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034100432王袁超
传感器数据测试系统的设计
【摘要】
本文的主题是“氧传感器数据测试系统的设计”，主要阐述了数据测试系统的设计过程和测试。
此测试系统所用的是NI公司的PCI-6010数据采集卡，是基于labview7.1express平台编程设计的。
它具备如下功能：
最大与最小电压值的测试、上升与下降响应时间的测试、控制信号输出、数据储存。
文章对上述的功能模块进行了逐一分析，并进行了整个测试系统的程序调试与研究。
本测试系统对汽车用氧传感器的数据测试与研究有良好的应用价值。
【关键词】
氧传感器，NI数据采集卡，Labview语言，测试系统
SensorDataTestingSystemDesign
【Abstract】
Inthispaper,thethemeis"oxygensensordatatestingsystemdesign".Itmainlydescribesthetestingsystemdesignprocessandtest.Thistestingsystemisusedinthecompany'sPCI-6010NIdataacquisitioncard.Itisaprogrammingdesignwichisbasedonthelabview7.1expressplatform.Itisequippedwiththefollowingfeatures:
maximumandminimumvalueofthetestvoltage,riseandfallinresponsetothetestoftime,thecontrolsignaloutput,datastorage.Inthispaperthefunctionsofeachmoduleaboveandtheentiretestsystemforprogramdebuggingandresearchisanalysed.Thetestsystemusedinthecaroxygensensordatatestingandresearchisagoodvalue.
【Keywords】
Oxygensensor，NIdataacquisitioncard，Labviewlanguage，Tastingsystem
目录
第一章绪论1
1.1选题的背景及意义1
1.2氧传感器简述2
1.2.1空燃比（A/F）浓差电池式氧传感器2
1.2.2氧传感器在三元催化控制系统中的应用3
1.3本测试系统设计完成的几项功能和特点4
第二章虚拟仪器与LABVIEW介绍6
2.1虚拟仪器概述6
2.2Labview介绍6
2.2.1Labview概述6
2.2.2Labview中的基本概念（VI的概念）7
2.2.3LabVIEW的操作模板7
第三章测试系统的硬件部分简述9
3.1数据采集系统的测试装置9
3.2数据采集卡的选择10
第四章测试系统的软件设计12
4.1软件设计的总体思路与结构12
4.2各功能模块程序设计12
4.2.1显示模块12
4.2.2最大值与最小值模块13
4.2.3上升时间与下降时间模块14
4.2.4控制信号输出模块17
4.2.5储存模块17
4.3完整程序19
4.3.1程序前面板的修饰19
4.3.2程序整体分析21
第五章测试系统的调试24
5.1硬件的安装调试24
5.2软件的调试24
5.2.1数据采集卡的任务配置24
5.2.2开启程序26
5.2.3任务选择27
5.2.4程序的调试27
5.2.5程序的改进过程29
总结31
致谢32
参考文献33
第一章绪论
1.1选题的背景及意义
随着人们对汽车的需求越来越大，汽车已逐渐成为人们生活的必需品。
而随之带来的污染、能源短缺等问题也就越来越严重。
汽车的有害排放物主要来自发动机的排气，汽车尾气所含的有害物主要有CO、HC、NO、SO以及微粒物质（铅化物、碳烟、油雾等）等，这些有害污染物的排放已经威胁到人类赖以生存的环境。
针对越来越严重的汽车尾气污染问题，世界各国都着力对汽车发动机燃烧进行了技术改造，其中汽油发动机电子控制燃油喷射技术，即汽车电喷发动机控制
图1.1氧传感器在汽车电喷系统的应用图[1]
系统是被广泛采用的一种十分有效的手段。
而这一技术的实现关键正是通过氧传感器来完成（如图1.1），通过氧传感器对汽车发动机的空燃比（A／F）进行调节，控制发动机中的燃烧过程，既可解决排气净化问题，又可提高燃料的燃烧效率，节约能源。
然而要实现开发性能优异的氧传感器，势必存在诸多的技术和工程问题。
其中，本设计完成的“汽车用氧传感器数据测试系统”就是关键项目之一。
这个系统主要完成氧传感器的几项关键性能指标的测试，如最大电压，最小电压，上升响应时间，下降响应时间等（在后面章节将详细分析）。
根据测试得到的这些数据，我们就可以判别氧传感器是否合格。
1.2氧传感器简述
氧传感器已广泛应用与各个领域，在汽车领域中的应用更是十分显著。
了解它的应用原理也是本项“测试系统”设计的必要前提。
因此，在这里简单阐述一下它的应用原理以及它的电学特性。
1.2.1空燃比（A/F）浓差电池式氧传感器
目前，有多种汽车用氧传感器，空燃比（A/F）浓差电池式氧传感器是典
型的一种，其基本结构原理可由图1.2模型表示。
其右为实物样品图。
其原理为：
固体电解质两边氧分压差而产生浓差电势[2]。
根据能斯特公式,浓差电势:
式中：
E——传感器浓差电势（V）；
R——气体常数（8.314J/mol·k）；
T——传感器温度；
F——法拉第常数；
PO2（Ⅰ）——气体参比氧分压值；
PO2（Ⅱ）——气体被测氧分压值
图1.2浓差电池式氧传感器基本结构原理[2]
图1.3汽车用浓差电池型氧传感器的输出特性[2]
浓差电池式氧传感器的输出特性如图1.3,图中λ为空然比（空气与燃料的比值）。
从输出特性图中，我们也可以知道：
氧传感器在空然比接近理想值（λ＝14.7）时的输出电动势在450mv左右变动，并且十分敏感。
也正是具有这样的特性使得它能够很好的应用于三元催化控制系统（下面将展开介绍）。
1.2.2氧传感器在三元催化控制系统中的应用
三元催化控制系统是汽车发动机电喷控制系统的一种，是含有三元催化剂的废气转化装置，安装在发动机排气管上对排放之前的发电机尾气有害成分CO、HC和NOX进行催化净化处理。
其工作原理图如图1.4。
图1.4三元催化控制系统的组成及工作原理[3]
由于三元催化装置的净化率跟通过的氧气含量相关，从图中可以看到当空气过剩率λ（定义为实际空燃比与理论空燃比的比值）的值为1时的净化率最大，因此，就需要氧传感器对尾气中的氧量进行测量，并配合其他设备进行控制，使尾气中尽量保持λ＝1，从而使装置达到最佳的净化率。
图1.5三元催化作用与氧传感器的输出特性关系[3]
结合汽车电喷发动机控制系统的组成及工作原理（三元催化系统）（图
1.4）与三元催化作用与氧传感器的输出特性关系（图1.5）具体控制过程如图1.6。
如此形成一个动态平衡，使得尽量达到理论状态，使装置达到最佳的净化率。
图1.6三元催化作用控制过程
注释：
输出电动势大于450mv视为大电动势，反之则为小电动势。
浓燃状态，是指空燃比（A/F）大于14.7的状态。
稀燃状态则相反。
1.3本测试系统设计完成的几项功能和特点
T1：
上升时间，即电动势从600mv降低到300mv所用的时间。
T2：
下降时间，即电动势从300mv上升到600mv所用的时间。
Vmax：
最大电动势值。
Vmin：
最小电动势值。
以上四项是表征氧传感器的电学输出特性的重要指标参数，因此，所要设计的软件系统也是围绕这些重要参数而展开的。
具体的功能如下：
（1）测试并得到氧传感器的最大输出电动势和最小电动势。
（2）测试并得到氧传感器的上升时间（电动势从600mv降低到300mv所用的时间。
）和下降时间（电动势从300mv上升到600mv所用的时间。
）。
（3）关键数据的保存功能，将最大电压，最小电压，上升时间，下降时间这四项数据以.xls表格文件形式保存与计算机中。
（4）具备输出控制信号功能，用以控制输气管电磁阀的离合。
第二章虚拟仪器与LABVIEW介绍
2.1虚拟仪器概述
传统仪器大多由以下三大功能模块组成：
对被测信号的采集与控制模块、分析与处理模块，以及测得结果的表达与输出模块。
传统仪器的这些功能度是以硬件（或固体化的软件）的形式存在的。
将这些功能移植到计算机上完成，在计算机上插上数据采集卡，然后利用软件在屏幕上生成仪器面板，并且用软件来进行信号的分析处理，这就构成了一台虚拟仪器。
[4]
虚拟仪器是一种全新的概念，它是利用计算机的硬件资源（CPU、存储器、显示器、键盘、鼠标）、标准数字电路（GPIB、RS－232接口总线、新型的VXI接口总线、信号调理和转换电路、图像采集电路、现场总线等）以及计算机软件资源（数据分析与表达、过程通信、图像用户界面等），经过有针对性的开发测试，使之成为一套相当于使用者自己设计的传统仪器。
[4]
简单的说，虚拟仪器技术就是用户自定义的基于PC技术的测试和测量解决方案。
相对于传统仪器，它有四大优势：
性能高、扩展性强、开发时间少、完美的集成功能。
[4]
虚拟仪器的特点有：
●具有可变性、多层性、自助性的面板。
●强大的信号处理能力。
●虚拟仪器的功能、性能、指标可有用户定义。
●具有标准的、功能强大的接口总线、板卡以及相应软件。
●虚拟仪器具有开发周期短、成本低、维护方便、易于应用的特点。
2.2Labview介绍
2.2.1Labview概述
Labview是美国国家仪器公司（NationalInstrument简称NI公司）推出的一门图形化编程语言，同时也是优秀而著名的虚拟仪器开发平台。
Labview是laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench的英文缩写，即实验室虚拟仪器集成环境，是一种图形化的编程语言――G语言。
与VB，VC++等基于文本型程序代码的编程语言不同，labview采用图形模式的结构图构建代码，因而，在使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的时用图标、连线构成的流程图。
因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
[4]
2.2.2Labview中的基本概念（VI的概念）
用labview开发出的应用程序被称为VI（virtualinstrument,即虚拟仪器）。
VI是由图标、连线以及框图构成的应用程序，由frontpanel（前面板）和blockdiagram（两部分构成）。
前面板是应用程序的界面，是人机交互的窗口，主要由controls（控制量）和indicators（显示量）构成。
后面板是VI的代码部分，也是VI的核心。
后面板主要由图标、连线和框图构成，这些图标、连线和框图实际上是一些常量、变量、函数、Vis，正是它们构成了VI的主体。
[4]
图2.1前面板与后面板
2.2.3LabVIEW的操作模板
在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函数（Functions）模板。
（如图2.2）这些模板集中反映了该软件的功能与特征。
图2.2工具模块、控制模块、函数模块
（1）工具模板（ToolsPalette）[5]
该模板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。
如果该模板没有出现，则可以在Windows菜单下选择ShowToolsPalette命令以显示该模板。
当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。
当从Windows菜单下选择了ShowHelpWindow功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（SubVI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。
（2）控制模板（ControlPalette）[5]
该模板用来给前面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。
每个图标代表一类子模板。
如果控制模板不显示，可以用Windows菜单的ShowControlsPalette功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。
（3）功能模板（FunctionsPalette）[5]
只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。
该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。
若功能模板不出现，则可以用Windows菜单下的ShowFunctionsPalette功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。
第三章测试系统的硬件部分简述
3.1数据采集系统的测试装置
图3.1车用氧传感器数据采集系统的测试装置
这是就车用氧传感器数据采集系统的测试装置（如图3.1），我们用2个阀门来控制煤气的输入，绝大部分的煤气是通过主阀门而进入的，空气通过另一个阀门进入。
当计算机中发出上升测试信号，则打开辅助阀门，增加空气的输入，从而由浓燃状态向稀燃状态转变，便可以测试它的上升响应特性；当计算机中发出下降测试信号，则关闭辅助阀门，减少空气的输入，从而由稀燃状态向浓燃状态转变，便可以测试它的上升响应特性。
而我本次设计所要做的就是数据采集的那部分，并进行分析研究。
[5]
首先完成熟悉LABVIEW编程环境，完成数据采集软件和方法的建立，然后完成数据采集板卡、待测传感器以及PC机的连接，建立如图所示的系统，并完成数据采集板卡的驱动。
其次将软件和硬件结合，根据设计要求，修改数据采集程序，直到测试获得符合要求的结果，完成整个采集系统的设计。
框图如下（如图3.2）所示：
图3.2整个采集系统框图[1]
3.2数据采集卡的选择
根据氧传感器在汽车发动机控制系统使用的技术要求及氧传感器自身的技术性能，对氧传感器电性能的测试装置的设计提出了如下技术指标：
1、电压测量范围：
－1000mv-1000mv
2、电压测试精度：
1mv
3、电压测试相对误差：
小于0.1％
4、响应时间测试范围：
0－9999ms
5、响应时间测试精度：
1ms
6、响应时间测试相对误差：
小于2％
根据以上的技术指标，我们选择了NI公司的DAQPCI-6010数据采集板卡（如图3.3），及其配套线缆和端子盒，根据数据采集卡6010的各项指标能满足这些要求，且与所用的编程软件Labview同属NI公司出品，兼容性比较高。
图3.3DAQPCI-6010数据采集板卡
数据采集板卡性能指标：
∙16个模拟输入通道（8个差分通道），2个模拟输出通道；
∙10条数字线（6条数字输入，4条数字输出）；
∙2个32位80MHz计数器/定时器；
∙采样率单通道200k多通道33.3k
∙37针D-Sub连接器节省了80%连接成本；
∙基本功能，M系列升级，实现更好的DAQ性能。
∙包括NI-DAQmx、VILoggerLite数据记录软件和其它测量服务
NIPCI-6010卡价位低、性能可靠，是各种OEM产品或实验室自动化、研究、设计验证测试和生产测试等简单应用的理想选择。
第四章测试系统的软件设计
4.1软件设计的总体思路与结构
首先，根据系统要求的功能将整个系统程序功能模块化，编程实现各个功能模块各自的功能。
其次，再将各个功能模块整合成一个完整的程序。
总体的功能模块结构图如下：
4.2各功能模块程序设计
4.2.1显示模块
将采集到的数据经过滤波后，把0.3v～06v之间的数据以波形格式显示出来，这样方便于我们观察氧传感器的上升响应和下降响应过程。
具体程序如图4.2。
图中
为与门；
为波形显示器，在程序前面板中为显示器图标；
为case结构，默认有ture和false两个case量。
为while循环结构，当按下stop键后循环结束。
首先将数据同时与0.3和0.6比较，再将得到的两个逻辑值相与作为case结构的条件输入，当数据大于0.3并且小于0.6时，与门输出的是ture信号，这样case量ture启动，数据流通入case结构，输入波形显示器，从而完成了所需要的波形显示。
4.2.2最大值与最小值模块
用“数组最大值最小值”函数来实现采集数据中最大值与最小值的提取。
程序如图4.3。
图4.3最大最小值基本程序
图中
为“数组最大值最小值”函数，判别一个数组中的最大值与最小值；
为“数据大小”函数，判别两个数据的较大值与较小值；
为数据显示量，用作在前面板中显示；
为移位寄存器，它可以套嵌在while循环结构，for循环结构中，实
现将上一循环的值储存并进入下一个循环中。
在这个模块中，运用“数组最大值最小值”函数得到每一次循环中的最大值与最小值，并将它分别储存到两个移位寄存器中，参与下一循环的比较，这样累计就得出了最后的最大值与最小值，实现了此模块的功能。
4.2.3上升时间与下降时间模块
上升时间模块与下降时间模块的设计相对比较复杂些。
由于上升时间模块与
下降时间模块的设计思路，程序流程图，和程序代码都基本相同，所以这里就只以上升时间模块为例进行详细的分析。
以下是上升时间模块子程序流程图（图4.4）和程序代码（图4.5）：
图4.4上升时间模块子程序流程图
图4.5上升时间模块子程序
图中，
为for循环结构，与N连接的数是循环次数；
为延时子vi；
为时钟计数器，精确到ms；
是代表
的一个局部变量，两个的值是完全相同的；
根据流程图与程序代码，我们对上升时间模块子程序作如下的分析：
由于上升响应时间是指电压从0.3v升到0.6v所用的时间，因此，将数据不停的与0.3作比较，当出现数据大于0.3时，读取时钟计数器时间值T1，当数据继续上升至大于0.6时，再读取时钟计数器时间T2，将两个时间值相减，便得到了上升时间T＝T2－T1。
几点重要说明：
（1）我们可以看到数据在与0.3和0.6比较时，分别进行了3次比较，即当前
数据，延时1ms后的数据，延时2ms后的数据，同时进行比较，只有当3个比较结果均为真时才认为真，这样做的目的在于可以一定程度上防止了数据干扰。
至于延时所产生的误差完全可以忽略，因为我们所要的上升时间值一般在几百毫秒，2ms的延时并不会影响效果。
（2）程序中使用了两个全局变量
与
，这两个全局变量的作用就在于实现“只读取时钟计数器一次”，也就是当数据第一次大于0.3（或0.6）时读取时间值的动作只进行一次，这样才可以正确的得到上升时间值。
当一次测试结束后，在主程序中会将这两个全局变量清零，使得可以进行反复的测试而不需要测试一次后停止整个程序再开始程序进行下一次的测试。
（3）程序中的另一个全局变量
是我们测试所需要的值，把他设成全局变量是因为我们要在主程序中显示这个数值，而只有全局变量才能在子程序与主程序之间进行数据的交流。
4.2.4控制信号输出模块
控制信号输出模块的功能是，结合主程序中过程选择按纽，输出相应的高电平或者低电平，进而控制硬件系统中的电磁阀离合动作。
从而达到测试过程自动化效果。
以下是模块的程序图（图4.6）：
图4.6控制信号输出模块程序
图中，
表示一个任务，可以对其进行任务的设置，具体在调试章节中会讲到；
是数据采集系统常用的程序，分别是任务开始子程序，数据写入子程序，任务结束子程序。
其中
中可以自主选择数据类型，通道类型等，在我们这个程序中，选择了单通道，数字量，单点输出类型。
程序中，当过程选择为ture时，如图，写入1，即采集卡输出为高电平；当过程选择为false时，如图，写入0，即采集卡输出为低电平。
这样，就实现了用软件中的“过程选择”按纽就能控制硬件系统中通气管电磁阀的开关控制。
4.2.5储存模块
储存模块要实现的功能主要包括：
（1）可以输入保存路径；
（2）储存的数据建立excel表格文件，并带有表头“产品编号、最大电压（v）、最小电压（v）、上升时间（ms）、下降时间（ms）”。
（3）可以输入每次保存的数据相对应的产品编号，以便将保存的数据与被测产品一一对应起来，方便以后的数据查阅与分析。
模块中运用到的主要函数分析：
是“用户输入提示对话框”，用以产生一个对话框提示用户输入相应的内容。
程序中，我们设置了两个对话框，分别是“请输入产品代号”、“是否是新的”。
为“字符串连接”函数，它可以将在左端输入的各个短字符串从上到下依次组合成一个长字符串，从右端输出；
为“字符串保存到文件”函数，用来将字符串保存到指定路径的文件中；
为“格式化字符串”函数，可以将数据按照指定的格式转化成字符串。
程序图如下（图4.7）：
图4.7数据储存模块程序
程序分析：
主程序中当按下stop键时进入数据保存模块，跳出数据保存对话框，按提示输入产品代号，选择“是否是新的”选项（默认为不选），若选择是新的，则先触发右边的case程序，将表头“产品编号、最大电压（v）、最小电压（v）、上升时间（ms）、下降时间（ms）”用tab键隔开后写入指定的文件中，再将所要保存的数据“max、min、下降时间、上升时间”也用tab键隔开后保存到指定文件中；若不选择新的，则直接把所要保存的数据添加到指定的文件中。
这样，当测试完多个产品之后，便会得到一张简单直观的产品数据表，可以很方便的进行数据查阅和分析。
4.3完整程序
将以上的各个模块结合起来，再加以整体的设计，便完成了整个系统的程序设计。
4.3.1程序前面板的修饰
美观的界面设计是labview的一大亮点。
作为一种基于图形模式的编程语言，labview在图形界面的设计上有着得天独厚的优势，可以设计出漂亮、大方、而且方便、易用的程序界面（即程序的前面板）。
为了更好的进行前面板的设计，labview提供了丰富的修饰前面板的方法以及专门用于装饰前面板分控件。
（1）设置前面板对象的颜色以及文字风格：
“设置颜色”对话框与字体对话框如图4.8所示
图4.8“设置颜色”与字体对话框
运用这两个设置可以轻松的编辑画面的颜色与字体。
（2）设置多个对象的位置关系和大小：
这里可以应用的工具如图4.9所示
图4.9对象的位置关系和大小的设置工具
（3）用修饰控件装饰：
用于修饰前面板的控件位于控件模板中的Decoration（修饰子模块）中，包括一系列线、箭头、方形、圆形、三角形等形状的修饰模块，这些模块如同一些搭建美观的程序界面的积木，合理组织、搭配这些模块可以构造出绚丽的程序界面。
Decoration模块如图4.10
图4.10Decoration模块
结合以上的三点就可以轻松的做出各种美观的界面了。
程序的前面板（图4.11）。
图
升级会员 