兰 琳，陈 钊

（江汉大学 机电与建筑工程学院，武汉 430056）

基于虚拟仪器技术的发动机起动性能检测分析系统

兰 琳，陈 钊

（江汉大学 机电与建筑工程学院，武汉 430056）

0 引言

发动机作为汽车的核心部件，其起动性能是保证汽车正常运行的关键。为了对发动机的起动性能进行正确的评价，需要测试发动机实际起动过程中的各种状态参数，并对这些参数进行合理正确地处理和分析。采用模拟器件组成的模拟式测试仪器，其精度低、速度慢、适应性差；由数字电路构成的数字式测试仪器以及以单片机为核心的智能化测试仪器，在测试精度、速度和仪器寿命等方面都有较大的提高，但也都只能实现简单的数据测量和分析处理，缺乏灵活性。

本文基于虚拟仪器技术设计了发动机起动性能检测分析系统，检测并计算、分析发动机起动过程中的各种模拟输入输出信号和开关信号，从而准确地判断出发动机起动性能的技术状况。本系统具有用户界面简单明了、数据清晰、性能稳定等特点，而且突破了手动测试的局限，避免了主观判定的不可靠性，并能为发动机继续运行或进行维护、修理提供可靠的依据，具有广阔的市场前景。

1 虚拟仪器技术及LabVIEW

所谓虚拟仪器，就是以通用计算机为平台、根据需求来定义并设计的仪器，其实质是充分利用计算机硬软件技术来实现和扩展传统仪器的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器最本质的特征。虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号，应尽量使电路简单、操作方便、避免外界干扰；软件则定义了仪器的功能，是虚拟仪器最重要、最核心的技术，通过开发面向仪器的软件，可使其具有强大的人机交互界面设计功能、强大的数据分析能力和数据可视化分析功能，并能提供丰富的仪器总线接口。

作为测试工程领域的强有力的工具，近年来LabVIEW得到了业界的普遍认可，在测试系统分析、设计和研究方面得到了广泛应用。LabVIEW软件是由美国NI公司研究的、目前国际上唯一的编译型图形化软件，是一种基于G语言的测试系统软件开发平台，其编程环境所具有的流程式编程、丰富的函数与数值分析以及信号处理和设备驱动功能等特点使其得到极为广泛的应用。LabVIEW软件同时内置有图形化编辑器，可以将编程图形化程序转化为最优化的代码，其运行速度与编译C的速度相当。LabVIEW还提供了包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、PDA和PID等众多的附加软件包，具有功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。LabVIEW体现了一种新的“所见即所得”编程思想，使得程序开发变得更直观、简单、容易上手，使用LabVIEW将会大大降低程序的开发难度，缩短开发周期，节约开发费用。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有很多明显的优势。在软件中采用先进的信号处理算法和人工智能技术，并可集成专家系统，使其智能化程序更高、处理能力更强；应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器；与计算机网络连接还可实现虚拟仪器的分布式共享，使系统功能更灵活、复用性更强、性能价格比更高；针对不同应用可自行定义并设计不同的操作、显示界面，结合计算机的多媒体处理能力能使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解；测量结果可以直接进入数据库系统，测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。

2 发动机起动性能检测过程及评价

2.1 检测前的准备

在检测前，根据GB/T12534的规定，应先清除发动机燃烧室积炭，研磨气门，检查校正火花塞电极和分电器触点间隙；检查喷油器压力和雾化情况等。

发动机的起动性能受多种因素的影响，如发动机的型号、发动机已使用的年限、环境温度、大气压力、大气湿度、燃油型号、机油型号、冷却液、电瓶电压等，根据GB/T 18297-2001、GB/T 12535-2007的规定，应先测量并记录可能影响发动机起动性能的相关参数。

2.2 检测程序

1）起动机接通后，在规定的拖动时间内，发动机能着火自行运转，即为起动成功；若在规定的拖动时间内，无断续着火声，未能自行运转，即为起动失败，若其间有断续着火声，可适当延长拖动时间(但延长时间不得超过15s)，若能自行运转，亦为起动成功。起动检测允许连续进行3次，若1次起动失改，可在2min后再次起动。

2）发动机起动成功后，在30%～50%额定转速下，空载运转10～20min。

3）发动机在怠速工况下运转，每隔10s测一次怠速转速，共测30次。

2.3 测量记录的参数

为了能对发动机起动性能有一个很好的判断，并为评价指标提供理论依据，在测试过程中，需要测量发动机起动过程中若干物理量，如进气温度、冷却液温度、起动转速（拖动转速）、起动时间（起动机接通起到发动机自行运转止）、蓄电池电压、起动成功及失败的次数、空载转速（30%～50%额定转速）、暖机时间（发动机自行运转到冷却液达到70℃经历的时间）、怠速的最大转速、最小转速、平均转速、转速波动率等。

2.4 评价指标

发动机起动性能通常用某温度下的起动时间表示该温度下的起动性能，并用能起动的最低温度表示其低温起动性能，这种评价方法过于简单，有一定的局限性。通过对发动机起动过程的分析，参照国家标准《汽车起动性能试验方法》GB/T 12535-2007、国家标准《汽车修理质量检查评定标准发动机大修》GB/T15746.2-1995以及GB/T 18297-2001汽车发动机性能试验方法，结合当前汽车运用的相关规定，同时考虑到发动机起动性能对汽车技术性、经济性、先进性、环保与舒适性等因素的影响，综合分析后确定了对发动机起动性能进行评价的指标参数，其主要指标有：一定温度下发动机的起动时间、暖机时间、怠速转速、怠速波动率、燃油消耗率、尾气排放（HC、CO）以及起动极限温度等。

3 基于虚拟仪器技术的检测分析系统

发动机起动性能检测分析系统中信号种类繁多，采集数据量大，经过硬件系统的调理以后还需通过软件进行数字化处理和分析。但传统的编程软件如Fortran、VC++、VB等对测试人员要求很高，需要将各种数据处理方法用计算机语言来实现，还要对数据通信的各种连接总线如RS232、USB等非常熟悉，因此开发难度大、周期长、费用高、可扩展性差。本系统采用LabVIEW为软件开发平台，充分利用LabVIEW的图形化编程环境、数百种功能模块、数百种仪器的源码级驱动程序等内置功能，对检测信号进行数字滤波、统计、运算、分析等处理，使整个系统虽然硬件构造简单却具有较全面的检测分析功能。

3.1 系统硬件

虚拟仪器的系统硬件比较简单，只需要PC机和数据采集与信号控制专用板即可组成，其结构示意图如图1所示。

图1 系统硬件结构示意图

数据采集与信号控制专用板主要由传感器、信号调理电路、数据采集电路和信号控制电路组成，主要完成数据采集和传输PC机对发动机的控制信号。首先由PC机给出发动机起动信号，并控制、选择传感器采集测试到的数据，如环境参数和发动运行过程中的状态参数等；然后对这些数据进行简单的信号处理，如适当的信号放大、信号转换、电气隔离、滤波等，再将这些数据送往PC机进行处理。

PC机获取数据后在软件的支持下对数据进行分类记录和处理，实时绘制并显示测试曲线，详细分析后以适当的形式显示分析结果，并自动以数据库形式对所有测试数据、分析结果进行管理和记录，可生成Excel形式的数据报表或数据库，也可打印所测数据及分析结果。

由于充分利用了虚拟仪器的优势，系统能在确保数据采集的精度与实时性、改善数据处理功能和提高易操作性的基础下，能检测上述评价发动机起动性能的参数，并对采集到的这些数据进行适当的处理和分析，从而直观、定量地对发动机起动性能给出评价；也能实现自动监控、记录检测数据，具有良好的人机对话界面，操作简单，使用方便。

3.2 系统软件

软件是虚拟仪器的核心，通过软件设计可使虚拟仪器具有强大的信号分析功能、数据处理功能和最优化的控制算法设计，为测试系统中的信号分析、数据处理、检测指标计算提供了有力的条件。利用LabVIEW开发测试系统软件涉及两个主要部分，即前面板和程序流程图。

3.2.1 前面板设计（用户界面）

前面板是指一些图形化的测试界面，是运行时所展现的各种测试交互接口，包括菜单、参数设置、结果显示等，有助于系统功能的实现、操作和实现不同的数据处理方法，有助于图形和数据显示，有助于完成不同信号的同时输出。本系统的前面板设计如图2所示。

图2 前面板

3.2.2 程序流程图设计（功能实现）

程序流程图是指测试程序的内部运行结构，是测试系统结构、数据处理的流程，由于LabVIEW程序流程图的开发是图形化的，因此更简单、更高效、更直观。流程图编制时从函数库中选取所需的函数图标，按数据在程序中传递的顺序和控件图标统一编排，采用连线工具将图标连在一起。系统软件采用模块化设计，系统功能模块主要包括系统设置模块、输入模块、测试模块、数据处理模块和性能评价模块，其示意图如图3所示。

图3 系统功能模块示意图

系统设置模块：主要是进行系统初始化。

1）输入模块：主要是提供发动机参数信息的输入和环境参数的测试。

2）测试模块：主要由设备接口模块、信号采集和测试运行模块组成，可实现被测发动机起动过程中各种参数的实时测试与数据采集。

数据处理模块：主要是根据发动机起动过程中检测到的各种数据进行实时地分析、计算和统计。

3）性能评价模块：根据处理后的数据得到前面所分析的各项发动起动性能的评价指标，并显示在前面板上。

4）数据管理模块：主要用来显示和存放数据。任何测试系统都存在数据管理问题，主要包括数据收集、判别、整理、存储、读取、显示等，并通过用户界面提交给用户。本系统的数据显示主要以数字或图形形式显示被测参数实时或历史值以及时域变化曲线等动态趋势和规律，如显示转速/时间变化曲线；数据存放有Excel形式的电子报表和数据库形式。数据库选用SQL Server2000，利用数据库访问工具包LabSQL可实现对数据库的查询、修改、删除和添加等操作。

4 结束语

本文设计了一种基于虚拟仪器技术的发动机起动性能检测分析系统，该系统能迅速、有效地检测发动机起动过程中的各种参数及相关状态信息，利用软件对这些数据进行计算、分析后，对发动机的起动性能进行了准确、详细地评价，并提供了可视化的评价结果。该系统集实时数据采集、数据处理、数据分析、数据储存和数据显示于一体，实现简单，交互性好，操作方便，并可根据用户的要求进行扩充，方便了发动机起动性能的检测与评价，为发动机的生产、维护、修理提供可靠的依据。

[1]戴鹏飞,等.测试工程与LabVIEW应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]鲍晓峰.汽车试验与检测[M].北京:机械工业出版社,1995.

[3]交通部公路司.汽车综合性能检测[M].上海:上海科学技术出版社,1999.

[4]徐志刚,等.基于虚拟仪器的汽车综合性能自动检测系统[J].现代电子技术,2006 ,9(224).

Test and analysis system of engine start performance based on virtual instrument technology

LAN Lin, CHEN Zhao

阐述了发动机起动性能的检测过程及其评价指标，设计了基于虚拟仪器技术的发动机起动性能检测分析系统。该系统能迅速、有效地检测发动机起动过程中的各种参数及相关状态信息，利用软件对这些数据进行计算、分析后，对发动机的起动性能进行了准确、详细地评价，并提供了可视化的评价结果，为发动机的生产、维护、修理提供可靠的依据。

虚拟仪器；LabVIEW；发动机；起动性能；检测分析

兰琳（1973 -），女，江西兴国人，讲师，硕士，主要从事机械电子工程、测控技术和单片机技术等方面的教学与研究工作。

TP206.1；U464

A

1009-0134(2011)4(上)-0012-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).04

2010-09-07