基于VXI的发动机多参数测控系统系统设计概要.docx

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基于VXI的发动机多参数测控系统系统设计概要

发动机多参数测控系统设计

院别:

控制工程学院

课程名称:

测控系统设计

实验教室:

6109

指导教师:

蒋世奇

小组成员（姓名，学号）:

汪洋令2011071070

唐鑫2011071046

彭维竹2011071047

朱余双2011071058

实验日期：

2014年12月01日

评分：

目录

论文总页数：

12页

1、背景-2-

2、需求分析-2-

2.1VXI总线-3-

2.2VXI测试系统-3-

2.3主机箱-4-

2.4数据采集模块-4-

2.5零槽控制器-4-

2.6应用软件-4-

3、VXI总线开发流程-5-

4、测试对象特性及主要测试任务-5-

5、VXI总线测控系统集成-6-

5.1主机箱的选择-7-

5.2数据采集模块-8-

5.2.1HPE1564A数据采集模块-8-

5.2.2VXI-1114数据采集模块-8-

5.3零槽控制器的选择-9-

6、VXI总线测控系统组成框图-9-

7、测试系统软件设计-11-

总结-12-

1、背景

随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，使用发动机测量参数在测量和控制领域中的地位也随之越来越高。

传统的发动机的软件主要以测试流程为依据，所有的测试参数、程控指令、测试结果等都内置于软件中，任何一个改变需要程序不断改变，降低了系统的可靠性和可维护性。

如果被测对象有所改变，则软件的可用性就几乎为零，即软件没有通用性和可移植性；数据管理方式不利于型号设计人员提取有效数据。

如何客服这些缺点，开发一种新型的模块化、通用化的软件模式成为VXI软件系统设计的重点。

VXI总线系统是公认的自动测试系统的优秀平台，全世界有100多家VXI仪器生产厂，几千种产品。

犹豫VXI总线系统采用标准化、模块化结构，并且VPP联盟制定的虚拟仪器软件结构（VISA）解决了应用软件开发环境与计算机-仪器接口兼容性问题，在组建测试系统时可采用通用VXI模块，减少了硬件开发的时间，使得主要工作集中在测试软件的编写与调试方面。

由此引出了本文的课题：

基于VXI的发动机多参数测控系统。

2、需求分析

虚拟仪器是计算机技术在仪器领域应用中所形成的一种新型、具有强大生命力的仪器种类，它是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、处理、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。

相对传统仪器的物理面板，虚拟仪器具有一个十分友好的用户界面来操作这台计算机，从而完成对被测信号的采集、分析、判断、显示、数据存储，仪器的操作十分简便。

计算机作为一个控制和数据处理中心，使在传统仪器中的由硬件完成的功能改由软件来代替，用户可以通过修改软件来改变仪器的功能。

虚拟仪器由于计算机的参与，其数据的强大处理功能得到体现。

模块化的结构使测试系统的组建变得灵活、容易。

所以，虚拟仪器的出现，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。

虚拟仪器的技术实质是充分利用最新的计算机硬件技术来实现和扩展传统仪器的功能。

具有如下性能特点：

1.灵活性：

有面向总线的接口，功能由用户自己定义，可方便的与网络、

外部设备等连接。

2.功能强大：

基于计算机技术的功能模块可构成多种仪器，可很容易的组

建用户所需要的测试系统。

3.使用方便，易于维护：

在虚拟仪器中，传统的仪器面板被计算机软件在

屏幕上显示的软面板代替。

与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于：

打破了传统仪器的万能功能的概

念，充分利用计算机技术。

强调软件就是仪器的新概念，软件在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的硬件测试功能。

减少了随时间漂移、需定期校准的分立硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度和可重复性等大为提高。

仪器或系统的功能、规模由用户自己定义，加上虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，组建测试系统更加灵活、简单。

虚拟仪器是建立在当今世界上最新的计算机和数据采集技术基础上的，技术更新较快。

随着计算机技术和仪器技术的不断发展，虚拟仪器技术已经有了很大的发展，它已经成为未来仪器设计的必然趋势。

2.1VXI总线

之所以要选择VXI总线，是因为VXI总线是当前乃至下世纪初最先进的仪器总线，VXI总线吸收了VME总线高速通信、便于携带及GPIB总线的易于组合的优点，并兼顾了测量仪器的特征和要求，增加了用于仪器同步的触发总线、各种机箱电源、配电、冷却、电磁兼容等优点，使得测量仪器乃至整个测试系统的性能和速度得到了大幅提高。

它通过标准化的开放结构，把单机和系统、硬件和软件、制造厂与用户的关系规范化，具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用等优点:

最大的灵活性，最小的浪费，降低系统生命周期中的开销。

提高系统生产力，减少测试时间。

更小的尺寸，更高的密度，减少占用的空间，增强便携性，易于接近被测物。

更精确的定时和同步，改变了测量能力。

标准的VXIplug&play软件，简化了系统配置、编程及集成的难度。

模块化、坚固的设计，提高可靠性，增加平均出错时间MTBF，减少平均修复时间MTTR。

2.2VXI测试系统

采用器件→模块→机箱的方式构成系统。

VXI系统的全部总线均集中在多层印刷电路板内，模块与VXI总线通过连接器连接，电源和冷却散热装置为机箱内的全部器件共用并且具有良好的电磁兼容性。

2.3主机箱

VXI主机箱及内插仪器模块一般包括在通用测试设备中，完成对被测信号的测量，VXI主机箱的选择是与所选择的仪器模块相关的，一般需要考虑模块尺寸，插槽数量，连接器，冷却，供电要求等。

VXI主机箱用于为VXI零槽控制器、仪器模块和接口模块提供工作环境。

之所以选择C型尺寸主机箱，是因为它是目前应用最普遍的形式，它能满足多种高性能仪器的需要，且能兼顾成本、性能和屏蔽等多种需要。

2.4数据采集模块

采用VXI-1114数据采集模块，VXI-1114是C型尺寸、寄存器基、4通道的VXI总线仪器模块，连接器为P1，P2。

该模块具有丰富的触发方式，有自由触发、内触发、外触发等多种触发模式。

2.5零槽控制器

测试系统的零槽控制器选择的是AglientE8491BIEEE1394-VXI零槽控制器。

E8491B是带有资源管理器和零槽能力的高速C型尺寸设备，其逻辑地址为0。

E8491B采用双绞线、阻抗特性可变的差分信号实现高速传输，最大数据传输速率为14MB/s（16-bit），提供A32，A24，A16寻址，连接器为P1，P2。

2.6应用软件

系统软件操作平台由选用的VXI总线计算机决定，一般PC机采用WINDOWS操作系统。

VXI总线的系统管理和接口软件由VXI系统0槽控制器提供，包括资源管理器，资源编辑程序，交互式控制程序和编程函数库等。

而专业软件开发平台的选择应符合PnP（即插即用）规范的软件平台，可以选用的开发环境一般可以分为两类：

一类是图形化编程环境，如Labview；一类是传统的程序语言编程环境，如Labwindows/CVI.我们在这使用的是LabView软件设计。

基于LabVIEW平台的测试系统有两个显着特点：

（1）采用VISA-VXI接口卡实现对VXI总线数据读取，从而完成实时测试；

（2）采用VISA标准编程。

作为通用I/0标准，VISA具有与仪器硬件接口无关的特性，VISA资源管理层是应用与仪器之间的桥梁，所有对仪器的操作都需要它来管理，从而保证测试系统有条不紊地运作，控制器对仪器的访问都通过指针实现，这种面向对象的技术使独立的系统很容易扩展成分布式系统，以适应各种测试领域的要求。

3、VXI总线开发流程

要对一个测试系统进行开发，首先我们得确定我们的测试要求，我们需要测量什么，我们得对象是什么，以及对于测量环境的要求，根据我们所需要实现的功能来选取我们所需要的仪器模块，然后我们选择系统模块，与仪器模块相配合，对于一些参数的测量我们还需要根据具体的要求选用专用模块，选择好各个模块后我们就选择主机箱将各个模块进行连接组合，为了保证系统的正常运行，连接好后必须进行主机箱与模块配合情况的校核，最后进行系统的配置以及软件的开发。

VXI总线开发流程如图3-1所示。

图3-1VXI总线开发流程

4、测试对象特性及主要测试任务

采用VXI总线构建一个发动机多参数自动测控系统，用于控制和测量发动机的转速、转矩、功率、燃油/燃气消耗量、温度、压力等各种不同类型的参数。

在柴油发动机的转速测量中，由于转速快，力矩大，要安全的实现发动机转速测量，我们应实现其非接触式的高速测量，我们在设计中采用高精度霍尔传感器来实现转速的精确测量；转矩的测量又说法为扭矩，在测量的过程中，扭力的测量主要靠机械的变化来体现转矩的大小，我们采用磁电式转矩仪来将测量扭力轴的机械变化变换为磁头的相位差，测得其电位差来间接计算转矩的大小；发动机功率的测量实为转速和转矩的测量计算而来的，为了验证系统的正确和稳定性，我们在保证安全的情况下，使用工业化的测功机来进行发动机的功率测量；燃油/燃气的测量中，我们可以直接使用常用的智能油耗仪直接加入测控系统中来，将油面高度转化为电信号的高低来间接展示油面高低。

在柴油发动机正常工作中，油箱内的温度往往能达到几百甚至上千摄氏度，普通的测温元件无法满足这样的工作环境，并且伴有较大的测量误差，为了消除测量过程中的误差，我们使用K型热电偶来实现油箱内高温测量，设计电路实现冷端补偿，消除测量误差；油箱内压力的测量实为测量邮箱内的气体压强，需要能适应高温高压的环境才能准确并安全地测得油箱气体压强。

5、VXI总线测控系统集成

VXI测试系统采用器件→模块→机箱的方式构成系统，VXI系统的全部总线均集中在多层印刷电路板内，模块与VXI总线通过连接器连接，电源和冷却散热装置为机箱内的全部器件共用并且具有良好的电磁兼容性。

VXI总线系统的最小物理单元是组建模块，它由带电子元器件和连接器的组件板、前面板和任选的屏蔽壳组成。

规定的模块尺寸共有有A，B，C，D四种规格。

其尺寸规格如图5-1所示：

图5-1VXI总线系统尺寸规格

在VXI总线系统中，各种命令、数据、地址和其它消息都通过总线传递。

VXI总线系统的各种总线都印制在主机箱内的多层底板上，通过P1/J1、P2/J2、P3/J3连接器与各模块相连接。

5.1主机箱的选择

VXI主机箱用于为VXI零槽控制器、仪器模块和接口模块提供工作环境。

目前，国内市场上的VXI主机箱从应用环境方面分为普通机箱、微波机箱和加固机箱等几种类型。

其中微波机箱主要应用于雷达测试，加固机箱主要应用于车载、建在等环境恶劣的场合，机箱的插槽数有4,6,7,8,13槽之分。

VXI总线系统主机箱通常可以选择B型、C型或D型尺寸。

挑选的时候主要应考虑成本、性能、屏蔽要求和组建方便等因素。

B型尺寸主机箱价格优势明显，特别适用于开关、输入/输出装置、接口、继电器等较简单的功能模块。

对某些要求尺寸小、抗冲击、震动性能特别好的场合，B型尺寸主机箱有一定的优势。

C型尺寸主机箱是目前应用最普遍的形式，它能满足多种高性能仪器的需要，且能兼顾成本、性能和屏蔽等多种需要。

D型尺寸主机箱适用于一些特殊应用场合，如要求定时关系非常严格，要求高速时对称触发或要求使用的本地总线数目多且速度非常快等情况。

D型尺寸主机箱一般均可插入B型、C型尺寸的模块中，它的冷却、屏蔽等问题也容易解决，但其价格明显高于C型尺寸的主机箱。

根据汽车发动机多参数测试的要求，我们选择C型尺寸13槽普通型机箱E8403A。

C型尺寸13槽普通型机箱E8403A实物如图5-2所示。

图5-2C型尺寸13槽普通型机箱E8403A实物

VXI机箱采用13槽C尺寸机箱E8403A，内部包括192路数字I/O、64路A/D、16路D/A、256路多路开关（MUX）、D20系统、波形发生器、万用表等资源，提供了激励UUT和测试UUT响应的基本条件。

程控电源采用HP66000机箱和相应的电源模块，可同时输出8路不同的电源，为UUT提供直流供电条件。

中频电源提供200V/400Hz三相交流电，以满足某些被测组合的特殊供电要求。

5.2数据采集模块

5.2.1HPE1564A数据采集模块

HPE1564A为C型尺寸、寄存器基、4通道的VXI总线仪器模块。

其主要性能指标均为：

最高采样速率可以达到800kS/s；每个通道可以独立工作，且每个通道均有14Bit的A/D转换器；输入信号的满量程范围分别为±0.0625V，±0.25V，±1V，±4V，±16V，±64V，±256V共七档，并且每个通道可以独立程控；共模抑制比为113dB;功率为37.4W；使用FIFO（先进先出）存储器；内存可扩展，根据需要内存大小支持4~128MB；具有多种触发方式。

HPE1564A数据采集模块如图5-3所示。

图5-3HPE1564A数据采集模块

5.2.2VXI-1114数据采集模块

VXI-1114是C型尺寸、寄存器基、4通道的VXI总线仪器模块，连接器为P1，P2。

其主要性能指标为：

最高采样速率可达40MS/s；输入阻抗为1MΩ；每个通道均有12bit的A/D转换器，可以经行并行采样；输入信号的满量程范围分别为±0.125V，±0.25V，±0.5V，±1V，±2V，±4V，±8V，±16V共八档，每通道量程可独立设置；4个通道采样时，每个通道的存储深度为256KB。

该模块具有丰富的触发方式，有自由触发、内触发、外触发等多种触发模式。

其支持的操作系统为Windows9X/2000XP。

VXI-1114数据采集模块如图5-4所示。

图5-4VXI-1114数据采集模块

5.3零槽控制器的选择

测试系统的零槽控制器可选择AglientE8491BIEEE1394-VXI零槽控制器模块。

AglientE8491BIEEE是C型尺寸的VXI消息基模块，它通过工业标准IEEE-1394总线提供PC与VXI主机箱的直接连接。

E8491B是带有资源管理器和零槽能力的高速C型尺寸设备，其逻辑地址为0。

E8491B采用双绞线、阻抗特性可变的差分信号实现高速传输，最大数据传输速率为14MB/s（16-bit），提供A32，A24，A16寻址，连接器为P1，P2。

由于无需关断电源即可自动识别新的IEEE-1394基设备，因而很容易完成它的配置，称这一特性为“热插入”。

E8491B包括C型尺寸VXI零槽模块和一条4.5m的电缆。

AglientE8491BIEEE零槽控制器如图5-5所示。

图5-5AglientE8491BIEEE零槽控制器

6、VXI总线测控系统组成框图

根据之前的需求分析我们可以知道我们需要测量的数据以及测量数据所采用的器件，分析可以知道我们需要测量的是发动的的转速、转矩、功率、油耗、温度和压力，对应的我们分别采用的是霍尔传感器HAL3144、非接触式转矩测量仪、DW系列测功机、ET2500智能油耗仪、K型高温热电偶线、MD-PS002型压力传感器来测量我们所需要的参数，将测得的参数经过信号调理后传给VXI机箱，然后通过VXI机箱与计算机的通信实现对发动机参数的测量的监控。

VXI总线测控系统组成如图6-1所示。

VXI机箱

零槽

其他模块

采集模块

采集模块

图6-1VXI总线测控系统组成

7、测试系统软件设计

VXI总线虚拟仪器的软件主要包括三个部分:

VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板）。

VXI总线接口软件：

由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和编程函数库等。

该软件在编程语言和VXI总线之间建立起连接，提供对VXI背板总线的控制和支持，是实现VXI系统集成的基础。

仪器驱动程序：

仪器驱动程序也称仪器驱动器，是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序。

对VXI总线虚拟仪器而言，也即指系统模块的驱动软件。

应用软件（软面板）：

仪器驱动程序从控制的仪器数目来分，可分为两类，一类是控制单个仪器的驱动程序；另一类是控制多个仪器的驱动程序，这即是利用虚拟仪器的概念，通过编程将多个仪器组合起来，并使用其他如数据分析、处理之类的软件（如支持库），从而产生新的仪器功能。

系统软件测试结构如图7-1所示。

图7-1测试软件结构

主控模块：

负责系统参数的配置和初始化、模块调度和流程控制。

通道配置模块：

连接硬件和软件，并最终将硬件和软件功能完整地结合在一起，作为一个信号传递通道。

系统自检模块：

对系统各硬件模块的功能、通道配置情况、可用性进行测试，以确保系统在正常测试过程中所产生的数据的真实性、有效性和可信性。

通道标定模块：

对所测物理对象的物理量与采集所得的数据对象建立对应和换算关系，标定精度。

数据采集模块：

实现数据采集，并设定采集方式。

数据处理模块：

实现发动机多参数的数据处理。

波形显示模块：

对所测数据和处理结果绘制相应的波形图，并提供波形的显示、放大、缩小和移动等功能。

报表生成模块：

对测试结果按照规定的格式生成报表，并提供预览和打印功能。

数据存储模块：

实现配置数据、实验数据的存储，存储各软件模块产生或输入的数据等。

总结

通过对基于VXI的发动机多参数测控系统的设计，我们提高了分析能力、资料收集能力、设计能力以及撰写论文的能力，通过设计系统硬件、软件使专业知识得到了进一步的巩固与提升，加深了对课程的理解和在实践中的运用。

感谢老师在整个设计过程中对我们提供的大量帮助和支持，没有老师悉心的指导并且用一丝不苟的工作精神和严谨的科学态度来要求我们，我们不可能完成这次的设计任务，老师教给我们的，不止是本次设计，还有今后的努力方向。

感谢小组的每一个成员，大家的团结协作是一个团体的核心精神，大家的共同努力是一个团体成功的保障，望我们能以此次设计为基石，在今后的工作生活中进一步提高、进一步超越！