基于LabVIEW的发动机多传感器信号采集系统设计

基于 LabVIEW的发动机多传感器信号采集系统设计

胡晓燕 郑文峰

山东交通学院 山东省济南市 250000

摘要：本论文主要基于传感器信号，采用NI PCI-6122 DAQ采集模块，通过LabVIEW软件进行数据信号的采集、分析及信息存储，可实现对信号的动态监测，并发出故障预警，经实验验证，功能良好。

1.系统组成

发动机是汽车上最主要的部件之一，为汽车提供一切动力的来源，是汽车的心脏。通过各种传感器测量信号，传递给ECU从而控制执行器工作，保证发动机的正常运行。因此，准确识别读取传感器信号，对发动机运行状态的数据监测和故障诊断非常关键。本文运用LabVIEW软件进行系统设计，它将可读取的传感器组合在同一界面，对各传感器的多个信号综合准确的判断，简化复杂性并提高效率及准确性。

本采集系统的设计主要选取了发动机霍尔位置传感器、进气压力传感器、磁脉冲位置传感器、节气门位置传感器，根据传感器的性能设计相应的显示界面，并实现信号采集、分析、存储功能，信号采集采用NI PCI-6122 DAQ模块，它可为高通道数的数据采集及控制系统提供同步采样和强大的处理能力，整体设计系统思路如下图1所示。

图1 系统设计思路

2.传感器介绍

2.1霍尔式凸轮轴位置传感器

霍尔式凸轮轴位置传感器。它一般安装在凸轮轴罩盖前端对着进排气凸轮轴前端的位置，主要作用是检测凸轮轴位置和转角，从而确定第一缸活塞上止点的位置。它的波形图，其具有电压输出的幅值不变，频率随发动机转速的转变而不同。波形的上升沿和下降沿为直角，水平上线应达到参考电压、水平下线应到达接地电位，峰峰电压应等于参考电压，如图2所示。

图2 霍尔凸轮轴位置传感器波形图

2.2进气压力传感器

进气歧管压力传感器安装在进气歧管上，检测的是节气门后方的进气歧管的绝对压力，它根据发动机转速和负荷的大小检测出歧管内绝对压力的变化，然后转换成信号电压至ECU，ECU根据此信号电压的大小，控制基本喷油量的大小。

如图3所示为进气压力传感器的工作波形图，当进气量增大时，真空度变小，压力变大波形向上，其变形量和压力成正比。通常半导体压敏电阻式进气歧管绝对压力传感器的输出电压在怠速时为1.25V，当节气门全开时略低于5V，全减速时接近0V。

图3 进气压力传感器工作波形

2.3磁脉冲式曲轴位置传感器

磁脉冲位置传感器主要由软铁芯、信号盘、壳体和接线端等组成。信号盘固定于曲轴前端或飞轮盘上并随曲轴一起转动，每当齿盘转过一个齿时池顶切割磁场的磁力线感应线圈便产生一个脉冲信号，ECU便按照预定的比率计算出发动机的转速，如图4为磁脉冲曲轴位置传感器的工作波形图，波形为正弦波，其具有电压输出的幅值与曲轴的转速成正比，波形的峰值幅度应该足够高，频率保持一致并呈周期性变换。

图4 磁脉冲式曲轴位置传感器工作波形图

3.实验框架设计

采集传感器信号，经过数据采集模块进入LabVIEW设计好的界面。整体设计

根据电控发动机传感器可视化所要实现的基本功能，本设计由独立的系统用户登录界面和实时的可视化显示界面两部分组成，其基本功能是对电控发动机传感器的波形和相关参数在计算机上进行显示。图5为系统的工作流程示意图。

图5系统工作流程图

图6为登陆系统程序框图，运用了两个字符串的显示控件和四个输入控件，对密码处的字符串属性精选设置，设置为密码显示选项，采用两个条件结构判断密码正误并弹出对话框，嵌套于事件结构中控制登录。

图6 系统登录程序框图

实时波形检测部分为本显示系统的总要组成部分，为了能够可视化的检测电控发动机的运行状态以及实时的波形和关键性参数，并将以上这些内容在计算机上显示出来。检测人员可以更加直观的观察到发动机各个传感器此刻的一个运行状态，同时把得到的相应传感器的波形数据对比标准波形进行分析，来得到发动机的一个总体运行状况。如图7为发动机传感器可视化显示系统的程序框图。

图7发动机传感器可视化显示系统的程序框图

本系统主要包含了电控发动机的四个常用的传感器：霍尔位置传感器、进气压力传感器、磁脉冲位置传感器、节气门位置传感器，将各个传感器的信号输出到波形图表中，根据每个传感器的特性选择调用不同的波形属性，例如周期、幅值和相位等，最后把各个传感器输入的数据类型转换成可以与VI配合使用的动态数据并进入到存储模块，存储模块采用TDMS文件的格式进行写入，通过一个条件结构控制TDMS文件的写入，在条件为假的的情况下，调用了存储按键的属性节点，使其变灰，TDMS文件写人不进入高速数据流文件的写入过程。“TDMS打开”控件处使用一个字符串控件来设置存储路径、存储时间和存储名称等要素。下文将就相对应的传感器测试的具体功能设计进行阐述和说明。

4.实验结果分析

如图8霍尔位置传感器实验箱在正常状态下的实测波形图。采用实验室的霍尔位置传感器实验箱对显示系统进行测试，其电压最值为12V的。通过观察，我们发现输出的波形上线为平峰，电压稳定在10-11V之间，波形的下线为短促的平峰接近于接地电位，输出方波电压信号，根据此信号的变化来判定凸轮轴实际的运行位置，可发现与标准波形吻合。

图8霍尔位置传感器的检测结果分析

霍尔位置传感器的实验数据以Excel表格的形式存储和展示的，文件内部分为两个表格：第一个表格中主要信息有测试结束时存储数据的具体时间，系统包含的传感器测试的通道数量以及测试的传感器的名称，该传感器的输出电压的最值和存储时检测数据的长度，如图9所示，霍尔位置传感器检测数据的长度为31个，输出电压信号的最大值约为10.621V，最小值约为0.143V；表二时名称为检测的传感的具体检测数据，根据X轴的分度值的时间来具体记录。

图9霍尔位置传感器数据存储部分

图10是进气压力传感器实验箱的正常实测波形图。可以看到在进气压力传感器的波形在为一条直线，输出电压是稳定的，当节气门开度升和发动机转速变化时，波形也会发生变化但是稳定后也是为一条直线的。

图10进气压力传感器波形图

如图11是磁脉冲位置传感器试验箱的正常实测波形图。当转子转至齿顶时，间隙最小，产生的磁阻最小，磁通量最大，产生的感应电压也最大；当转子转至齿凹时，磁间隙最大，产生的磁阻最大，磁通量最小，产生的电压也越小实验测得波形符合规律，与电磁感应式曲轴位置传感的标准波形相吻合。

图11 磁脉冲位置传感器实测波形图

通过以上实验数据可以看出，该系统能较好的反映发动机传感器的实时工作状态，且能进行相关数据读取保存，为后期发动机具体工作状态的检测提供指导依据。

胡晓燕，山东交通学院，中级，主要从事信号读取及智能控制方向。本课题来源于山东交通学院教改项目，编号为2021SJYB07，名称为“发动机多传感器信号采集系统虚拟仿真实验项目的设计”。