《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于虛擬儀器技術(shù)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)
南京理工大學(xué) 張重雄 劉維嘉
摘要: 為了監(jiān)測(cè)和防治汽車(chē)尾氣排放所造成的環(huán)境污染,,本文介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)。首先介紹了檢測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理,,提出了一種以美國(guó)NI公司推出的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEw8.2為開(kāi)發(fā)環(huán)境,,利用德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的VS5067-5為尾氣分析儀進(jìn)行汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。文中尤其對(duì)工控計(jì)算機(jī)和VS5067-5串行通信程序的 LabVIEW8.2實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,,所述方法方便實(shí)用,有推廣應(yīng)用價(jià)值,。
Abstract:
Key words :

 

摘要:為了監(jiān)測(cè)和防治汽車(chē)尾氣排放所造成的環(huán)境污染,,本文介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng),。首先介紹了檢測(cè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理,提出了一種以美國(guó)NI公司推出的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEw8.2為開(kāi)發(fā)環(huán)境,,利用德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的VS5067-5為尾氣分析儀進(jìn)行汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法,。文中尤其對(duì)工控計(jì)算機(jī)和VS5067-5串行通信程序的 LabVIEW8.2實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,,所述方法方便實(shí)用,,有推廣應(yīng)用價(jià)值。
  
  近幾年來(lái),,隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,,汽車(chē)保有量大幅度增加。汽車(chē)在給人們?nèi)粘I顜?lái)便利的同時(shí),,也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題,。汽車(chē)尾氣中的CO,HC化合物等有害氣體,,已成為空氣污染的主要來(lái)源,。因此,監(jiān)測(cè)與防治汽車(chē)的排氣污染,,是治理環(huán)境污染的一項(xiàng)重要任務(wù),。
  要控制機(jī)動(dòng)車(chē)的排氣污染,首先是要做好檢測(cè)工作,。在我國(guó),,從1999年開(kāi)始,就制訂了一系列相應(yīng)法規(guī),,嚴(yán)格控制汽車(chē)尾氣的排放,。2005年頒布了GB 18285-2005《點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)中除了對(duì)汽車(chē)在怠速和高怠速工況下排氣污染物的測(cè)量方法作了要求外,,還對(duì)每種類(lèi)型的汽車(chē)排氣污染物排放限值作了明確的規(guī)定,。
  汽車(chē)排氣污染物主要檢測(cè)參數(shù)有:CO(一氧化碳),HC(碳?xì)浠衔?,,CO2(二氧化碳),,O2(氧氣),NO(一氧化氮)等,。
  1 檢測(cè)系統(tǒng)的組成
  基于虛擬儀器技術(shù)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
  檢測(cè)系統(tǒng)主要由尾氣分析儀、I/O接口卡,、紅外對(duì)射光電開(kāi)關(guān),、LED顯示屏以及工控計(jì)算機(jī)等組成。尾氣分析儀選用德國(guó)西門(mén)子公司的VS5067-5汽車(chē)尾氣分析儀,,該儀器的核心部件是采用西門(mén)子公司的紅外光學(xué)傳感器,,其工作原理是根據(jù)不同氣體所具有的特征吸收譜帶和特征頻率,,在特征頻率附近的光譜帶產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收,根據(jù)氣體紅外光譜吸收的強(qiáng)弱,,檢測(cè)分析出汽車(chē)尾氣的成分和含量,。該儀器可檢測(cè)汽車(chē)尾氣中CO、HC,、CO2,、O2、NO五種氣體的濃度和發(fā)動(dòng)機(jī)油溫,、轉(zhuǎn)速等汽車(chē)工作參數(shù),,測(cè)量數(shù)據(jù)由儀器面板上的液晶顯示屏顯示,,并配有標(biāo)準(zhǔn)RS232串行接口與工控計(jì)算機(jī)連接,,通過(guò)串口可接收測(cè)量命令并輸出測(cè)試結(jié)果。
  工控計(jì)算機(jī)上擴(kuò)展的I/O接口卡主要用來(lái)接收紅外對(duì)射光電開(kāi)關(guān)的開(kāi),、關(guān)狀態(tài),,用來(lái)判斷被檢車(chē)輛是否到位。紅外對(duì)射光電開(kāi)關(guān)選用歐母龍E3JK-5M型,,其紅外對(duì)射距離為5m,。紅外發(fā)射光電管和紅外接收光電管分別安裝在汽車(chē)檢測(cè)線的兩邊。當(dāng)紅外發(fā)射管沒(méi)有被遮擋時(shí),,接收光電管為常閉狀態(tài),,當(dāng)被檢車(chē)輛行駛到檢測(cè)工位遮擋住紅外發(fā)射光電管時(shí),接收光電管為開(kāi)斷狀態(tài),,接收光電管的開(kāi),、閉狀態(tài)表示了車(chē)輛是否到位信息。
  LED顯示屏用來(lái)顯示檢測(cè)過(guò)程信息和檢測(cè)結(jié)果,。引車(chē)員和尾氣排放檢測(cè)員可在LED顯示屏的顯示信息指引下進(jìn)行相應(yīng)操作,。
  尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為:當(dāng)車(chē)輛登錄上線檢測(cè)時(shí),工控計(jì)算機(jī)發(fā)出車(chē)輛進(jìn)線消息,,提示被檢車(chē)輛進(jìn)入檢測(cè)工位,。當(dāng)工控計(jì)算機(jī)檢測(cè)到接收光電管為開(kāi)斷狀態(tài)時(shí),表示車(chē)輛到位,,可開(kāi)始尾氣檢測(cè),。檢測(cè)程序?qū)磭?guó)標(biāo)GB18285-2005規(guī)定的測(cè)量方法進(jìn)行。檢測(cè)過(guò)程中,,尾氣排放檢測(cè)員按LED顯示屏的指示將取樣探頭插入被檢車(chē)輛排氣管中,,將轉(zhuǎn)速測(cè)量鉗按要求與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部分相連接;尾氣分析儀從串口接收工控計(jì)算機(jī)的命令,,采集排氣污染物,;引車(chē)員則按LED顯示屏的指示信息操縱汽車(chē)進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速,、高怠速、怠速等狀態(tài),,配合尾氣分析儀按照檢測(cè)程序完成尾氣排放測(cè)量,。
  2 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)
  軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng),,在硬件平臺(tái)確定之后,,就可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的軟件模塊,實(shí)現(xiàn)不同的功能,。汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用NI 的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW8.2開(kāi)發(fā),,模塊化設(shè)計(jì)。按雙怠速法檢測(cè)尾氣排放的程序流程圖如圖2所示,。
  雙怠速法尾氣檢測(cè)程序的執(zhí)行過(guò)程為:首先在主程序界面上輸入被檢車(chē)輛基本信息,,然后通過(guò)LED顯示屏提示受檢車(chē)輛進(jìn)入檢測(cè)工位,通過(guò)讀取紅外接收光電管的狀態(tài)判斷車(chē)輛到位情況,。若車(chē)輛到位,,則按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的雙怠速測(cè)量方法進(jìn)行尾氣排放檢測(cè),檢測(cè)數(shù)據(jù)由串口輸入,。最后計(jì)算數(shù)據(jù),,顯示、存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果,。為直觀起見(jiàn),,采集到的原始數(shù)據(jù)可用曲線圖的形式輸出。
  在檢測(cè)程序設(shè)計(jì)中,,由于工控計(jì)算機(jī)和尾氣分析儀是通過(guò)串口來(lái)傳送測(cè)量命令和測(cè)量數(shù)據(jù)的,,因此串行通信程序是檢測(cè)軟件中最關(guān)鍵的模塊之一。在 LabVIEW8.2中,,可以利用VISA模塊編寫(xiě)串行通信程序,,這樣可以擺脫煩瑣的底層命令,輕松實(shí)現(xiàn)工控計(jì)算機(jī)與儀器之間的通信,。
        VS5067-5汽車(chē)尾氣分析儀通信參數(shù)為:9600波特率,、8位數(shù)據(jù)位、無(wú)奇偶校驗(yàn),、1位停止位,,通信命令包含:計(jì)算機(jī)控制、CAL,、測(cè)量,、讀數(shù)據(jù)、結(jié)束測(cè)量、手動(dòng)操作等,,命令格式為多字節(jié)的ASCII碼形式,,例如,“計(jì)算機(jī)控制”命令為:02H,,*,,S,R,,E,,M,20H,,K,,O,03H,,即10個(gè)字節(jié)的ASCII碼,。同樣,儀器的應(yīng)答信號(hào)也是多字節(jié)的ASCII碼,,例如,,對(duì)應(yīng)“計(jì)算機(jī)控制”命令的應(yīng)答信號(hào)為9個(gè)字節(jié)的ASCII碼,,即:02H,,*,S,,R,,E,M,,20H,,0,03H,。也就是說(shuō),,工控計(jì)算機(jī)與尾氣分析儀之間的串行數(shù)據(jù)均為多字節(jié)的ASCII碼信息。由于在程序開(kāi)發(fā)中,,一般ASCII碼用十六進(jìn)制表示比較方便,,因此,串行發(fā)送與接收數(shù)據(jù)就存在著數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換的問(wèn)題,。在LabVIEW8.2中,,ASCII碼與十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換可以很方便的用“字節(jié)數(shù)組至字符串轉(zhuǎn)換”、“字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換”兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn),。以發(fā)送“計(jì)算機(jī)控制”命令為例,,LabVIEW8.2設(shè)計(jì)的串行通信程序如圖3所示。 
  串行通信程序的編寫(xiě)過(guò)程如下:
  (1)串口初始化
  按照VS5067-5汽車(chē)尾氣分析儀通信協(xié)議,,利用LabVIEW8.2函數(shù)選板的【數(shù)據(jù)通信】→【協(xié)議】→【串口】子選板中的“VISA配置串口”函數(shù)初始化串口為波特率9600bps,,數(shù)據(jù)位8位,,1位停止位,無(wú)奇偶校驗(yàn)位,,選擇工控計(jì)算機(jī)的COM1口,。
  (2)發(fā)送測(cè)量命令
  當(dāng)工控計(jì)算機(jī)要向尾氣分析儀發(fā)送測(cè)量命令時(shí),可利用“VISA寫(xiě)入”函數(shù)發(fā)送,。由于尾氣分析儀的命令為多字節(jié)的ASCII格式,,因此需要將命令組建成一個(gè)數(shù)組,再利用“字節(jié)數(shù)組至字符串轉(zhuǎn)換”函數(shù)將數(shù)組轉(zhuǎn)換為字符串發(fā)送,。圖3中示意的是“計(jì)算機(jī)控制”命令的發(fā)送情況,,“計(jì)算機(jī)控制”命令的十六進(jìn)制表示為:02H,2AH,,53H,,52H,45H,,4DH,,20H,4BH,,30H,,03H。
  (3)接收應(yīng)答信號(hào)
  當(dāng)尾氣分析儀接收到工控計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的命令后,,會(huì)相應(yīng)返回應(yīng)答信號(hào),,程序設(shè)計(jì)中,可利用“VISA讀取”函數(shù)接收儀器的應(yīng)答信號(hào),,再利用“字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換”函數(shù)將接收到的ASCII數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)據(jù),。例如,當(dāng)儀器收到“計(jì)算機(jī)控制”命令后,,返回的應(yīng)答信號(hào)十六進(jìn)制表示為:02H,、2AH、 53H,、52H,、45H、4DH,、20H,、30H、03H,。如果工控計(jì)算機(jī)向儀器發(fā)送“讀數(shù)據(jù)”命令,,則儀器返回的應(yīng)答信號(hào)中就包含了HC、CO、 CO2,、O2,、NO以及轉(zhuǎn)速、油溫,,λ(過(guò)量空氣系數(shù))等檢測(cè)數(shù)據(jù),。
  4)關(guān)閉串口
  當(dāng)工控計(jì)算機(jī)要停止尾氣檢測(cè)時(shí),可利用“VISA關(guān)閉”函數(shù)關(guān)閉串口,,釋放LabVIEW占用的資源,。
  3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  我們對(duì)基于LabVIEW8.2開(kāi)發(fā)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了多臺(tái)汽車(chē)的尾氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,,選擇了不同的汽車(chē)類(lèi)型,,得到了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4 為一輛小客車(chē)的測(cè)量結(jié)果,,圖中顯示的是怠速和高怠速HC的原始數(shù)據(jù)曲線,,也可選擇顯示CO或其他參數(shù)的數(shù)據(jù)曲線。
  4 結(jié)束語(yǔ)
  本系統(tǒng)以LabVIEW8.2為開(kāi)發(fā)平臺(tái),,可以方便的對(duì)HC,、CO、CO2,、O2,、NO等汽車(chē)排氣污染物濃度進(jìn)行檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精度,。另外,,通過(guò)在工控計(jì)算機(jī)上配置網(wǎng)卡,可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣的聯(lián)網(wǎng)檢測(cè),,從而很方便地將汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于新車(chē)研究開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)、新車(chē)的出廠檢驗(yàn)和交通管理部門(mén)對(duì)上路車(chē)輛定期檢驗(yàn)的汽車(chē)綜合性能檢測(cè)線中,,應(yīng)用前景十分廣闊,。
 
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