基于LabVIEW的发动机数据采集系统

摘要：针对在发动机数据采集过程中，对速度和精度的要求，基于虚拟仪器，利用振动传感器、麦克风、信号调理电路、PCI-4472B数据采集卡，计算机等硬件，对吉利三缸A8发动机的振动信号及排气噪声进行采集，设计出了发动机数据采集系统。实践表明，该系统可靠、稳定，有很大的实用价值，为诊断和监测发动机故障打下良好的基础。
关键词：LabVIEW；发动机；数据采集；振动传感器；排气噪声

0 引言
    发动机是一个综合的系统，它是汽车的主要总成和行驶的动力来源。由于它结构复杂，零件多，运行中各个零件受实际路况、大气压力、温度、湿度等外界环境和导热、摩擦等自身环境的影响，其技术状态呈下降趋势，因此发动机是故障最多的总成之一，是监测的重点
总成。
    在现代汽车工业中，随着电子控制燃油喷射系统、电子控制点火系统等装置已广泛在汽车上应用，发动机机械结构和电子化程度越来越复杂，不解体诊断技术已经成为深入研究故障诊断不可缺少的技术手段，因此有必要设计一套专门针对发动机故障诊断的数据采集系统。
    汽车发动机工作时，在不同部位产生的振动程度是不同的，因此通过测取振动信号可以诊断发动机70％以上的故障和状态信息。本文搭建了一个发动机振动数据采集系统，辅助采集发动机排气噪声信号，用来监测发动机的工作状态。

1 开发环境
    虚拟仪器(Virtual Instrumem)的概念是由美国国家仪器公司(NI)最先提出的。LabVIEW(LaboratoryVirtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW的图形化开发环境具有精确、高效、功能强大、开发简易、实时性强、界面友好等优点，为用户提供了强大功能和使用的灵活性。虚拟仪器可以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、测量和自动化应用，与传统的测量仪器相比，具有成本低、功能强大、集成度高、质量可靠、维护方便等优点，能很方便地组建测试系统，满足多种测量要求。因此，基于虚拟仪器技术，利用LabVIEW语言进行信号采集系统的研制具有重要意义。
    NI PCI-4472B数据采集卡是一款专为高通道数的振动和声音应用而设计的高精度数据采集(DAQ)模块，提供了振动和低频交流测量的最优化方案。该板卡具有24位的模／数转换器，并具有嵌入式可编程的ICP，用于对加速度计及麦克风的信号调理。板卡的实时系统接口赋予了基于计算机的仪器，数据采集、运动及视觉产品强大的集成功能，因此可设计出符合实际需求的测量解决方案。
    本文利用LabVIEW 8．2和PCI-4472B搭建了一套高速的数据采集系统，利用虚拟仪器软件LabVIEW把计算机与数据采集卡有机地结合起来，通过数据采集卡对信号进行数字离散化采样，将数据传送到计算机上，由虚拟仪器完成信号波形的显示、存储等功能。

2 系统结构与硬件设计
    在发动机振动的各种激励源中，燃烧气体压力，进气门关闭、排气门开启和排气门关闭所产生的激励信号是主要激励源。凸轮轴控制发动机进排气门的开闭，凸轮轴旋转一周，发动机曲轴旋转二周，即一个气缸完成了四个冲程。发动机的气缸是周期性交替工作，引起发动机振动和噪声的主要激励源也是周期性的，同时产生的振动信号和噪声信号也是周期性的，故障会影响到周期的振动信号和噪声信号。通过K线从吉利三缸A8发动机读取一个开始的参考点，使气缸与振动信号和噪声信号相对应，用采集到的振动信号和噪声信号，可以对发动机进行故障诊断。该系统分为振动传感器、麦克风、调理电路、数据采集卡、虚拟仪器软件四部分，如图1所示。

2．1 信号调理电路
    从传感器采集的信号形式多样，可能会很微弱，或者含有大量噪声，又或者是非线性的。因此传感器转换成的电信号，在进入数据采集卡之前，通常需要进行某些调理和处理，把信号转换成更便于处理、接收和显示的形式，以便于数据采集卡采集。信号调理的主要目的是对信号进行放大、滤波以及进行有效的隔离，尽量减少干扰信号的影响，提高被检测信号的信噪比。
    振动传感器选用发动机机体的爆震传感器，爆震传感器用于检测发动机是否发生爆震，当振动发生时，它产生一个小电压峰值，振动越大，爆震传感器产生的主峰值就越大。频率达到一定值时，表明发动机发生爆震，实验证明频率为6～9 kHz的信号为发动机的爆震信号，利用爆震传感器能方便，准确地检测到发动机振动信号。另外，可以利用麦克风从发动机排气管测量噪声信号。
2．2 数据采集
2．2．1 数据采集卡
    数据采集卡是虚拟仪器系统中的重要组成部分，它的精度和速度影响着测试系统的整体性能。该系统采用的是美国NI公司生产的PCI-4472B数据采集卡。NI PCI-4472B具有8通道动态信号采集功能，可用于高精度频域测量。输入通道具有集成电路压电式(IEPE)信号调理功能，可用于加速度传感器和麦克风的信号采集。PCI-4472B具有8路同步模拟输入通道，采样带宽从直流到45 kHz。当PCI-4472B的模拟输入设置为交流耦合时，其截止频率最低为0．5 Hz，因此可用于低频率交振动测量，足以满足要求。
    实验所采集的发动机信号为低压模拟信号，一般在10V以内，本采集卡信号输入范围是-10～10 V也能满足要求。同时采样率高达102．4 kHz。
2．2．2 数据采集卡的参数设置
    数据采集卡参数设置包括对通道的详细设置，如输入范围、接线端配置等，以及定时设置，如采样模式、读取样本数、采样率。因此对采集卡的工作参数进行必要的设置，使之能够进行正常的数据采集。这些参数设置是否合理，关系到传感器信号的采集乃至整套系统能否正常工作，因此具有重要的意义。该设计中信号输入范围设置为-10～10 V，信号接线端设置为差分，采样模式设置为连续采样，读取样本数为5 000，采样率为50kHz。
2．2．3 NI-DAQmx
    NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驱动程序，带有控制测量设备所需的最新VI、函数和开发工具。此外它还包括Measurement&Automation Expl orer(MAX)、数据采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger数据记录软件。通过这些工具并结合LabVIEW可以节省大量的系统配置、开发和数据记录时间。

3 系统软件平台设计
3．1 NI-DAQmx API函数
    NI-DAQmx驱动提供了综合性的API，包括基本和高级的函数，可以用来控制诸如定时、同步、数据处理和执行控制等的参数。NI-DAQmx API函数引入了多态机制，一个多态VI可以接收或输出多种数据类型，可以实现模拟输入／输出、数字I／O和计数器等多种功能，因此一个多功能DAQ设备的所有功能可由相同函数集编程得到。NI-DAQmx API函数的这种多态VI机制大大减少了VI数量。这样就使编程变得简单灵活、通用性强。使用NI-DAQmx API函数可以进行模拟输入／输出、数字I／O及计数器的编程，这里主要介绍与模拟输入有关的VI。
    (1)创建虚拟通道VI DAQmx Create Virtual Channel．vi。该VI用于为任务创建虚拟通道，设置I／O通道类型，采集信号电压范围。
    (2)定时VI DAQmx Timing．vi。该VI用于指定数据采集卡的采样模式，采集样本数，采样率。
    (3)读取VI DAQmx Read．vi。该VI用于设置读取数据样本数，超时时间。
    (4)启动任务VI DAQmx Start Task．vi。该VI用于启动任务，开始数据采集。
    (5)清除任务VI DAQmx Clear Task．vi。该VI用于清除任务，释放任务占有的所有资源。
3．2 数据采集流程
    数据采集系统设计主要包括程序的初始化，数据采集并记录显示，数据存储。数据采集程序运行之后，首先是DAQ板卡的初始化，即设置输入范围、接线端配置、采样模式、采集样本数和采样率等参数，然后采用循环顺序执行结构，系统进入数据采集阶段，进行数据采集和有用数据的存储，就是将数据先放入采集卡的板载缓存中，再调用DAQmx Read函数采集至内存，并用波形图显示出来，然后根据需要将有用数据从内存中存入计算机硬盘，采样结束时，点击停止按钮，停止采样。并调用DAQmx Clear Task 子VI清除任务，程序结束。程序如图2所示。

3．3 实测数据
    利用数据采集卡采集的吉利3缸发动机的振动和噪声信号如图3和图4所示。通过测试结果表明，该系统实用可靠，能够实时、快速、高精度的实现数据采集。

4 结语
    本文介绍的发动机信号采集系统包括振动和噪声信号的采集，详细介绍了各个部分的构成及其原理。它应用传感器、数据采集、LabVI EW图形化编程软件开发等多种技术，在Windows环境下进行数据采集与存储、实时显示波形。该系统具有功能扩展性强、开发周期短、测试性能稳定等优点，可实现大批量、无限时的实时数据采集。将其应用于发动机等动力机械设备的振动测试与故障分析，必将是一种有着广阔应用前景的发动机检测系统，必将产生可观的经济效益和社会效益。