硕士论文-基于虚拟仪器汽车燃油经济性测试系统的研究与开发

河北工业大学硕士学位论文基于虚拟仪器汽车燃油经济性测试系统的研究与开发姓名：曹晓燕申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：董正身20061001河北工业大学硕士学位论文I基于虚拟仪器汽车燃油经济性测试系统的研究与开发摘要由于汽车发动机电控喷射系统（EFI）取代了传统的化油器供油方式，以及国家发改委要求公布轿车实际工况油耗，给汽车燃油经济性的测试带来了新的挑战，要求构建携带方便且可分析性强的经济性测试系统。同时随着计算机和软件技术的快速发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的发展方向。本课题研究充分利用了虚拟仪器技术的优点开发了汽车燃油经济性测试系统。本文针对当前汽车动力性和经济性测试方法结果单一且可分析性差的问题，根据电喷发动机的工作原理，采用NI公司软、硬件构建汽车动力性及油耗测试系统。系统采用LabVIEW软件设计的人性化界面，很好地发挥了虚拟仪器的数据采集、数据测试与分析以及结果输出显示的三大功能，能够实现实时油耗显示、实时车速显示、百公里油耗测试、等速百公里油耗曲线绘制等功能。并且由于NI硬件轻巧便捷，该测试系统可在道路实验中直接对汽车燃油经济性进行测试。另外，本文对测试系统的测量与计算误差进行分析，并且进行了实验系统的可行性与适用性实验。结果表明系统性能稳定，复现性能良好，能较精确和稳定地反映实验数据。论文还详细研究了实验的步骤和实验中需要注意的问题。关键词：虚拟仪器，LabVIEW，经济性，油耗，测试基于虚拟仪器汽车燃油经济性测试系统的研究与开发IISTUDYONAUTOMOBILEFUELECONOMYMEASUREMENTSYSTEMBASEDONVIRTUALINSTRUMENTABSTRACTWiththedevelopmentofautomobileindustryandthedrasticcompetitionofmarket,manyautomobilemanufacturershavebeencarryingoutalotofexperimentsandstudycontinuallyinordertoenhancethequalityofproductionandinventingnewproduction.Atthesametime,withthedevelopmentofcomputerhardwareandsoftware,virtualinstrumenthasbecomethedevelopingtendencyofmeasurementfield.Inthispapertheuseoftheadvantageofvirtualinstrumentaremadetodevelopthetestsystemofautomobilefueleconomy.Basedonvirtualinstrumenttechnology,theautomobiledynamicperformanceandfueleconomymeasurementsystemissetuptoimprovethecurrenttestingmethodswhoseresultsarenothumanization.ThesystemwhichisdevelopedwithLabVIEWandconsistsofnotebookpc,sensor,sample-and-holdaccessoryanddataacquisitioncard,canvaluatetheautomobiledynamicperformanceandfueleconomy,includingthedisplayofvelocity,acceleration,distanceandfuelconsumptionper100kmcurveofequalvelocity.Thefeasibilityandpracticabilitywasprovedbyexperimentsanderroranalysisonthissystem.Theresultsshowthatthesystemhasastableandrepeatableperformance,canreflectthetestdataexactly.KEYWORDS:VirtualInstrument,LabVIEW,Economy,Fuelconsumption,Testing河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1测试系统的发展概况测试仪器的发展历经了传统仪器、智能仪器、卡式仪器、虚拟仪器等几个主要阶段。传统仪器的发展经历了漫长年代，在很长一段时间里一直对人类生产生活起着巨大作用。到了20世纪中后叶，随着人类科学技术水平的不断发展，才使得传统仪器在某些应用领域显得有些不适时宜，如航空、航天、科学研究以及军事等一些重要部门。传统仪器的这些不足推动了测试仪器进一步发展。20世纪80年代初，随着计算机技术和通讯技术的迅猛发展，相继出现了智能仪器、卡式仪器等新型测试系统。它们是计算机技术、总线技术，数字化技术等与传统仪器技术相结合的产物[1]。它们的出现极大地推动了测试仪器的发展。但是由于智能仪器、卡式仪器本身所存在的一些局限性，使得在20世纪80年代末到90年代初,随着世界科技水平飞速发展，特别是计算机软、硬件技术，总线接口技术以及数字化技术的不断成熟，又出现了以VXI、PXI等总线形式的自动化测试系统。在此基础上，人们提出了虚拟仪器概念，并得以实现。它代表了21世纪测试仪器发展的新方向[2]。1-1-1传统测试仪器传统测试仪器(TraditionalInstruments,TI)很早就有，涉及社会生活的方方面面，对改善人类生活、促进社会发展和科技进步起到了不可估量的作用。直到现在还在很多领域发挥着并将继续发挥作用[4]。传统测试仪器主要结构由硬件构成，并以相对固定形式确定下来，因为传统仪器测试功能较单一，所以用户在使用过程中难以对其功能进行改变。通常情况下，它具有输入信号接口、内部处理电路和实时显示部分[5]。对于一些仪器功能(如自调零、自校准、自动调节量程等)的设置是由用户在仪器设备面板上手工完成。1-1-2智能仪器智能仪器(IntelligentInstruments,II)是现代测试技术与计算机技术相结合的产物。它是含有微计算机或微处理器的测试仪器,测量结果具有存储、运算、逻辑判断及自动操作、自动控制等功能，也即具有一定智能作用，将其称之为智能仪器。自从1971年世界上出现了第一款微处理器(美国Intel公司4004型4位微处理器芯片)以来，微计算机技术得到了迅速发展。在此基础上，测试仪器也随之有了新的发展方向，并取得了不断进步。电子计算机从过去庞然大物缩小到可以置于测量仪器之中，作为仪器控制器、存储器以及运算器，从而使其具有智能功能。目前智能仪器在测量过程自动化、测量结果处理以及一机多用(多功能化)等方面已取得巨大进步，在高准确度、高性能、多功能测量仪器中绝大多数都采用了微计算机技术[6]。智能仪器的出现和发展可以从其对传统仪器的改进和新型仪器的出现两方基于虚拟仪器汽车燃油经济性测试系统的研究与开发2面加以归纳。智能仪器是将传统仪器中控制环节、数据采集与处理、自调零、自校准、自动调节量程等功能改由微处理器完成，从而提高精度和测量速度。如传统数字万用表，在采用单片微机控制后，其功能更加多样，使用更加方便、可靠,而且准确度大为提高。目前绝大多数传统测量仪器都有了相应智能化仪器升级产品。智能仪器还开辟了许多新的应用领域，出现了许多新型智能仪器设备。如电子产品生产线或检验系统中的各种计算机辅助测试CAT(ComputerAidedTest)仪器等。1-1-3虚拟仪器在感叹智能仪器所带来使用方便、操作便捷、易于升级、降低成本的同时，人们又发现智能仪器所存在的一些不足和缺陷：硬件生产没有统一规范、测试系统体积过大，开发软件和底层驱动程序缺乏统一标准，GP-IB总线速度越来越跟不上科技发展需求等等[7]。这些新问题的出现促使各大仪器生产厂家和研究机构进一步从各个方面寻求改进和提高智能仪器性能的新方法，于是出现了VXI、PXI等总线形式的虚拟仪器(VisualInstruments,VI)[8]测试系统，并由此引发了对虚拟仪器测试技术的研究。在现代测量中，虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。随着VI驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编程中的基础，这样可以大大缩短复杂程序的开发时间，而且可以用各种不同的模块构造自己的VI系统。VI系统的使用可以大大提高测试水平与效率。VI通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面操作这台计算机，就像在操作自己设计的一台单个传统仪器一样。VI以透明的方式把计算机资源（如CPU、内存、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等）的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达。应用程序将可选硬件（如GPIB、VXI、RS-232、DAQ板）和可以重复使用原代码函数库等软件结合在一起，实现仪器模块间的通信、定时与触发。原码函数库为用户构造自己的VI系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便的由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。1-1-4与传统仪器相比，虚拟仪器所具有的优点1.融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大容里硬盘等已经成为虚拟仪器的标准配置。2.利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物资资源，增加了系统灵活性；另一方面，通过软件技术和数值算法，实时、直接地对测试数据进行了各种分析与处理；再是通过图形用户界面(GUI)技术，真正做到了界面友好、人机交互。3.基于计算机总线和模块化总线，传统仪器硬件实现了模块化、系列化、大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化仪器。4.基于计算机网络技术和接口技术，VI系统具有方便、灵活的互联能力(connectivity)，广泛支持河北工业大学硕士学位论文诸如CAN，OFIBUS等各种T业总线标准。因此利用VI技术可方便地构建自动测试系统(ATS,AutomaticsTestSystem),实现测量、控制过程的网络化。5.基于计算机的开放式标准体系结构，虚拟仪器的硬件、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。模拟仪器、智能仪器和虚拟仪器实物图如图1.1图1.1模拟仪器、智能仪器和虚拟仪器实物图Fig.1.1Imitationinstrumentation,intelligenceinstrumentationandvirtualinstrumentation§1-2课题的意义随着汽车工业与电子工业的不断发展，电子技术在现代汽车上的应用越来广泛。汽车电子化的程度越来越高。70年代中期，微机在汽车上的应用给汽车工业带来了跨时代的变化。电子控制燃油喷射发动机在汽车上的应用，使得当代汽车在动力性、经济性、安全性以及减少排放污染、增强舒适性等方面都有了极大的高。目前，在进口和国产的汽车中(主要是轿车)，电喷发动机的应用越来越多，给实验检测部门提出了极大的挑战。以往常规的实验方法和仪器使用不了，因为电喷发动机的喷油压力大，回油量多且油温较高，造成接在传感器上的回油管软化胀爆，严重威胁实验的安全。为了解决以上问题，适应汽车市场新车型开发周期不断变短致使对汽车性能的测试更加频繁的实际情况，使用面向对象技术来实现汽车油耗测试分析系统的开发,可以缩短系统的开发周期,降低系统开发的成本。它强调系统开发过程中软件的重用性、开放性和可扩充性,使系统开发走上了柔性化、集成化和经济化的道路。但传统模拟