基于LabVIEW的發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：針對在發(fā)動機數(shù)據(jù)采集過程中，對速度和精度的要求，基于虛擬儀器，利用振動傳感器、麥克風(fēng)、信號調(diào)理電路、PCI-4472B數(shù)據(jù)采集卡，計算機等硬件，對吉利三缸A8發(fā)動機的振動信號及排氣噪聲進行采集，設(shè)計出了發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實踐表明，該系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，有很大的實用價值，為診斷和監(jiān)測發(fā)動機故障打下良好的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；發(fā)動機；數(shù)據(jù)采集；振動傳感器；排氣噪聲

0 引言
    發(fā)動機是一個綜合的系統(tǒng)，它是汽車的主要總成和行駛的動力來源。由于它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件多，運行中各個零件受實際路況、大氣壓力、溫度、濕度等外界環(huán)境和導(dǎo)熱、摩擦等自身環(huán)境的影響，其技術(shù)狀態(tài)呈下降趨勢，因此發(fā)動機是故障最多的總成之一，是監(jiān)測的重點
總成。
    在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，隨著電子控制燃油噴射系統(tǒng)、電子控制點火系統(tǒng)等裝置已廣泛在汽車上應(yīng)用，發(fā)動機機械結(jié)構(gòu)和電子化程度越來越復(fù)雜，不解體診斷技術(shù)已經(jīng)成為深入研究故障診斷不可缺少的技術(shù)手段，因此有必要設(shè)計一套專門針對發(fā)動機故障診斷的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
    汽車發(fā)動機工作時，在不同部位產(chǎn)生的振動程度是不同的，因此通過測取振動信號可以診斷發(fā)動機70％以上的故障和狀態(tài)信息。本文搭建了一個發(fā)動機振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輔助采集發(fā)動機排氣噪聲信號，用來監(jiān)測發(fā)動機的工作狀態(tài)。

1 開發(fā)環(huán)境
    虛擬儀器(Virtual Instrumem)的概念是由美國國家儀器公司(NI)最先提出的。LabVIEW(LaboratoryVirtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW的圖形化開發(fā)環(huán)境具有精確、高效、功能強大、開發(fā)簡易、實時性強、界面友好等優(yōu)點，為用戶提供了強大功能和使用的靈活性。虛擬儀器可以利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測量儀器相比，具有成本低、功能強大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護方便等優(yōu)點，能很方便地組建測試系統(tǒng)，滿足多種測量要求。因此，基于虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW語言進行信號采集系統(tǒng)的研制具有重要意義。
    NI PCI-4472B數(shù)據(jù)采集卡是一款專為高通道數(shù)的振動和聲音應(yīng)用而設(shè)計的高精度數(shù)據(jù)采集(DAQ)模塊，提供了振動和低頻交流測量的最優(yōu)化方案。該板卡具有24位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有嵌入式可編程的ICP，用于對加速度計及麥克風(fēng)的信號調(diào)理。板卡的實時系統(tǒng)接口賦予了基于計算機的儀器，數(shù)據(jù)采集、運動及視覺產(chǎn)品強大的集成功能，因此可設(shè)計出符合實際需求的測量解決方案。
    本文利用LabVIEW 8．2和PCI-4472B搭建了一套高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用虛擬儀器軟件LabVIEW把計算機與數(shù)據(jù)采集卡有機地結(jié)合起來，通過數(shù)據(jù)采集卡對信號進行數(shù)字離散化采樣，將數(shù)據(jù)傳送到計算機上，由虛擬儀器完成信號波形的顯示、存儲等功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計
    在發(fā)動機振動的各種激勵源中，燃燒氣體壓力，進氣門關(guān)閉、排氣門開啟和排氣門關(guān)閉所產(chǎn)生的激勵信號是主要激勵源。凸輪軸控制發(fā)動機進排氣門的開閉，凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)二周，即一個氣缸完成了四個沖程。發(fā)動機的氣缸是周期性交替工作，引起發(fā)動機振動和噪聲的主要激勵源也是周期性的，同時產(chǎn)生的振動信號和噪聲信號也是周期性的，故障會影響到周期的振動信號和噪聲信號。通過K線從吉利三缸A8發(fā)動機讀取一個開始的參考點，使氣缸與振動信號和噪聲信號相對應(yīng)，用采集到的振動信號和噪聲信號，可以對發(fā)動機進行故障診斷。該系統(tǒng)分為振動傳感器、麥克風(fēng)、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器軟件四部分，如圖1所示。

2．1 信號調(diào)理電路
    從傳感器采集的信號形式多樣，可能會很微弱，或者含有大量噪聲，又或者是非線性的。因此傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號，在進入數(shù)據(jù)采集卡之前，通常需要進行某些調(diào)理和處理，把信號轉(zhuǎn)換成更便于處理、接收和顯示的形式，以便于數(shù)據(jù)采集卡采集。信號調(diào)理的主要目的是對信號進行放大、濾波以及進行有效的隔離，盡量減少干擾信號的影響，提高被檢測信號的信噪比。
    振動傳感器選用發(fā)動機機體的爆震傳感器，爆震傳感器用于檢測發(fā)動機是否發(fā)生爆震，當(dāng)振動發(fā)生時，它產(chǎn)生一個小電壓峰值，振動越大，爆震傳感器產(chǎn)生的主峰值就越大。頻率達(dá)到一定值時，表明發(fā)動機發(fā)生爆震，實驗證明頻率為6～9 kHz的信號為發(fā)動機的爆震信號，利用爆震傳感器能方便，準(zhǔn)確地檢測到發(fā)動機振動信號。另外，可以利用麥克風(fēng)從發(fā)動機排氣管測量噪聲信號。
2．2 數(shù)據(jù)采集
2．2．1 數(shù)據(jù)采集卡
    數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器系統(tǒng)中的重要組成部分，它的精度和速度影響著測試系統(tǒng)的整體性能。該系統(tǒng)采用的是美國NI公司生產(chǎn)的PCI-4472B數(shù)據(jù)采集卡。NI PCI-4472B具有8通道動態(tài)信號采集功能，可用于高精度頻域測量。輸入通道具有集成電路壓電式(IEPE)信號調(diào)理功能，可用于加速度傳感器和麥克風(fēng)的信號采集。PCI-4472B具有8路同步模擬輸入通道，采樣帶寬從直流到45 kHz。當(dāng)PCI-4472B的模擬輸入設(shè)置為交流耦合時，其截止頻率最低為0．5 Hz，因此可用于低頻率交振動測量，足以滿足要求。
    實驗所采集的發(fā)動機信號為低壓模擬信號，一般在10V以內(nèi)，本采集卡信號輸入范圍是-10～10 V也能滿足要求。同時采樣率高達(dá)102．4 kHz。
2．2．2 數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置
    數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置包括對通道的詳細(xì)設(shè)置，如輸入范圍、接線端配置等，以及定時設(shè)置，如采樣模式、讀取樣本數(shù)、采樣率。因此對采集卡的工作參數(shù)進行必要的設(shè)置，使之能夠進行正常的數(shù)據(jù)采集。這些參數(shù)設(shè)置是否合理，關(guān)系到傳感器信號的采集乃至整套系統(tǒng)能否正常工作，因此具有重要的意義。該設(shè)計中信號輸入范圍設(shè)置為-10～10 V，信號接線端設(shè)置為差分，采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣，讀取樣本數(shù)為5 000，采樣率為50kHz。
2．2．3 NI-DAQmx
    NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驅(qū)動程序，帶有控制測量設(shè)備所需的最新VI、函數(shù)和開發(fā)工具。此外它還包括Measurement&Automation Expl orer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger數(shù)據(jù)記錄軟件。通過這些工具并結(jié)合LabVIEW可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和數(shù)據(jù)記錄時間。

3 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計
3．1 NI-DAQmx API函數(shù)
    NI-DAQmx驅(qū)動提供了綜合性的API，包括基本和高級的函數(shù)，可以用來控制諸如定時、同步、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行控制等的參數(shù)。NI-DAQmx API函數(shù)引入了多態(tài)機制，一個多態(tài)VI可以接收或輸出多種數(shù)據(jù)類型，可以實現(xiàn)模擬輸入／輸出、數(shù)字I／O和計數(shù)器等多種功能，因此一個多功能DAQ設(shè)備的所有功能可由相同函數(shù)集編程得到。NI-DAQmx API函數(shù)的這種多態(tài)VI機制大大減少了VI數(shù)量。這樣就使編程變得簡單靈活、通用性強。使用NI-DAQmx API函數(shù)可以進行模擬輸入／輸出、數(shù)字I／O及計數(shù)器的編程，這里主要介紹與模擬輸入有關(guān)的VI。
    (1)創(chuàng)建虛擬通道VI DAQmx Create Virtual Channel．vi。該VI用于為任務(wù)創(chuàng)建虛擬通道，設(shè)置I／O通道類型，采集信號電壓范圍。
    (2)定時VI DAQmx Timing．vi。該VI用于指定數(shù)據(jù)采集卡的采樣模式，采集樣本數(shù)，采樣率。
    (3)讀取VI DAQmx Read．vi。該VI用于設(shè)置讀取數(shù)據(jù)樣本數(shù)，超時時間。
    (4)啟動任務(wù)VI DAQmx Start Task．vi。該VI用于啟動任務(wù)，開始數(shù)據(jù)采集。
    (5)清除任務(wù)VI DAQmx Clear Task．vi。該VI用于清除任務(wù)，釋放任務(wù)占有的所有資源。
3．2 數(shù)據(jù)采集流程
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計主要包括程序的初始化，數(shù)據(jù)采集并記錄顯示，數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)采集程序運行之后，首先是DAQ板卡的初始化，即設(shè)置輸入范圍、接線端配置、采樣模式、采集樣本數(shù)和采樣率等參數(shù)，然后采用循環(huán)順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)采集階段，進行數(shù)據(jù)采集和有用數(shù)據(jù)的存儲，就是將數(shù)據(jù)先放入采集卡的板載緩存中，再調(diào)用DAQmx Read函數(shù)采集至內(nèi)存，并用波形圖顯示出來，然后根據(jù)需要將有用數(shù)據(jù)從內(nèi)存中存入計算機硬盤，采樣結(jié)束時，點擊停止按鈕，停止采樣。并調(diào)用DAQmx Clear Task 子VI清除任務(wù)，程序結(jié)束。程序如圖2所示。

3．3 實測數(shù)據(jù)
    利用數(shù)據(jù)采集卡采集的吉利3缸發(fā)動機的振動和噪聲信號如圖3和圖4所示。通過測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實用可靠，能夠?qū)崟r、快速、高精度的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

4 結(jié)語
    本文介紹的發(fā)動機信號采集系統(tǒng)包括振動和噪聲信號的采集，詳細(xì)介紹了各個部分的構(gòu)成及其原理。它應(yīng)用傳感器、數(shù)據(jù)采集、LabVI EW圖形化編程軟件開發(fā)等多種技術(shù)，在Windows環(huán)境下進行數(shù)據(jù)采集與存儲、實時顯示波形。該系統(tǒng)具有功能擴展性強、開發(fā)周期短、測試性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可實現(xiàn)大批量、無限時的實時數(shù)據(jù)采集。將其應(yīng)用于發(fā)動機等動力機械設(shè)備的振動測試與故障分析，必將是一種有著廣闊應(yīng)用前景的發(fā)動機檢測系統(tǒng)，必將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。