摘要：介绍了内燃机数据采集和分析系统的结构、工作原理、功能和特点。本系统采用工业控制计算机和应用软件固化运行方式，提高了系统的抗干扰和抗病毒能力；采用自行设计的硬件电路配以自行开发的软件，形成了具有独创性的DMA技术，使内燃机的多路参数能同时采样；采用高速A／D配以光电编码器，使采样分辨率达0．1° CA，提高了系统的测量精度和分析精度，并建立了放热规律和喷油规律的数学模型。还论述了内燃机试验参数的测量方法以及提高其测试精度的措施。
关键词：内燃机；工业控制计算机；数据采集；分析
An Investigation on the System of Data Acquisition and
Analysis in Internal Combustion Engines
WANG Ji-hua
(Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute，Wuxi 214063)
Abstract This paper introduces the structure、working principle、functions and features of an data acquisition and analysis system for internal combustion engines．Because the device uses an industrial computer and the application software is burned in it，the system has strong ability of anti-noise and anti-virus．The hardware circuit in combination with the software developed by the author has been used for forming an unique DMA technology and measuring simultaneously the multi-parameters in internal combustion engines．The high speed A／D and the optic electric encoder are adopted in the system to measure and analyses precisely．Its sampling resolution reaches as high as 0．1° CA．A mathematic model both for heat release rate and fuel injection characteristics is established．The methods to test the parameters of the internal combustion engine and the measures taken for improving measurement accuracy are also discussed．
Key words：Internal combustion engine；Industrial computer；Data acquisition；Analysis
引言
测试和分析气缸压力、泵端压力、嘴端压力、针阀升程等有关参数，并进行放热率和喷油速率的计算，是改进内燃机及喷油系统必不可少的环节。80年代以来，我国先后引进了国外的燃烧分析仪器，如日本小野测器公司研制的CB366、CB466、CB566，奥地利AVL公司的AVL636、AVL646、AVL657和AVL670等系列产品。但这些仪器在数据采集时除AVL670可以同时采保分时采集外，均采用多路转换器进行分时采样，不能同时采集同一时刻各通道的数据，从而降低了仪器的分析精度；另外，专业化程度高，只适合专业人员操作，而且价格昂贵，从而限制了其推广应用。因此需要研制开发适合我国国情的内燃机试验数据采集分析仪器。
1 内燃机试验参数的测量方法
一般的测试系统多采用通用的A／D板作数据采集装置，但内燃机燃烧分析仪有它的特殊性，必须以上止点和角标信号作为同步和采集触发脉冲。内燃机试验多参数的采集常采用以下方法：
（1） 分时采样。用一块A／D片配以多路转换器，对各路信号依次采集。这种方法硬件结构简单，但对A／D及多路转换器要求高，而且不管A／D转换速度多么快，当需采集的物理量信号个数较多时，最后采集的信号与最先采集的信号必然存在较大的时差，造成了系统测试精度的降低。
（2） 同步保持，分时采样。即采用多块采样保持器和一块A／D转换器，各采样保持器在采样脉冲的控制下同步工作，可实现对多路信号的同步采集，但要保证有较高的采样速率，对A／D转换器的转换速率、模拟开关的切换速度和性能以及采样保持器的特性都要求很高。
（3） 同步采样。使用多块A／D转换器，分别进行A／D转换，这种方法能达到很高的转换速度，不存在模拟信号间的相互串扰问题，但硬件电路设计复杂。
本系统采用多路A／D分别进行转换的方法，用自行设计的硬件电路与软件巧妙结合，能达到多通道同时采样的目的。
2 系统结构和工作原理
本系统由工业控制计算机、数据采集器、高分辨率彩色显示器、键盘、电子盘、软盘驱动器、光电编码器及打印机等组成，可测量气缸压力、增压器压力、泵端压力、嘴端压力、针阀升程、喷油规律、驱动扭矩、上止点及转速等信号，并可进行放热率和喷油速率的计算，整个系统组成上下位机联机的柜式结构。图1为系统结构框图。
图1 系统结构框图
| 2．1 上位机结构 本系统上位机采用ArborPIA-650系列工业控制计算机，用于人机界面、数据处理、结果输出及磁盘操作。系统的CPU模板采用“ALL-IN-ONE”设计思想和表面贴装生产工艺，提高了系统的可靠性，小板结构具有良好的抗冲击、抗震动和降低干扰影响等优点。由于带机械传动的磁盘系统可靠性和寿命均低，此外加载到内存的DOS易受电磁干扰而被破坏以及计算机病毒的侵入，因此本系统采用ROM DOS操作形式和用户程序固化运行方式，利用无源阻容匹配网络提高了PC总线的抗干扰能力。图2为上位机结构框图。 |
图2 上位机结构框图
| 2．2 下位机结构 下位机由STD总线构成单片机系统作为数据采集器。CPU用89C51单片机，A／D转换器为MAX120，MAX120是12位、采样速率500 kHz、含采保低漂移基准ADC，转换时间为1．6μs，－5V～＋5V模拟信号输入。图3为下位机结构框图。 |
图3 下位机结构框图
| 2．3 角标器及上止点信号测量 在内燃机瞬态参数测量中，一般均以曲轴转角而不是以时间作为基准，因为内燃机的转速波动较为严重，即使在工况稳定运转时，角加速度在曲轴旋转的过程中并不为0，从而使得内燃机在转过相同角度时所用的时间并不相等，简单地以时间作为变量进行瞬态数据的采集，不能准确地反映曲轴旋转到某一位置时内燃机的状态［1］。因此，精确地感应曲轴转角的位置并加以测量对于内燃机的瞬态测试是非常重要的。 本仪器用光电编码器作为角标器。光电编码器用铬圆光栅作分度元件，带有720线明暗相间刻度的可旋编码盘，在编码盘的两侧设有相对的红外发光与接收元件，当编码盘与内燃机曲轴一起旋转时，接收系统感应到编码盘上编码刻度产生的光信号脉冲，通过光电转换将轴旋转角位移转换成电脉冲信号，最后由比较放大与功率驱动电路变为TTL方波脉冲，数据采集器据此信号在方波的下降沿触发，完成一次数据采集。另外，为了确定曲轴转角的基准点，角标器还输出一个零位信号，以便与内燃机的上止点相对应。但由于安装时其位置是随机的，无法作为相对基准，采用倒拖法或灭缸法测取纯压缩线，其压力最高点相对于零位信号的位置作为压缩上止点。 另外，本系统还可采用内触发脉冲作为采样触发信号，可用于数据采集系统的调零、标定以及无法安装光电编码器的场合。 2．4 软件结构 本系统采用上下位机结构，上位机用C语言编程，全中文信息提示和多级下拉式菜单用户界面，可方便地选择测试项目、输入参数、输出结果及数据处理。图4为其软件结构框图。 |
图4 上位机软件结构框图
| 下位机软件用MCS-51汇编语言编制，同时采集多通道数据、设置定时计数器及管理异步通讯串行口和数据预处理。图5为
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