电子点火与电控燃油喷射实验教学系统设计

赵海新，左明伟，孙晓娜

(承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德 067000)

传统的电子点火与电控燃油喷射系统实验因其缺少动态的实验观察平台和显示界面，难以达到现代化启发式教学的要求，也不能使学生通过实验真正的理解实验原理，得到实验产生的数据从而进行分析。应用现代化的教学手段除在硬件方面提高技术含量和性能指标满足使用者要求外，还需下功夫开发出更好的以计算机为平台的实验室测试、测量系统［1］。在现代汽车上，电子喷油装置可以自动地保证发动机始终工作在最佳状态，使其在输出一定功率的条件下最大限度地节油和净化空气，使发动机的综合性能得到提高。由于电控发动机的复杂性，对其测试测量的设备也提出了更高的要求。

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一种类似于C和BASIC的图形化编程语言的开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，程序的编写是以框图的形式进行的。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。它主要的方便之处在于只有一个硬件的情况下，通过改变软件，就可以实现不同仪器仪表的功能，相当于软件即硬件［2］。

1 教学系统的总体设计

电子点火与电控燃油喷射系统虚拟实验仪的设计是以桑塔纳2000车型的实验台为基础，应用实验台上的传感器插孔，通过导线与USB6211采集卡相连。装有LabVIEW软件的上位机通过USB总线与采集卡进行通信，上位机应用LabVIEW自带的安装程序Measurement＆Automation驱动程序驱动数据采集卡，便可在LabVIEW环境下通过编程调用底层的封装函数实现数据采集任务。

电子点火与电控燃油喷射系统虚拟实验仪的整体设计是基于汽车系实验室电子点火与电控燃油喷射实验系统(桑塔纳2000)硬件平台、NI公司的USB6211数据采集卡和LabVIEW软件平台而设计的虚拟实验仪。在装有LabVIEW软件的PC机上用G语言编写程序框图的基础上，应用USB6211数据采集卡实现上位机与传感器的连接，通过USB6211数据采集卡采集由传感器传输的模拟信号，经过数据采集卡处理为数字信号，再通过USB总线与PC机通信。在PC机上应用LabVIEW软件编写程序实现数据的显示与存储，整个教学实验模拟系统的设计思路如图1所示。

2 教学系统的硬件设计

汽车电子点火与电控燃油喷射教学系统的硬件设计包括对试验台各个传感器和执行器端子的检测和连接，数据采集卡输入端子的连接。系统采用的是便携式的USB数据采集卡，所以可以方便的实现计算机和数据采集卡的数据传输。

2.1 电子点火与电控燃油喷射系统

本实验系统是由长春G-3技术教育装备有限公司提供，查阅相关资料得知此系统模拟现实中使用的车型为上海桑塔纳2000GSi轿车(电子控制汽油喷射式)，发动机型号是AJR型发动机。所有信号都是通过物理实验仪上的传感器测得的，用导线将实验板上的插孔与USB6211数据采集卡的模拟输入端连接。将检测到的数据在虚拟实验仪上以波形和量表的形式显示出来，当转动可调旋钮时，虚拟仪上的波形也会随之发生变化，从而得知传感器的工作正常与否，并判断出电子点火与电控燃油喷射系统故障部位，为修理和更换损坏部件提供依据，也使教学更形象，让学生识别标准和非标准部件工作状态间的差别［3］。传感器组成电控系统的“眼睛”和“耳朵”它将发动机工况及状态、汽车行驶状况和状态的各种物理参量转变为电信号，并输出给电子控制器。试验台所用传感器有:节气门位置传感器、进气温度传感器、冷却液温度传感器、热膜式空气流量计、氧化锆型氧传感器、发动机转速和曲轴位置传感器、爆震传感器、霍尔传感器;试验台所用的执行器有:点火线圈和喷油器。

2.2 数据采集系统

NI公司的USB-6211是一款USB总线供电M系列多功能DAQ，模块及接线端子如图2所示，在高采样率下也能保持高精度。该模块提供了16路模拟输入;250 kS/s单通道采样率;2路模拟输出;4路数字输入线;4路数字输出线。其即插即用的安装最大程度地降低了配置和设置时间，同时它能直接与螺丝端子相连，从而削减了成本并简化了信号的连接［4］。USB总线供电使用户不再需要携带多余的外部电源。在采集卡的16个模拟输入通道与实验台上各传感器和执行器的插针孔连接。

3 教学系统的软件开发

虚拟实验仪软件结构的设计分成了实验室真实测试系统。在没有连接采集卡的情况下可以进入仿真模拟系统进行模拟实验，只需打开Measurement＆Automation，在设备和接口的树形目录中找到NIDAQmx设备中，单击NI-DAQmx仿真设备，在选择设备目录中选中M系列DAQ中的NI USB6211，再单击确定便可创建一个仿真的数据采集卡。在没有物理采集卡的情况下，以此来代替真实环境，构建仿真的数据采集程序，体验真实的物理实验环境，加快编写程序的速度。在真实的试验中，只需将上述创建的图形呈橙黄色仿真的NI USB6211数据采集卡删除，再接上真实的数据采集卡，便可以进行真实环境下的采集实验。

3.1 程序框图的开发

3.1.1 主界面的开发

主界面程序框图如图3所示，此部分包括进入各个传感器和执行器的采集界面，并应用了层叠的顺序结构，进行对返回欢迎界面和主界面进行调用，应用了以传感器和执行器部分作为簇和单个控件的属性节点，初始化然后单击事件结构触发后进入各自所属的执行程序。

3.1.2 数据采集部分的开发

数据采集部分是实现信号测试和显示的关键部分，通过对采集参数的设置实现所要的功能。因为测量参数为浮地信号，所以采用参考单端共地的接线方式，在采集卡上的连接方式是信号的正端接AI端，信号的搭铁端接AI GND端。数据采集部分的程序以节气门位置信号为例说明如图4所示。

3.1.3 数据存储部分开发

SQL(Structured Query Language，结构化查询语言)是关系型数据库管理系统的标准语言，用它可以访问各种支持SQL语言的关系型数据库［5］。LabSQL VIs按照ADO对象分为3类，并分别位于不同的文件夹:Command、Connection和Recordset。Command VIs的功能是完成一系列基本的ADO操作，例如创建或删除一个Command、对数据库中某一个参数进行读或写等。Connection VIs用于管理LabVIEW与数据库之间的连接［6］。Recordset VIs用于对数据库中的记录进行各种操作，例如创建或删除一条记录，对记录中的某一个条目进行读写等。最顶层提供了3个VI，其中最常用的就是SQL Execute.vi。它将底层的一些VI封装起来提供了一个最简单的接口，即直接执行SQL语句。通过SQL语句可以执行任何数据库操作，其程序框图如图5所示。

3.2 前面板显示界面

将程序框图的程序应用软件自身仿真出来的数据采集卡调试完成之后，将数据采集卡与试验台和计算机进行连接，连接之后对原有的程序进行现场调试，调试之后针对程序框图和界面进行修改。数据线的连接如图6所示。

介绍功能的主界面如图7所示，此界面包含系统结构、动态演示、采集与测量、帮助、返回系统的单击进入按钮，当进入界面之后可在此界面中单击返回按钮返回主界面，在主界面单击返回系统按钮可返回到欢迎界面，重新选择进入还是退出系统。

传感器数据采集界面包括采集图形的显示以及暂停采集和继续采集按钮，图形以两种形式显示，如图8的节气门位置传感器界面，一种是以二维波形显示，另一种是以量表的形式显示，此显示具有直观动态的特点，方便观察和记录信息。

进行了数据采集和存储实验，数据通过计算机上数据源部分的基本设置后，系统自动建立数据的连接，实现数据实时存储，最终的数据保存在计算机的Access应用程序中，系统存储界面如图9所示。

4 结论

在本文中，采用的硬件为汽车系电子点火与电控燃油喷射系统(桑塔纳2000)的试验台和NI公司的USB6211数据采集卡，在安装有LabVIEW软件平台的PC机上，构建了基于LabVIEW的电子点火与电控燃油喷射系统的虚拟实验仪。该虚拟实验仪实现了将虚拟仪器及数据设备应用到教学实验中去，使得传统意义上的仪器功能，包括数据采集、数据分析和数据显示，都可以在计算机上通过软件来实现，也即实现了实验室向虚拟实验室的过渡，为教学提供了动态虚拟的实验环境，使学生对电子点火与电控燃油喷射系统的实验有了更直观的了解，有利于学生实验能力的培养和素质的提高。

［1］孔凡评，张云云.LabVIEW DAQ在学生实验中的应用［J］.计算机仿真，2005(6):190－192.

［2］沈保山，姬长英.基于LabVIEW数据采集系统的设计［J］.机械电子，2009(4):56－58.

［3］张大成，戴波南.上海桑塔纳2000系列轿车维修手册［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

［4］侯国平，王坤，叶齐鑫.LabVIEW 7.1编程与虚拟仪器设计［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［5］钱向明，汪慧.基于虚拟仪器的发动机冷却系统测试试验台［J］.仪表技术与传感器，2009(5):120－122.

［6］叶盛，何勇，徐晓明 .基于虚拟仪器发动机测控系统的研究［J］.维普资讯，2003(29):76－77.