Labview发动机性能测试系统开发与测试Word文件下载.docx
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清华大学用虚拟仪器技术构建了一套用来检测汽车发动机性能的出厂检测系统，检测发动机的综合性能。
他们各自从不同的角度对发动机的测试技术做了不同方面的研究。
随着汽车和计算机技术的不断发展，更为全面、更为有效的虚拟发动机分析仪器测试系统将会在汽车发动机测试领域有的较为广阔的应用前景。
在国外的发达国家中，已经普遍的出现了由高新技术该机和完善的汽车发动机测试设备，并逐渐向小型化、智能化、数字化、多功能化和综合化等方面发展。
这些测试系统一般都有精度高、操作简单、实时性好等其他的特点。
但是这种系统还是存在缺点的：
它的通用性比较差、整合度不高、软件开发周期长，随着虚拟仪器技术的广泛应用，这些缺点正逐渐的被克服。
例如美国大熊公司的BEAR-200，BEAR-400型全电脑发动机检测诊断系统，德国的西门子公司开发的CSAT系统，奥地利AVL公式研制开发的PUMA-ISAC系统，德国博世公司退出的FSA6000型发动机综合检测仪等都显示出了当代先进的科学技术。
虽然当前我们国家在发动机测试技术和设备上取得了较大的进展，但是在系统的可靠性、简洁性、技术含量等方面还有较大的改进空间。
而国外的这一系列相关的产品品质虽然很高服务也很好，但是在价格方面通常比国内同系列的产品要高得多。
1.3本课题的研究任务
在充分调查和熟悉开发软件以及相关理论知识的前提下，结合传感技术、动态数据采集技术、信号处理技术为一体，采用硬件与软件相结合的方式，分别开发一套汽车发动机性能测试系统，在这个平台上建立良好的图形界面，建立数据收集，信号控制，数据分析模块，实现试验台自动控制以及数据自动分析和存储。
1.熟悉labview软件，建立一些模拟信号资源。
2.了解目前国内外发动机性能测试系统的主要技术参数，建立测试系统的结构框架。
3.熟悉labview软件中虚拟数据采集控件的使用方法与特点，建立以系统相匹配的采集通道。
4.采用labview图形化语言开发测试系统的软件平台，能够实现数据显示、处理、分析等功能。
5.完成一些典型信号的处理与分析。
6.测试系统的调试与完善。
在系统整合之后，有针对性的进行系能测试，找出其不足之处进行完善。
本课题研究是以计算机为核心的，利用虚拟仪器软件开发平台和labview编程环境进行编程，实现功能，人机界面的生成。
该测试系统的重点在于软件部分，要能够熟练掌握labview图形化的编程语言，并能使用该语言设计出有效的，简洁的，人机界面直观的，操作方便的数据采集处理的显示平台。
第二章虚拟仪器技术
2.1虚拟仪器概念
2.1.1虚拟仪器的定义
一般的测量仪器都是有数据采集、数据分析和数据显示这三个部分组成的。
在传统的测试仪器中，这三个部分都完全由硬件来实现的。
而在微处理器引入之后出现的智能仪器，则可以通过软件来实现智能化，但是仍然需要硬件的支持。
在这种状况下一单仪器被定型之后，其功能也随之而确定了。
由此就可能造成两种情况：
意识仪器中含有一部分使用者不需要的功能，早成了资源的浪费；
二是单一的一台仪器的功能有限，如果要完成复杂的测试任务，就会需要多台不同的仪器同时进行工作，从另外一方面也造成了资源的浪费。
对于上述的情况，提出的虚拟仪器的概念。
所谓的虚拟仪（VirtualInstruments简称VI）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量等一些其他的应用。
其灵活的软件创建完全自定义的用户界面、模块化的硬件可以方便地为用户提供更为有效的测试需求。
这个也是NI近几十年来能够始终引领测试、测量行业发展趋势的原因所在。
因而只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件以及用于集成的软硬件平台这三个组成部分，才能有效发挥虚拟仪器技术的优势：
性能高、开发周期短、扩展性强以及集成度高。
虚拟仪器的实质就是利用计算机显示功能模拟传统仪器的控制界面，同时以多种形式来表达输出检测的结果，运用计算机强大的软件功能实现对信号数据的运算、分析与处理，再利用一些接口设备完成对信号的测量、采集与分析，来完成测试需求的一套计算机仪器系统。
2.1.2虚拟仪器的特点
虚拟仪器作为一种新型的测试方法，它具有许多其他测试仪器所不具备的特点，具体如下：
（1）虚拟仪器系统中，硬件设施大部分都是通用的，对于不同的系统主要差别在于它的软件部分；
（2）它的数据处理能力十分的强大，原因在于其充分利用了计算机强的计算处理功能。
（3）用户可以根据自己的实际需求来定义、设计来避免仪器中出现不需要的功能，实现资源的有效利用。
2.2虚拟仪器的结构
虚拟仪器系统主要有两大部分组成：
硬件设施和应用软件。
本系统的硬件主要是操作平台。
实现发动机性能参数中信号的处理分析。
由于本系统在信号采集方面利用的虚拟信号，所以一些必要的传感器，数据采集卡等硬件设施没有采用。
一般的虚拟仪器测试系统中，它的传感器、信号调理设备和数据采集卡有硬件实现的，数据分析和数据显示由软件来完成。
这样，在时间测量过程中，只需要使用少量的硬件进行数据采集，而剩余的工作则由软件来完成。
而且这样的测试系统中的硬件设施大多都是通用设备，只要改变应用软件就可以得到新的测量仪器。
此外，用户还可以根据自己的需要来确定系统的功能，这就大大的提高了设备的利用率，降低的成本。
2.2.1硬件部分
本系统的硬件设备主要包括测试发动机、信号采集装置、计算机测控以及显示系统。
该发动机的虚拟测试系统所用的信号传感器、数据采集卡以及虚拟软件均可由用户自己来根据实际的需求来自由地组合。
计算机管理着虚拟仪器的硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。
计算机在显示、数据存储、网络通讯、总线标准等方便作为虚拟仪器的发展提供了很大的便利。
1.传感器
传感器位于该测试系统的最前端，是与发动机直接接触的，其性能对于整个测试系统的影响是最大的，所以在选用时应注意选用高精度、高灵敏度的传感器。
而且，由于测试的参数不同具体用的传感器也不同，如：
转矩转速的检测——转速转矩传感器，温度检测——热电阻传感器。
2.信号调理设备
由于测试所用的传感器不同，其输出的信号类型、性质也不尽相同，在实际运作过程中还存在着一些干扰信号，如果不加任何处理来改善，直接接到数据采集卡中会造成信号的失真，严重的情况还是对数据采集卡造成损害。
因此在传感器信号输入采集卡之前，应根据采集卡的特性对各种传感器的输出信号进行必要的先行处理，让信号电压在采集卡的输入范围内同时滤除信号中的一些干扰波，尽量保证系统所采集到的是无失真的信号。
3.数据采集卡
在信号经由信号调理之后，在传输到计算机上进行分析处理，在此之间需要数据采集卡作为桥梁。
所谓数据采集卡是指从传感器和其他待测设备等模拟与数字被测单元中自动采集费电量或电信号，送到上位机中进行分析、处理。
数据才加卡一般由多路开关、放大器、采样保持器和A/D转换器组成。
其中多路开关将各路信号轮流切换进入的采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内；
采样保持器读取待测信号在某一瞬间的值，并在A/D转换器转换过程中保持信号不变；
A/D转换器将输入的模拟量转化为数字量输出并完成信号幅值的量化。
4.计算机
在整个测试系统中，计算机作为其核心配置，在整个系统运行过程种豆离不了计算机的控制。
在本次课题所编程开发的发动机性能测试系统中，它的操作平台选用的是计算机，而没有使用开干扰与可靠性很强的工业控制计算机，这里的原因是工业控制计算机适用于相对成熟、完善的软件系统，其软件开发能力比较低，通用性差，因此不合适于课题的开发研究。
同时还有一个原因就是当今普通的计算机价格比较低，而且存储能力，软件可开发能力都比较的强，通用性好，性价比相对的比较高，有利于系统的调试完善。
综合考虑课题的实际需求和目的，还是普通计算机更具有实用性。
2.2.2软件部分
1.组成
软件是虚拟仪器的核心灵魂。
虚拟仪器的软件框架由低到高分为：
VISA库、仪器驱动程序、应用程序三部分。
VISA库是标准的I/O函数及其相关规范的总称，是一个可调用的操作函数集，主要用于实现计算机与仪器间的软件方面的连接。
仪器驱动程序是应用程序实现仪器控制的桥梁。
应用软件是操作用户直接面对和使用的程序，应具有良好的操作界面和强大的数据分析、处理能力。
2.软件功能
该发动机性能测试系统的软件应具有下列功能：
数据采集：
读取数据采集设备输出的数据；
数据分析：
对读取的数据进行分析、处理和存储；
信号控制：
实现即时信号的控制。
3.软结构规划
由于系统进行以下几个方面的测试：
怠速测试、负荷特性测试以及万有特性测试，所以软件的结构设计也是根据这几个方面的测试进行对应设计的。
2.3虚拟仪器的开发品台——labview
2.3.1labview的概述
labview（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是美国国家仪器公司（NationalInstrument,简称NI）开发的一个具有强大功能的虚拟仪器系统开发程序，目前广泛的应用在工业测试、信号处理、仿真、监控等领域，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件。
labview是一种图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，简称“G”语言。
传统的文本编程语言根据语句与指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而labview则是采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定程序的先后执行顺序。
在程序框图中图标代表的是函数，连线代表的是数据流向。
labview提供了很多外观和传统仪器类似的控件，比如示波器、万用表等，来使得用户方便地创建用户界面。
用户界面在labview中被称之为前面板。
使用图标和连线，可以通过编写程序对前面板上的控件对象进行控制。
这个就是图形化源代码。
labview的图形化源代码在某种程度上类似于数据流程图，因此又可称之为程序框图代码。
前面板上的每个控件对应到程序框图中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据各自的特性以一定的方式实现数据，例如波形图，布尔开关。
labview程序被称为VI，机虚拟仪器，是因为它的很多界面控件与操作都模拟了现实的仪器，比如示波器和万用表等。
labview的核心就是“软件就是仪器”。
labview还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储等。
这些工具都是向导式的工具，用户只需要按照提示就可以实现与仪器的连接以及参数的设置。
而程序编写者也不需要记忆大量的函数，因为这些函数都是以图表和名称形式存放于面板中的，当需要用到某个函数时把它从函数面板上拖放到程序框图中就好了。
这个方面就体现了图形化的优势。
前面板是labview的图形用户界面，也是VI的虚拟仪器面板。
该界面和真实的物理仪器面板有一定的相似度，它上面有用户输入和输出显示两大类型的对象，分别称为控制元件和显示元件。
在前面板中的控制量模拟了仪器的输入装置并且数据供给VI的框图程序，比如按钮、开关、示波器等多种常见的控制对象；
而显示量则是模拟仪器的输出装备并且显示框图程序生产或获得的数据，例如波形图，仪表盘的窗口等。
程序框图中编写的程序源代码，在程序框图中对VI进行编程，以控制和擦偶偶定义在前面板的输入与输出功能。
程序框图中除了前面板上控件的连线端子以外，还有一些前面板上没有，但是编程必须用到的东西，例如函数，结构等。
labview中的操作模板分为函数模板、控件模板和工具模板（如2.2图中所示），labview程序的创建主要依靠这三个模板完成。
工具模板提供了用于创建、修改、修饰语调试程序的基本工具；
控件模板中有各种控制量和指示器，主要被用来创建前面板中对象，构建程序的用户界面；
函数模板涵盖了编程过程中用到的各种函数、VI程序以及ExpressVI，主要用于构建程序框图中的对象。
控件模板和函数模板中的对象分别按不同类型被安排在不同的子模板中。
图标和连接器是指VI具有层次化和结构化的特征。
一个VI可以作为子程序被其他VI调用。
图标和连接器在这里相当于是图形化的参数。
图2.1函数模板、控件模板、工具模板
2.3.2labview的优点
选择labview作为开发测试的应用程序的以打决定性因素就是他的开发周期短。
一般的，使用labview开发的应用程序的周期大约是其他编程语言的二分之一到三分之二。
在这令人惊讶的速度背后的原因是由于labview易学易用，同时它所提供的工具会使创建测试以及测量应用变得根伟的轻松自在。
labview软件的具体优势主要体现在以下几个方面：
（1）提供了丰富的控件，同时采用图形化的编程方法，相较于繁冗复杂文本编程，它极大的提高了效率；
（2）内奸的编译器会在用户编写程序的同时在后台自动完成相关的编译。
当用户在编写程序的过程中一旦出现错误，它就会立即显示出来。
（3）数据流模型的采用实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器的能力。
（4）通过DLL、CIN节点、ActiveX、NET及MATLAB脚本节点等技术，就可以轻松实现labview与其他软件的混合编程。
（5）通过应用程序生成器可以轻视的发布EXE、动态链接库或者安装包。
（6）labview提供了大量的驱动程序与专用工具，几乎能够与任何接口的硬件连接。
（7）labview内建立了600多个分析函数，用来处理函数，分析数据。
（8）NI也同时提供了丰富的附加模块，用于扩展labview在不同领域中的应用。
2.3.3labview的应用
目前，随着虚拟技术的飞速发展，labview已经广泛的应用在航空航天、通信、汽车、半导体、生物技术等其他领域。
labview的主要应用可以体现在以下几个方面：
1.自动化测试与测量平台
在测试和测量方面，labview已经成为这个领域的工业标准，它提供的许多的开发工具是繁冗复杂的测试和测量任务变得简易。
labview可以通过PXI、PCI、USB等总线方式和插卡式数据采集卡等少量的硬件设施构成实际的数据采集系统。
labview的仪器驱动程序库是工业领域最为庞大的，能够实现与众多仪器设备的兼容。
同时，它还支持通过Internet、ActiveX、DDE等交互式通信方式来共享数据。
2.数据分析处理平台
LabVIEW提供了功能强大的高级数据分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等科学计算模块，可以满足大多数的计算和分析需要。
在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析领域，LabVIEW也提供了专门的附加软件包。
3.原型设计平台
LabVIEW还可以利用高效的设计应用、仿真、以及仿真数据与真实测量之间进行比较。
将LabVIEW和测量工具集成至附加的设计和仿真工具中，就可以在设计过程轻松的将真实世界的测试工具与仿真模型进行比较，找出设计环节中的缺陷，从而可以减少设计反复，获得高产量的产品。
2.4虚拟仪器的发展
近年来，虚拟仪器的发展非常迅速，正朝着总线与驱动程序标准化、软硬件模块化、硬件模块即插即用化、编程图形化等方向发展。
1.PXI规范
为了提高虚拟仪器和基于计算机的测试系统的性能，VXI标准被制定并且作为计算机化仪器的一个重要发展方向。
VXI仪器是一种插卡式的仪器，每一种仪器都是一个插卡，这些卡式仪器本身没有面板，其面板仍然通过虚拟的方式在计算机屏幕上出现。
这些卡插入标注的VXI机箱，再与计算机连接，组成一个测试系统。
但是VXI仪器价格昂贵，无法实现大面积推广。
为了解决这个问题，NI公司推出了一种价格较为便宜的PXI（面向仪器的PCI扩展，PCIeXtensionsforInstrumentation）标准仪器。
PXI在坚固的模块化结构中结合了高速度、高性能的PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线和高级定时及触发特性。
使用PXI系统不仅能实现所有PCI系统的功能，而且能适合于工业环境，并获得无与伦比的集成性。
由于结合了商业PCI技术和面向仪器扩展的工业化坚固结构，PXI提供完整的基于PC的平台，而且这种平台为高性能测量和自动化解决方案进行了优化设计。
由于PXI是基于模块化CompactPCI规范和高速PCI总线架构的，使得PXI产品能完全和CompactPCI产品协同工作，并且比台式计算机有更高的机械集成度、简化的系统集成能力和更加的扩展插槽。
PXI定义的针对软件的标准进一步简化了系统的集成，包括使用标准的操作系统架构如Windows，以及所有外设的驱动程序。
PXI模块化、可扩展的架构提供了一个统一的平台，能把所有的测量设备、装置和计算机集成在同一台机箱里，并且可以很方便的扩展到多个机箱。
因此，目前和今后的很长一段时间内，PXI将是虚拟仪器中最完善的基于PC的测试平台。
2.网络化仪器控制
虚拟仪器研究的一个主要问题就是各种标准仪器的互连以及与计算机的连接，即仪器控制。
目前，随着网络技术的不断发展，出现了具备强大网络通信功能的远程虚拟仪器，这种虚拟仪器支持TCP/IP、UDP等协议。
NI公司还开发了一种DataSocket技术，这种技术可以使虚拟仪器很容易的在互联网上实现高速实时数据交换。
下一代虚拟仪器还将具备能够快速方便的与蓝牙（BlueTooth）、无线及其它标准融合的网络技术。
除了这些技术之外，下一代虚拟仪器还应能更好的描述与设计分布式系统之间的定时和同步关系，以便帮助用户快速的开发和控制所需的系统。
2.5本章小结
本章相对比较详细的介绍了虚拟仪器的概念、结构，并通过它与其他仪器的相互比较，说明了虚拟仪器的性能特点。
同时又对本课题所选用的虚拟仪器软件的开发平台——LabVIEW及其编程的特点与软件的构成进行了比较详细的介绍和说明。
然后介绍了LabVIEW主要应用的几个方面，最后指出了虚拟仪器技术的发展趋势。
第三章测试系统的总体设计思路
一般的汽车发动机性能测试系统涉及的范围比较广，设计也相对比较复杂。
所以在具体设计前，我们应该对我们所设计的系统做一个了解，分析我们这个系统的目的、功能、软硬件设备等一系列的因素，这样我们才能设计出我们所需要的系统。
3.1测试系统的功能及设计要求
3.1．1系统的功能
一般情况下，通常的汽车发动机系能测试是检测运行中发动机的各项参数，来了解发动机的一些特性，来评价这个发动机的性能是否优良。
基于这些情况，本课题的测试系统做了以下几个方面的测试：
1.怠速性测试
该测试主要针对汽车发动机的一些基本性能参数，例如发动机怠速时的转速，燃油消耗量，排气温度等。
2.负荷特性测试
该测试是用于测试发动机的负荷特性，通过负荷特性可以直观的显示出发动机在相同的转速，不同的负荷下运转的经济性以及排气温度等参数，这些是比较发动机性能的依据。
3.万有特性测试
该测试和负荷特性测试有一定的关联，万有特性测试就是多个负荷特性曲线综合处理而得出的。
万有特性可以分析出工况变化范围大的发动机在各种工况性能。
3.1.2测试系统的整体设计要求
1.该测试系统应具有良好的稳定性与可靠性来保证测试实验的质量。
2.该测试系统要求巨白强大的数据处理和分析能力，能够分析计算采集到的各项参数。
3.该测试系统应具备较好的实时性来显示发动机性能参数的变化。
4.该测试系统应具备较好数据显示功能。
5.该测试系统应具备界面直观友好，操作简单。
3.2系统的整体设计方案
整个系统分为硬件和软件两个部分。
硬件方面由于条件限制，本设计主要针对的是模拟信号的处理，对硬件不做过多的阐述。
软件方面，本设计是针对模拟信号进行处理的，软件是设计中的重中之重。
所以软件在编写过程要考虑以下几个方面：
（1）针对性
应根据本系统的实际检测要求和系统特性来设计。
对于本系统，应遵照各个子系统的测试要求及相关试验规范有针对性的设计该发动机的相关软件及测试过程。
（2）可操作性
在程序的设计及开发过程中应尽量减少对操作人员的专业技能要求,尽可能做到使操作人员简单明了,不用太长时间培训就能熟练掌握软件的操作技能,保证工作的质量及高效性。
（3）可靠性
与硬件的可靠性一样，软件的可靠性同样非常重要。
因此，在软件设计时应尽量采用模块化的设计，这样在软件的调试和修改时会非常方便。
同时，在程序设计时应有错误诊断程序，可以使程序具有自动识错功能，在程序出错时及时进行处理。
3.3.3软件平台的选择
该系统是基于LabVIEW的汽车发动机性能测试。
对虚拟仪器来说软件就是仪器，因此软件是该系统的最主要的组成部分。
软件平台的选择是软件开发的前提。
基于优秀的软件平台，进而就能在短时间内开发出实用性强、界面友好、效率高和操作简单的应用程序。
所以在这里选用labview作为开发的软件平台。
第四章软件模块的设计与编写
4.1检测系统的总体框架设计
软件是一个检测系统的核心与灵魂。
系统性能的好坏基本上取决于软件系统的编写。
4.2登陆界面程序的编写与设计
登陆界面有一个whlie循环结构个事件结构组成的。
用户需要输入正确的用户名、密码并且选择身份类型才能进入测试系统。
当成功登陆后，登录结果界面中会显示：
登陆成功！
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