姚 強(qiáng)，端方勇，祖萬里

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230091）

21世紀(jì)以來中國汽車保有量不斷攀升，截止2020年末全國民用汽車保有量28087萬輛［1］，能源短缺、霧霾污染等問題日益凸顯。為緩解這一系列問題，國家相關(guān)部委對汽車制造企業(yè)生產(chǎn)車輛的平均油耗管控日趨嚴(yán)格，并制定了《GB/T 19233-2020輕型汽車燃油消耗量試驗(yàn)方法》。

在汽車消費(fèi)市場，車輛的燃油消耗值逐漸成為消費(fèi)者在購車時(shí)考慮的重要因素之一，在客戶日常使用過程中燃油消耗量大時(shí)常會引起客戶強(qiáng)烈的抱怨，因此汽車生產(chǎn)企業(yè)在車輛出廠前會進(jìn)行一系列的燃油經(jīng)濟(jì)性測試。

目前，測量汽車的燃油消耗一般采用碳平衡法利用排放分析儀間接測試或者通過流量計(jì)（質(zhì)量式或體積式）串聯(lián)于汽車油路中直接測試。小野公司生產(chǎn)的FP-2140HA體積式流量計(jì)作為一種便攜式油耗測試設(shè)備，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)的燃油消耗測試中。

1 小野FP-2140HA流量計(jì)介紹

FP-2140HA流量計(jì)（圖1）為日本小野公司生產(chǎn)的一款體積式流量計(jì)，其量程廣、精度高、響應(yīng)快、重復(fù)性好、有可逆補(bǔ)償裝置，即使在脈流及逆流時(shí)也能保證高精度測試，且結(jié)構(gòu)安全、可靠，能直接裝在汽車上長時(shí)間連續(xù)測試使用，被眾多汽車廠商廣泛應(yīng)用。其參數(shù)及原理見表1。

圖1 FP-2140HA流量計(jì)

表1 FP-2140HA流量計(jì)參數(shù)

圖2為小野流量計(jì)原理，流量計(jì)分為上下兩部分。下部：流量/轉(zhuǎn)速變換部。它由4個(gè)呈輻射狀的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再帶動(dòng)曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，流體依次從活塞流入、流出，使流量轉(zhuǎn)變成曲軸的轉(zhuǎn)速。上部：轉(zhuǎn)速/脈沖信號變換部。曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過磁性聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，就把轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)的脈沖信號。通過信號端子，把該脈沖信號送到DF、FM系列運(yùn)算顯示儀中，顯示出瞬間或累計(jì)流量。

在使用過程中將FP-2140HA流量計(jì)接入車輛油路中，并將流量計(jì)信號接入到小野DF-210A、FM-2500、FM1500流量顯示儀。顯示儀可以顯示燃油的瞬時(shí)油耗、記錄一段時(shí)間或距離內(nèi)的燃油累積消耗量燃油，試驗(yàn)過程中的燃油瞬時(shí)消耗值無法記錄。

在整車經(jīng)濟(jì)性能分析中燃油瞬時(shí)消耗值是關(guān)鍵的過程數(shù)據(jù)，高頻率、準(zhǔn)確、可靠的燃油瞬時(shí)油耗數(shù)據(jù)可以分析出任意階段的燃油消耗情況，為整車降低油耗開發(fā)方案提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。利用FP-2140HA流量計(jì)測試車輛的瞬時(shí)油耗，開發(fā)一套集成車速信號測試的高頻數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)整車燃油消耗的高頻率采集分析功能。

2 小野FP-2140HA流量計(jì)輸出信號分析

2.1 信號分析方案

FP-2140HA流量計(jì)信號接口為5針插接器，針腳1為信號1，針腳2為信號2，針腳3為搭鐵線，針腳4為屏蔽線，針腳5為電源正。將小野流量計(jì)FP-2140HA接入車輛燃油供給系中，并使用其配套的二次儀表DF-210A測量顯示燃油消耗，同時(shí)測試二次儀表上輸出的模擬信號V-out、頻率信號Pout、針腳1、針腳2的信號。通過二次儀表油耗顯示值、二次儀表輸出值與所采集的針腳1與針腳2的原始信號，解析出針腳1信號、針腳2信號與油耗信號的關(guān)系，信號解析原理如圖3所示。

圖3 信號解析原理圖

2.2 信號采集分析

試驗(yàn)中使用PXI共采集了5路信號的數(shù)據(jù)，采樣頻率為10kHz。其中二次儀表的P-out和流量計(jì)1、2號針腳上的信號為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號，如圖4所示。在計(jì)算機(jī)上使用Matlab軟件編程對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波整理；其次對PXI的AI1、AI2、AI3三個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)和分析。小野油耗傳感器接口的1針和2針輸出的兩路脈沖信號相位差為一定值，而且兩路信號之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，因此把兩路方波放在同一個(gè)坐標(biāo)軸下。我們對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小野流量計(jì)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)時(shí)，流量計(jì)接口1針的下降沿對應(yīng)流量計(jì)接口2針的高電平，當(dāng)流量計(jì)內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)時(shí)，流量計(jì)接口1針的下降沿對應(yīng)流量計(jì)接口2針的低電平。流量計(jì)正反轉(zhuǎn)脈沖信號對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖4 1針和2針及P-out脈沖圖

圖5 流量計(jì)正反轉(zhuǎn)時(shí)第1針和第2針的關(guān)系

根據(jù)上面這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用Matlab進(jìn)行以下處理。當(dāng)流量計(jì)接口1針脈沖為下降沿時(shí)，對應(yīng)流量計(jì)接口2針脈沖為高電平時(shí)計(jì)數(shù)加1，低電平時(shí)計(jì)數(shù)減1處理，以下稱為流量計(jì)1針有效脈沖；當(dāng)流量計(jì)接口2針脈沖下降沿時(shí)，對應(yīng)流量計(jì)接口1針脈沖為低電平時(shí)計(jì)數(shù)加1，高電平時(shí)計(jì)數(shù)減1處理，以下稱為流量計(jì)2針有效脈沖，最后使用表格表示計(jì)數(shù)結(jié)果。各個(gè)信號脈沖數(shù)目統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)分析油耗傳感器脈沖當(dāng)量的油耗

通過以上數(shù)據(jù)可以看出無論以油耗傳感器接口的1針還是2針的有效脈沖進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果都是相同的。通過實(shí)車應(yīng)用測試的油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和二次儀表Pout脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定流量計(jì)1針或2針的每個(gè)有效脈沖代表的耗油量相同，均為0.09065mL。

3 基于小野FP-2140HA流量計(jì)的車輛油耗采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 油耗采集原理及方法

從以上分析可知小野FP-2140HA流量計(jì)采用正交編碼器［2］（又名增量式編碼器），其輸出的兩路脈沖序列相位相差90°，通過檢驗(yàn)?zāi)膫€(gè)序列領(lǐng)先可確定計(jì)數(shù)器增減，從而同時(shí)獲得油管中汽油流動(dòng)的位置和方向兩個(gè)信息。

通過數(shù)字采集通道采集油耗儀兩列脈沖信號，并根據(jù)編碼關(guān)系計(jì)算出有效脈沖的計(jì)數(shù)值，根據(jù)其與脈沖當(dāng)量的關(guān)系換算出實(shí)際油耗值。采集脈沖信號的同時(shí)記錄時(shí)間信息，與得到的油耗值相關(guān)聯(lián)。通過計(jì)算油耗與時(shí)間的關(guān)系，可得出瞬時(shí)油耗值。由此完成了瞬時(shí)油耗的采集。

3.2 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采集系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)基于NI cRIO-9012數(shù)據(jù)采集平臺［3］，實(shí)現(xiàn)油耗和車速傳感器信號的采集、CAN總線通信、U盤保存數(shù)據(jù)、狀態(tài)指示等功能。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和處理，界面顯示和管理等功能。上位機(jī)與下位機(jī)通過Kvaser USBcan II設(shè)備實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。油耗瞬時(shí)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 瞬時(shí)油耗采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 cRIO采集器功能實(shí)現(xiàn)

采用NI的cRIO-9012控制器作為數(shù)據(jù)采集平臺處理器，它具有良好的功能擴(kuò)展性，通過在機(jī)箱配置不同的功能模塊并編寫控制軟件，可實(shí)現(xiàn)各種不同的功能?？梢酝ㄟ^配備的模塊實(shí)現(xiàn)串口通信、CAN總線通信、模擬電壓信號采集、模擬電流信號采集、數(shù)字信號通信等功能。對模塊各個(gè)接口定義完畢并寫入軟件后，引出接線端子，完成cRIO采集器的設(shè)計(jì)和制作。實(shí)物如圖7所示。在瞬時(shí)油耗采集系統(tǒng)中，對于各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，分別使用cRIO控制器及以下功能擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。

1）瞬時(shí)油耗采集 通過NI 9403數(shù)字輸入/輸出模塊，采集FP-2140HA流量傳感器的兩路脈沖序列信號，并解析轉(zhuǎn)換為有效脈沖的脈沖計(jì)數(shù)信息，將數(shù)據(jù)保存為數(shù)字邏輯信號后再對其進(jìn)行計(jì)數(shù)和計(jì)算。信號采樣頻率為50kHz，采樣周期為20μs。對有效脈沖的計(jì)數(shù)采用X4編碼方法，使有效脈沖計(jì)算精度提高到0.25個(gè)脈沖。

2）車速信息采集 通過NI 9205模擬輸入模塊，采集車速傳感器輸出的模擬電壓信號，并轉(zhuǎn)換為車速信息，模擬電壓采樣范圍為±10V。通過測得的模擬電壓數(shù)值，按照車速傳感器對應(yīng)的轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，即可得到車速數(shù)字信號。

3）CAN總線通信 下位機(jī)通過NI 9853雙端口高速CAN模塊，將采集解析后的數(shù)據(jù)信息通過CAN總線傳送給上位機(jī)，同時(shí)，上位機(jī)通過CAN總線發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制。本系統(tǒng)采用瑞典Kvaser公司的基于USB的雙通道CAN總線分析儀Kvaser USBcan II收發(fā)CAN數(shù)據(jù)。

4）下位機(jī)數(shù)據(jù)保存 將USB大容量存儲設(shè)備連接至cRIO-9012，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將通過.txt文本文件保存其中。

3.4 百公里油耗計(jì)算方法

采集單位時(shí)間NI 9403數(shù)字輸入/輸出模塊采集流量傳感器FP-2140HA的兩列脈沖序列信號，將數(shù)據(jù)保存為數(shù)字邏輯信號后再對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，對有效脈沖的計(jì)數(shù)采用X4編碼方法，使有效脈沖計(jì)算精度提高到0.25個(gè)脈沖。從NI 9205模擬輸入模塊，車輛車速信號v。百公里油耗Q［4］計(jì)算如下：

式中：Q——百公里油耗，100km/l；k——流量傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)；f——流量傳感器的系數(shù)，0.09065ml。

4 采集軟件功能

采集軟件主要包括數(shù)據(jù)接收與分析顯示程序、保存數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換程序，通過LabVIEW編寫［5］。程序架構(gòu)如圖8所示，程序界面如圖9所示。

圖8 上位機(jī)LabVIEW程序架構(gòu)

圖9 上位機(jī)LabVIEW程序主界面

5 總結(jié)

通過實(shí)際測試，基于小野FP-2140HA流量計(jì)設(shè)計(jì)的車輛油耗采集系統(tǒng)完全滿足車輛油耗的測試研究，油耗信號脈沖分辨率達(dá)0.25個(gè)脈沖，時(shí)間精度微秒級，數(shù)據(jù)更新頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)，當(dāng)前最高達(dá)10Hz，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了油耗數(shù)據(jù)的高頻采集、顯示、記錄，可以滿足車輛道路和臺架油耗試驗(yàn)。