張德福　高金龍　黃春焱

摘 要：構(gòu)建完善的內(nèi)燃機實時運行參數(shù)采集系統(tǒng)，是實現(xiàn)內(nèi)燃機參數(shù)采集、傳輸、分析的重要前提。隨著智能設(shè)備的發(fā)展，使內(nèi)燃機參數(shù)采集系統(tǒng)延伸到每個相關(guān)廠家和研發(fā)公司，因此智能化、自動化的內(nèi)燃機參數(shù)采集系統(tǒng)得到了高速的推廣、發(fā)展。文章分別從內(nèi)燃機參數(shù)采集系統(tǒng)的發(fā)展概況、系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢等方面介紹論述了內(nèi)燃機參數(shù)采集系統(tǒng)在內(nèi)燃機發(fā)展過程中的重要意義和作用。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機參數(shù)；采集系統(tǒng)；智能設(shè)備；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.098

0 引言

隨著全球可利用能源的消耗以每年1%左右的速度持續(xù)增長，導致的環(huán)境問題日益突出，同時排放法規(guī)也日趨嚴格。在內(nèi)燃機方面，我國內(nèi)燃機的能源消耗量占國內(nèi)石油消耗總量的2/3以上[1]，如何減少對能源資源的消耗，降低對環(huán)境的破壞是人們最為關(guān)心的。進行內(nèi)燃機臺架性能試驗，對內(nèi)燃機運行參數(shù)進行實時監(jiān)控與分析，是對內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性進行有效分析，對內(nèi)燃機進行升級改造的必要手段。隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)與發(fā)展，對內(nèi)燃機數(shù)據(jù)的采集從最初的人工采集發(fā)展到現(xiàn)在的信息化、自動化、智能化，從原來較為單一的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計功能，進化升級得到了實時精確的內(nèi)燃機性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為內(nèi)燃機的性能指標分析提供了進行數(shù)據(jù)分析和挖掘的平臺。

1 內(nèi)燃機參數(shù)采集系統(tǒng)的發(fā)展歷程

內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)設(shè)備是在內(nèi)燃機臺架試驗中專門用于內(nèi)燃機的性能測試、技術(shù)研究及設(shè)計的專用設(shè)備。國外對內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)的研究開發(fā)起步較早，從1876年奧托測錄繪制得到的第一張內(nèi)燃機示功圖至今[2]，國外已經(jīng)開發(fā)出了很多成熟的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。上世紀80年代，我國從日本的小野公司以及奧地利的AVL公司購買引進了一些內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集??系統(tǒng)和燃燒分析設(shè)備，這些裝置促進了我國對內(nèi)燃機的燃燒分析與采集系統(tǒng)的研發(fā)。雖然國外采集系統(tǒng)及燃燒分析系統(tǒng)的技術(shù)研究比較成熟，功能強大，但其價格過于昂貴，對我國技術(shù)保密，一旦發(fā)生故障，維修困難。因而開發(fā)國產(chǎn)的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與燃燒分析系統(tǒng)是非常必要和迫切的，80年代國內(nèi)廣大的內(nèi)燃機試驗和研發(fā)工作者們在消化吸收國外先進的采集系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，努力奮斗，自主創(chuàng)新，加快了國內(nèi)采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)，開發(fā)出了一些屬于我們自己的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。

內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在內(nèi)燃機研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要依靠人工，使用大量的各類一次儀表、二次儀表進行實時測量，同時需要手工記錄每個儀表的測試數(shù)據(jù)，需要用人工手動的方式控制參數(shù)的變化，直到最后曲線的繪制、表格的填寫，均以手工方式來完成。導致采集到的數(shù)據(jù)同步性較差，降低了測試效率與精度，隨后的試驗數(shù)據(jù)的處理及存儲的工作量大、效率也低。

20世紀50年代計算機的出現(xiàn)及發(fā)展，使其在內(nèi)燃機的數(shù)據(jù)采集方面得到了應(yīng)用，促使內(nèi)燃機的從試驗臺架采集數(shù)據(jù)信息，由傳統(tǒng)的手工方式轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘杂嬎銠C為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時對采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)了簡單處理，降低了人工對繁瑣數(shù)據(jù)的處理及勞動強度、減少了試驗數(shù)據(jù)的誤差[3]。但鑒于當時技術(shù)的不成熟，存在著采集系統(tǒng)維護難度大，采集到的數(shù)據(jù)丟包率較高，數(shù)據(jù)準確度低，成本高、功耗大等缺點。

隨著智能化儀器的進步，微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的不斷完善與成熟，原來的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生了很大改變。由軟件系統(tǒng)和采集儀器、顯示儀表相互結(jié)合，發(fā)展形成了現(xiàn)在的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，擁有良好的性能，比最初的以計算機、檢測器構(gòu)成的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更準確好用。降低了系統(tǒng)的功耗與成本，增強了系統(tǒng)功能，數(shù)據(jù)的處理能力得到大幅提高，發(fā)展得到了綜合測試性質(zhì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使內(nèi)燃機的性能測試、數(shù)據(jù)采集得到了快速發(fā)展。

2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

當前，國外已經(jīng)發(fā)展形成了很多著名品牌，形成了一條成熟完整的產(chǎn)業(yè)鏈。國外目前成熟的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品主要有，如表1所示[4]。這些內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及設(shè)備大多基于計算機系統(tǒng)，快捷高效，準確方便。

針對國外各種內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品以下分三個方面進行介紹：

2.1 使用功能方面

國外的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要用于對內(nèi)燃機性能進行測試和對燃燒特性進行分析，因而也被稱為燃燒分析儀。通常其燃燒分析系統(tǒng)以強大的數(shù)據(jù)采集模塊作為硬件基礎(chǔ)，并基于WINDOWS組合成簡捷的用戶界面，系統(tǒng)可以同時計算、顯示并記錄每個氣缸的大量燃燒數(shù)據(jù)，其專業(yè)性強，適合進行科學研究。但其功能較為單一，為全英文界面，軟件功能模塊的拓展功能較少，不能對其已固化的功能進行改變，為加入自己的軟件增加了困難，二次開發(fā)的能力差，且由于其價格昂貴，所以國內(nèi)大部分內(nèi)燃機研究所和相關(guān)院校都難以承擔。造成了國內(nèi)相關(guān)單位從國外購買的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品在使用過程中數(shù)據(jù)的測量和分析都只能在原始的設(shè)備中運行與調(diào)用，不能被調(diào)出到其他設(shè)備進行使用。

2.2 性能指標方面

國外內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的各性能指標也在不斷提升，如奧地利AVL公司將A/D采樣頻率從250KHz提高到了2MHz，曲軸轉(zhuǎn)角的采樣分辨率從1deg.CA增加到0.025deg.CA。從單通道采樣發(fā)展到8，16或32或更多通道的采樣，通道數(shù)量可以根據(jù)需要任意擴展增加。數(shù)據(jù)的存儲容量也不斷增大。通過外部硬件電路提供的實時信號，并同時采用PWM技術(shù)對外部模擬信號的快速脈沖調(diào)制，實現(xiàn)了將內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速的變化而輸出軸的角位移，角速度等機械量的相應(yīng)變化信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號并以數(shù)字量輸出。使數(shù)據(jù)的采樣方式從異步采樣發(fā)展為同步采樣，減小了異步采樣在進行多線程任務(wù)時數(shù)據(jù)的滯后性所帶來的最終計算數(shù)據(jù)的誤差。同時也實現(xiàn)了從穩(wěn)態(tài)的內(nèi)燃機工況數(shù)據(jù)采集分析發(fā)展到對內(nèi)燃機工況可以進行瞬態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集，存儲、處理和分析。endprint

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成方面

在內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成上，國外的產(chǎn)品基本分為兩大類：

（1）基于單片機系列的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如奧地利AVL公司基于摩托羅拉公司的6809和68020 CPU所開發(fā)的AL640/650/660及AVL617/620系列內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；日本小野公司則使用美國英特爾公司的Z80、51、96系列單片開發(fā)了CB366/466/467/566系列的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）基于計算機系列的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如AVL公司的AVL617、AVL620和日本小野公司改進升級的新一代產(chǎn)品DS-9100都是基于計算機來進行的開發(fā)。在基于計算機的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品中，由A/D采樣板對內(nèi)燃機的工況參數(shù)進行實時采集。在較為固定的試驗場所，如試驗車間或者學校實驗室采樣板卡可以放在計算機中[5]，而在臨時的場所進行維修檢測時可將采集板卡根據(jù)實際需要放在單獨的系統(tǒng)中，如基于FPGA和USB轉(zhuǎn)接口的外掛式內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 國內(nèi)發(fā)展狀況

國內(nèi)眾多科研人員經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，研發(fā)出了屬于我們自己的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如上海內(nèi)燃機研究所研發(fā)的EAS900系列燃燒分析系統(tǒng)、華中科技大學的HG1208內(nèi)燃機分析儀、江蘇啟東公司的DJ-GCGZ-A型過程控制多功能檢測儀、總后車船所汽車發(fā)動機綜合檢測儀、湖南湘儀公司的FC2022/FC2020、BFY3000型內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集分析儀等，研究人員通過努力使我國的內(nèi)燃機測試和燃燒分析技術(shù)達到了世界較高的水平。

針對國內(nèi)各種內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品以下從使用功能、性能指標、系統(tǒng)構(gòu)成三個方面分別進行介紹：

3.1 使用功能方面

我國在自身內(nèi)燃機采集系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，對國外燃燒分析儀進行模仿與改進，針對國外產(chǎn)品數(shù)據(jù)不能被其他設(shè)備調(diào)用的情況，對AVL公司的AVL657型內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功的進行了二次開發(fā)，使用計算機的FORTRAN Ⅳ程序破解了在其PDP11 / 23PLUS配置中AVL SAT格式的文件數(shù)據(jù)，成功地在其他設(shè)備中實現(xiàn)了調(diào)用。針對國外老化的設(shè)備難以維修，有時甚至無法維修，無法進行升級換代的情況，國內(nèi)的研發(fā)者將AVL657型內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的PDP11 / 23PLUS和VT100終端系統(tǒng)由普通的486機代替，以及對AVL657的原裝軟件進行自編程，實現(xiàn)了原有功能移植到普通PC機上，結(jié)合上述對其數(shù)據(jù)在其他設(shè)備調(diào)用的開發(fā)，得到了AVL657 / 656的實用程序升級包。國內(nèi)使用AVL657 / 656的多家單位均采用了此技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)研發(fā)者對內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)進行了開發(fā)，研發(fā)出了適合我國國情的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如啟東的DJ-GCGZ-A型采集儀，以PC機為操作平臺，對采集到的數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換保存為多種數(shù)據(jù)格式，方便了在其他設(shè)備中的調(diào)用，并在國內(nèi)進行了此產(chǎn)品的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

3.2 性能指標方面

當前國內(nèi)開發(fā)的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D采樣頻率的范圍是從100KHz到1MHz，曲軸轉(zhuǎn)角的采樣分辨率精度為1deg.CA到0.1deg.CA，采樣通道數(shù)量為4～8。因此，無論是A/D采樣頻率，還是曲軸轉(zhuǎn)角的采樣精度跟國外的產(chǎn)品還無法相比，如湘儀公司的BFY3000型內(nèi)燃機氣缸壓力測量儀，基于CAN總線技術(shù)使A/D采樣頻率提高到1MHz，曲軸轉(zhuǎn)角的采樣精度為0.18deg.CA，且為單通道采集，目前在國內(nèi)只能在一般情況下使用，但內(nèi)燃機的工作過程復雜多變，其性能還遠遠不夠，而且基本上進行的是內(nèi)燃機穩(wěn)態(tài)試驗研究，測量結(jié)果僅有一定的參考價值，研究價值與國外相比還相對較低，因而與國外先進的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集儀器相比依然有一定的差距。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)成方面

國內(nèi)內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成類型與國外類似，同樣可分為兩類：

（1）基于單片機系列的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，國內(nèi)大部分研發(fā)單位采用英特爾公司的MCS-31、51等系列的8位單片機和少量的16位MCS-96系列單片機進行采集系統(tǒng)的開發(fā)，將傳感器采集到的信號經(jīng)電荷放大器放大以后通過濾波器濾除干擾信號，然后由A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的信號送入單片機，再由單片機對此數(shù)據(jù)信號進行分析與計算處理，最終通過外部設(shè)備進行顯示。

（2）基于計算機與采集板卡系列的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如湘儀公司的FC2020/2022發(fā)動機數(shù)據(jù)采集儀，其采集過程與基于單片機的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)類似，不同的是其對數(shù)據(jù)的采集是通過采集板卡來完成（如基于PCI/ISA總線技術(shù)），對數(shù)據(jù)的計算處理與分析則是通過計算機來完成的[6]。

4 結(jié)束語

相比之下，國外的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)更加系統(tǒng)化與商業(yè)化，如奧地利AVL公司的AVL-BOOST/CRUISE/EXCITE/FIRE等系列產(chǎn)品，德國FEV公司的FEVIS、FEV-TCM/CAS等系列產(chǎn)品。AVL617/620、FEV-IS/CAS等產(chǎn)品實現(xiàn)了對內(nèi)燃機工況的數(shù)據(jù)采集，而且數(shù)據(jù)的精度與時效性得到了很大提升。如今的AVL-BOOST/FIRE等產(chǎn)品又實現(xiàn)了對內(nèi)燃機工況的模擬，更便于研發(fā)人員進行內(nèi)燃機舊機型的升級改造與新型內(nèi)燃機的研發(fā)。而國內(nèi)的內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析產(chǎn)品則在數(shù)據(jù)采集的精準度、快速性、數(shù)據(jù)分析與處理功能的全面性，使用的便捷性、可靠性等方面與國外存在一定的差距。而這些正是國內(nèi)目前在開發(fā)內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)過程中的技術(shù)難點。

隨著微電子技術(shù)、計算機科學與技術(shù)、測量與控制技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等各類工業(yè)新技術(shù)的發(fā)展。各種智能化、自動化的采集軟件與設(shè)備快速發(fā)展、應(yīng)運而生。我國可以抓住科技快速發(fā)展的時代機遇，根據(jù)我們自己的需要與實際情況，大量引進國外先進的設(shè)備，消化吸收國外先進的硬件和軟件技術(shù)，不斷研發(fā)符合我國國情的新一代內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)， 不僅要能實現(xiàn)對內(nèi)燃機參數(shù)實時與準確的采集，同時也應(yīng)實現(xiàn)對內(nèi)燃機工況的模擬，并對內(nèi)燃機的工作過程進行有效的控制，以滿足我國的科學研究和生產(chǎn)需求，并努力開拓與占領(lǐng)國際市場。

目前國外已經(jīng)開始基于數(shù)字信號處理器芯片來進行內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)，并得到了初步的商業(yè)化產(chǎn)品，如搭載AD210X系列數(shù)字信號處理器芯片的升級版AVL617。而國內(nèi)目前對內(nèi)燃機采集系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)還沒有成功得到使用DSP芯片的商業(yè)化數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，DSP芯片價格適中，二次開發(fā)能力強，符合我國國情。不僅對于國外，對我國這也將是一個很好的研究與開發(fā)方向。

參考文獻：

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[3]http：//www.docin.com/p-1520176694.html[DB/OL].

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[5]夏揚.計算機控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[6]陳麗萍，李岑.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與研究[J].電腦知識與技術(shù)，2015，11（17）：4-6.

天津科委一般項目，項目號：15JCYBJC21300；科委特派員項目，項目號：16JCTPJC53500。

作者簡介：張德福（1970-），男，博士，副教授。endprint