基于LabVIEW的柴油机部分流等动态排气微粒采样系统设计

柴嘉鸿， 许 允， 李盛成， 黄为钧， 马志双， 金文华

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

基于LabVIEW的柴油机部分流等动态排气微粒采样系统设计

柴嘉鸿， 许 允， 李盛成， 黄为钧， 马志双， 金文华

(吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022)

介绍了柴油机部分流等动态排气微粒采样系统的结构及工作原理。电控系统采用上、下位机分离的设计，为实现等动态采样，基于PID算法构建了压差稳定性的控制策略，完成了以飞思卡尔单片机为核心的硬件电路设计，并利用LabVIEW图形化编程语言实现上位机程序编写，该控制程序具有RS-232串口通信、监测控制及自主存储等功能。结果表明：由单片机采集的信号通过RS-232串口通信协议及自定义数据格式，可以实现上、下位机间的数据双向传输；用户通过上位机程序界面能够方便地向下位机发送不同的设置信息和操作指令，并可以随时监测、存储系统的工作状态；经通讯试验验证了电控系统功能匹配性良好，具有一定的研究前景与应用价值。

柴油机； 微粒； LabVIEW； 等动态系统； 部分流稀释取样

0 引 言

柴油机的微粒排放严重污染环境并危害人类健康[1-2]。因此，必须利用微粒测量系统对柴油机的微粒排放水平进行检测[3]。目前，国际上常用的微粒测量系统分为全流稀释微粒采样系统和部分流稀释微粒采样系统两种。全流稀释微粒采样系统是将柴油机的全部排气引入稀释风道内，用洁净空气将其稀释到规定的程度后进行微粒的取样和测量[4]。部分流稀释微粒采样系统是指将柴油机的部分废气引入稀释风道中，经干净空气稀释后，将其部分或全部通过滤纸，进行微粒排放的测量[5]。相比于全流稀释微粒采样系统，部分流稀释微粒采样系统具有结构简单、占用空间小、成本低廉等优点，因此在微粒检测和研究中被广泛应用[6]。

目前国内对部分流稀释采样系统研究较少，尚无此类产品推广[7]，而从国外引进存在价格昂贵且难以满足需求等问题。为此，提出了一套部分流等动态微粒采样系统，整个系统无需附加质量流量计和排气分析仪，具有结构简单、控制精度高、测量及维护成本低等显著优势；不仅能够实现稳态工况下的微粒排放测量，同时具备测量瞬态工况下微粒排放的潜力；此设计有效可行，可供国内广大企业、院校及科研院所等选择使用。

本文基于部分流等动态微粒采样系统的结构及工作原理，搭建以飞思卡尔MC9S12X128单片机为基础的硬件电路，并制定流量控制阀和电磁阀的控制策略以满足等动态采样的压差稳定性需求。此外，采用图形化编程语言对上位机LabVIEW程序进行编写[8-10]，使用户能够直接在前面板上完成各种信息设置和操作指令，并对上、下位机间的功能匹配性及控制算法正确性进行验证。

1 采样系统结构及工作原理

部分流等动态微粒采样系统原理如图1所示。该系统从功能上分为三部分，分别为排气稀释模块(包括1～5及17)、微粒采集模块(包括6～12)及控制模块(包括13～19)。在排气测量管和排气动态取样探头顶端安装压差传感器I用以测量两者间压差，在稀释风道和颗粒物动态取样探头顶端安装压差传感器II用以测量两者间压差。根据微粒的定义，利用(25±5)℃的洁净空气稀释发动机排气至低于52 ℃，将该混合气通过镀有聚四氟乙烯的玻璃纤维滤纸后，被过滤后的除水以外所有物质[11]。因此在稀释风道末端靠近颗粒物取样探头处安装温度传感器，以监测稀释风道中该混合气温度。具体的测量原理是来自排气测量管中的发动机原始排气，通过排气动态取样探头经传递管输送到稀释风道中；空气在风机的作用下经空气滤清器流入稀释风道，对稀释风道中的排气进行充分混合并稀释；稀释后的混合气经颗粒物动态取样探头及其传递管，流经滤纸从而实现对微粒进行的采样测量。

1-排气测量管；2-排气动态取样探头及传递管；3-稀释风道；4-稀释空气过滤器；5-风机；6-颗粒物动态取样探头及输送管；7-三通接头；8-取样通路电磁阀；9-旁通通路电磁阀；10-取样通路滤纸保持架；11-旁通通路滤纸保持架；12-变频真空泵；13-流量控制阀I；14-流量控制阀II；15-压差传感器I；16-压差传感器II；17-温度传感器；18-电控单元(下位机)；19-LABVIEW 上位机

图1 部分流等动态微粒采样系统原理图

当压差传感器I测量值为0时，可根据排气动态取样探头与排气测量管横截面积之比计算出流经稀释风道中的排气质量流量。同理，当压差传感器II测量值为0时，可根据颗粒物动态取样探头与稀释风道横截面积之比计算出流经滤纸保持架的排气质量流量，从而能够准确地计算出流经滤纸保持架的柴油机排气中所含微粒排放量。测得的发动机在各工况下的排气流量及已知各工况功率就可计算出该发动机微粒物比排放。

2 电控系统开发

电控系统是部分流等动态微粒采样系统的关键，根据采集到的压差值通过PID实时调节流量控制阀的开度以实现等动态取样，并将数据传输到LabVIEW上位机中以方便用户进行操作。

2.1单片机系统开发

本文选用飞思卡尔MC9S12X128单片机为控制核心，配以各种驱动芯片完成对该系统电器件的控制，其硬件连接如图2所示。实现对温度传感器信号、压差传感器信号及流量控制阀开度反馈信号的采集，并制定了流量控制阀和电磁阀的控制策略，即流量控制阀通过直流电机驱动板与单片机PWM通道相连，单片机输出不同占空比的电压信号来实现流量控制阀的开度的控制。电磁阀通过继电器与单片机普通I/O口相连，通过设置I/O的高低电平实现电磁阀的开闭控制。

图2 控制系统硬件连接示意图

为了实现等动态取样，根据采集到的压差值通过PID运算进行闭环控制实时调节流量控制阀的开度。具体为当电控单元采集到的压差传感器I的压差值不为0时，通过PID程序自动调节流量控制阀I的开度，改变通入排气取样探头顶端空气量以调节排气取样探头顶部的压力，进而使发动机测量管和排气取样探头内排气的压差达到0。当采集到压差传感器II的值不为0时，根据PID 程序自动调节流量控制阀II的开度，改变通入颗粒物取样探头及传递管的末端的空气量，调节颗粒物取样探头顶部的压力，进而调节稀释通道内混合气和颗粒物取样探头顶端内混合气的压差直至为0。

因此，本系统必须能够实时调节两个流量控制阀开度，保证两个压差传感器的测量值为0。图3为以其中一个流量控制阀的实时调节为例，说明PID算法在系统中的具体应用。图中pset表示设定的压差目标值，pmeasure为压差测量值。

图3 流量控制阀PID控制原理图

单片机采集到的压差传感器的压差信号测量值与设定好的目标值进行比较，将两者的差值送到PID控制器进行计算操作后输出不同占空比PWM信号到驱动板的控制端。驱动板将PWM信号转化为直流电压输出并进行功率放大，经放大后的信号能够驱动并实时调节流量阀的开度，进而实现压差传感器的测量值与目标值跟随。

2.2LabVIEW上位机控制程序开发

单片机采集到的温度、压力及流量控制阀的开度信号需要在上位机中实时显示。此外，电磁阀的开闭需要由上位机给下位机明确的控制信号。因此，本文自主编写了LabVIEW图形化控制程序用于实时监测及控制下位机电控单元的工作状态。该上位机按功能可分为与下位机的串口通信模块、监测模块及控制模块。上、下位机间使用RS-232串口[12-14]实现数据双向传输。将带有RS-232接口的单片机与计算机连接在一起，组成本系统的电控系统，最终通过计算机进行统一的操作与管理。

2.2.1上、下位机RS-232串口通信模块

图4为该上位机与下位机采用RS-232串口通讯的连接线路。在硬件上数据通信采用3线制，上位机与单片机间发送数据线TXD与接收数据线RXD交叉连接，且两者共地线GND，无需其他信号，这样既能达到预定任务又能简化设计电路。

图4 PC与单片机串口通信线路

在LabVIEW程序面板中，需要利用串口初始化、串口读、串口写及串口关闭等功能。图5为串口读写程序框图，图6所示为RS-232异步通信协议一帧数据的定义[15-17]。在串口通信模块中必须满足LabVIEW上位机控制程序中设置的波特率、数据位、奇偶校验位与单片机C程序中设置的波特率、数据位、奇偶校验位一致，否则会导致通信错误。

图5 串口读写程序框图

图6 异步通信数据帧格式

2.2.2LabVIEW上位机监测模块

监测模块主要用于实时监测系统的工作状态，如监测温度信号是否超过52 ℃、流量控制阀开度是否按照既定的PID算法运行、压差信号是否跟随目标值变化等。为了更直观的展现压差信号的实时变化，在上位机中运用波形图表控件用于显示压差值的波动。图7所示为实际工作过程中上位机软件的运行情况，从上位机面板中可以直观的显示出压差值的变化。

图7 运行过程中上位机示意图

2.2.3LabVIEW上位机控制模块

控制模块主要是控制该系统的工作状态，包括控制电磁阀开闭及选择单滤纸或多滤纸实验等。若选择多滤纸实验，则上位机会向下位机下传7帧数据，包括开始多滤纸实验的特征码、旁通时间、取样时间、以及压差传感器 I、II的目标值。若选择单滤纸实验，则上位机会向下位机下传8帧数据，包括开始单滤纸实验的特征码、旁通时间、取样时间、压差传感器 I、II 的目标值以及循环次数。若选择通道清理，将会同时打开取样和旁通通路的电磁阀进行通道清理。试验过程中，首先根据需要的工况参数，打开旁通通路电磁阀使排气通过，待旁通时间溢出后，关闭旁通通路电磁阀并打开取样通路电磁阀进行取样，待取样时间溢出后，再关闭取样通路电磁阀，打开旁通通路电磁阀，让废气从旁通通路流出。若在试验过程中选择暂停按钮，则旁通时间、取样时间暂时停止计时，待重新开始试验后再接着原来的计数器计时。

2.2.4上、下位机功能匹配性验证

在完成上、下位机程序编写后，搭建部分流等动态微粒采样系统台架前，需要对上、下位机的功能匹配性进行验证。下位机通过ECT定时模块，单片机每20 ms进入一次中断，对温度、压差及流量控制阀开度信号进行滤波中值采集。将PID的采样周期设置500 ms，即每500 ms根据压差实测值和目标值进行一次PID运算并输出PWM信号，用于调节流量控制阀的开度。每1 s下位机将采集到的温度、压差及流量控制阀开度信号上传到LabVIEW上位机软件中。表1所示为该通信试验验证过程中采集到的数据，在试验过程中给定压差传感器I、II不同的压差值，来验证流量控制阀的响应性及流量控制阀的开度是否按照既定的PID程序运行。图8所示为以流量控制阀I开度随压差传感器I采集的压差信号增大而减小，符合设置的PID控制算法，验证了PID算法的正确性。从表1及图8可知，上、下位机可以实现通信及数据自动存储功能。通过上、下位机的通讯试验验证了该上、下位机功能的匹配性以及控制算法的正确性。

表1 上、下位机通讯实验验证过程中采集到的数据

注：滤纸前温度28 ℃,压差传感器Ⅰ、Ⅱ目标值为0 Pa

图8 流量控制阀开度随压差信号的变化

3 结 语

本文介绍了部分流等动态微粒采样系统的结构、工作原理及电控系统开发，包括下位机电控单元及上位机控制软件开发。在下位机电控单元开发中，根据飞思卡尔MC9S12XS128开发板资源和驱动芯片的功能合理布置各个电器件与单片机的连接，完成了系统硬件电路的设计；基于LabVIEW编写了上位机程序，按功能分为RS-232串口通信模块、监测模块、控制模块3个部分。通过上、下位机通信试验验证上、下位机间功能匹配性良好，同时根据压差信号与流量控制阀的开度关系验证了该系统PID控制策略的正确性及流量控制阀的响应性。该系统具有工作稳定，性能可靠等优点。

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·名人名言·

成功的科学家往往是兴趣广泛的人。他们的独创精神可能来自他们的博学。多样化会使人观点新鲜，而过于长时间钻研一个狭窄的领域，则易使人愚蠢。

——贝弗里奇

DesignofaDieselParticulatePartial-Flow&DynamicSamplingSystemBasedonLabVIEW

CHAIJiahong，XUYun，LIShengcheng，HUANGWeijun，MAZhishuang，JINWenhua

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China)

The structure and working principle of particulate partial-flow and dynamic dilution sampling system of the diesel were introduced. The electronic control system used separated design of upper and lower computers. In order to achieve dynamic dilution sampling, pressure stability control strategy was built based on PID algorithm, and the hardware circuit design was completed as the core of Freescale microcontroller. By using LabVIEW graphical programming language, the upper computer program was written. The LabVIEW control program has RS-232 serial communication, monitoring and independent storage functions. The results show that analog signals collected by microcontroller through RS-232 serial communication protocol and the user-defined data formats can achieve two-way data transmission between the upper and lower computers. The user can send different setting information and operation instructions to lower computer through the upper computer program interface, and can monitor and storage the working state of system at any time. After communication test verification, the electronic system function matches requirement well. It has some prospects for the study and application value．

diesel； particulate； LabVIEW； dynamic system； partial-flow dilution

TK 421

A

1006-7167(2017)09-0046-05

2016-11-24

国家自然科学基金资助项目(51576089)；吉林大学研究生创新基金资助项目(No.2016026)

柴嘉鸿(1992-)，女，满族，吉林长春人，硕士生，研究方向：内燃机公害与控制。Tel.:13578935356；E-mail：424307294@qq.com

许 允(1964-)，男，吉林长春人，高级工程师，研究方向：内燃机公害与控制。Tel.：13514406340；E-mail：xuyun@jlu.edu.cn