来，因此选用了 CUP 和内存等硬件配置较高的 NI PXI 8106 控制 器。机箱选用的是 8 槽的 NI PXI 1042 Q 静音型机箱。 信号监测采用的硬件照片如图 4 所示：
应用领域：针对 ECU/ECM 的快速 原型和硬件在环测试
基于 PXI 和 CompactRIO 的高压共轨燃油喷 射系统测控平台
作者：王征 公司：武汉理工大学能源与动力工程学院
Tel: (021) 5050 9800 Email: @
基于 PXI 和 CompactRIO 的高压共轨燃油喷射系统测控平台
作者：王征 公司：武汉理工大学能源与动力工程学院
应用领域：工业领域 挑战：为了深入研究内燃机高压共轨燃油喷射系统，需要对其多种状态参数以及其控制单元的控制信号
进行实时监测，并能够及时保存以供事后进行详细分析。同时，为了降低试验成本，需要开发一个能与燃 油喷射系统以及电控单元进行实时交互的仿真模块代替真实的缸内燃烧过程。
应用方案：使用 NI 公司的 PXI 和 R 系列采集卡搭建信号监测系统，使用 CRIO 和 I/O 模块模块搭建实时
仿真系统，使用 Labview8.2 和 RT 模块、FPGA 模块开发信号采集和控制程序。
使用产品：
Labview 8.2、RT 模块、FPGA 模块 信号监测： PXI 1042 Q 机箱 PXI 8106 控制器 PXI 8464-2 CAN 通讯卡 PXI 7831R 采集卡 CRIO 9151 扩展槽 CRIO 9215 I/O 模块 CRIO 9411 I/O 模块 仿真模块： CRIO 9104 机箱 CRIO 9012 控制器 CRIO 9215 I/O 模块 CRIO 9481 I/O 模块 CRIO 9265 I/O 模块 CRIO 9221 I/O 模块 CRIO 9853 I/O 模块
图 4 信号监测 NI 硬件照片 2）HIL 仿真
HIL 仿真需要一定的计算能力和实时性，因此单独使用一个 NI 公司生产的 CRIO 控制器实现。 如图 5 所示，CRIO 的机箱选择的是 CRIO 9104，该机箱有 8 个 slot，并配置了 3M 的 FPGA。控制器选择的 是 CRIO 9012，该控制器配置了 400 MHz 处理器, 128 MB 非易失性存储介质, 64 MB DRAM 内存，以及网卡、 USB、RS232 等接口。
角标发生器使用的是 SSI 接口（Synchronous Serial Interface，同步串行接口）输出 TTL 电平信号表示 12 位二进制码。时钟信号由 ECU（电控单元）提供，选用 NI CRIO 9411 模块以伴随的方式读取 TTL 电平信 号并通过 FPGA 上通过设计的软件将信号转换为表示角度的二进制码。NI CRIO 9411 是 6 通道 TTL 数字输 入/输出模块，最大分辨率 500ns。
图 2 测控平台框架结构 因为在某些试验中需要电机按某一人工设定的转速运转，所以设计试验人员可通过 PXI 的界面设置 参数，并通过 CAN 总线将参数传给 CRIO 控制器。此时 CRIO 控制器将忽略喷油量和负荷等参数的变化， 使电机转速保持稳定。 3．硬件方案 1）信号监测 为了能准确反映并分析燃油压力波动、喷油器针阀升程、电磁阀延迟等因素对喷油压力、油雾形状
使用了 NI CRIO 9215 模块实现信号采集和 A/D 转换。该模块有 4 路±10V 差分输入通道，每通道单独 配有一个 16 位 A/D 转换芯片，可实现每通道 100K 的同步采样。为了满足同步采集 30 余路信号的需要， 共选用了 9 块 NI CRIO 9215。由于 NI CRIO 9215 只能输入±10V 电压信号，因此使用了精密电阻、霍尔式非 接触传感器对不满足要求的信号进行了转变。
图 7 “燃油喷射模块”X Control 程序
图 8 信号监测系统界面 为了使软件功能容易扩展或修改，软件设计时采用了软件工程的方法对信号监测系统软件进行了模 块划分，除了按功能模块设计子程序外，还使用 Labview 8.2 提供的 X Control 功能，自定义了大量满足个 性需求的复杂控件，图 7 是自定义的“燃油喷射模块”控件 X Control 程序框图。图 8 是信号监测系统的主 界面。 2）HIL 仿真 HIL 仿真的软件也按运行硬件分为 FPGA 和控制器两部分。如图 9 所示，FPGA 上可同步运行若干个循 环，相互之间不会产生影响。FPGA 上运行的程序与控制器上运行的程序可通过 NI 提供的 DMA、握手和 中断三种方式进行数据交换，本程序中采用的是 DMA 方式。
CRIO 9104 的 8 个 slot 插入了 5 个 CompactRIO I/O 模块。S1 和 S2 插入的 NI9215 模块，该模块是 4 通道±10 V 电压 16 位同步采样模拟输入模块，主要负责采集输入“油泵转速”、“燃油喷油量”以及控制台发
出的“负荷控制”信号； S3 插入 NI9481 模块，该模块是用于 CompactRIO 的 4 通道 EM Form A 单刀单掷继 电器模块，主要负责为了防止干扰信号使电机缓慢转动而输出一个预先设置的逻辑开关信号；S4 插入 NI9265 模块，该模块是 4 通道 4-20mA 电流 16 位同步更新模拟输出模块，主要负责输出控制电机转速的 模拟信号；S5 插入 NI9221 模块，该模块是 8 通道±60 V 电压 12 位模拟输入模块，负责采集 ECU（电控单 元）发出的 5 路空气启动阀开启信号；S6 插入 NI9853 模块，该模块是 2 端口高速 CAN 模块，该主要负责 与 PXI 或其他设备提供通讯接口。
的影响，需要同步采集 30 余路信号，各路信号间的时间误差不能超过 500us。因此，采集卡选用了 NI PXI 7813R 实时采集卡。该卡有 192 路同步数字 I/O，并配有 3M 门的 FPGA，可通过 LABVIEW 的 FPGA 模块编 写运行在其 FPGA 上的程序实现多通道高速同步采样
图 5 HIL 仿真 NI 硬件结构 HIL 仿真采用的硬件照片如图 6 所示：
图 6 HIL 仿真 NI 硬件照片 4．软件方案
1）信号监测 信号采集和监测的软件分为两个部分。一部分是运行在 FPGA 上的程序，该部分程序使用 Labview 和 Labview FPGA 模块开发完成，主要完成从各 I/O 模块的通道采集信号、滤波等功能；另一部分是运行在 PXI 控制器上的程序，该部分程序主要完成信号数据整理、监测显示、数据存储等功能。
